[碩士]中美抗震規(guī)范的鋼框架結構抗震措施的差異,碩士,中美,抗震,規(guī)范,框架結構,措施,差異 筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文摘要本文以現行中國建筑抗震設計規(guī)范G B 5 0 0 1 1-2 0 0 1(2 0 0 8 版)和美國最新的具有代表性的規(guī)范I n t e r n a t i o n a lB u i l d i n gC o d e-I B C2 0 0 6 年版和M i n i m u mD e s i g nL o a d sf o rB u i l d i n g sa n dO t h e rS t r u c t u r e sA S C E S E I7 0 5 為基礎，分析研究了兩國地震作用計算的不同；在此基礎上，結合美國鋼結構抗震規(guī)范S e i s m i cP r o v i s i o n sf o rS t r u c t u r a lS t e e lB u i l d i n g sA N S I A I S C3 4 1 0 5，通過一個9 層鋼框架結構在高烈度區(qū)的抗震設計，定量研究了兩國抗彎鋼框架設計中抗震措施的不同。論文對兩國規(guī)范的抗震設防目標、抗震設計方法，結構體系類型與建筑結構規(guī)則性，地震作用計算方法選定及適用范圍，底部剪力法地震作用計算等方面，進行了對比分析，表明兩國規(guī)范在地震作用計算上存在明顯差別，美國規(guī)范的結構延性概念更加清晰，地震作用與結構延性之間的對應關系更為明確。對一個9 層抗彎鋼框架結構(S p e c i a l 等級)抗震設計，定量分析了兩國規(guī)范在采用底部剪力法進行地震作用計算、框架節(jié)點設計(強柱弱梁)、抗震措施(框架梁、柱板件寬厚比，框架柱長細比)的差異，得到美國規(guī)范在高烈度區(qū)，要求結構具有更高延性及抗震措施來進行抗震設計，結構抗震設計概念更為明確。關鍵詞：抗震規(guī)范、地震作用、地震作用折減系數、鋼框架、抗震措施筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建簌工程學院碩士學位論文A b s t r a c tT h i sp a p e rc o m p a r e ds o l n ep r o v i s i o n so fs e i s m i ca c t i o nc a l c u l a t i o na m o n gt h ec u r r e n tC h i n e s e“c o d ef o rs e i s m i cd e s i g no fb u i l d i n g s”G B 5 0 011-2 0 01(2 0 0 8e d i t i o n)a n dt h el a t e s tU S r e p r e s e n t a t i v en o r m sI B C 2 0 0 6(I n t e r n a t i o n a lB u i l d i n gC o d e，2 0 0 6e d i t i o n)，a n dA S C E 7 2 0 0 5(M i n i m u mD e s i g nL o a d sf o rB u i l d i n g sa n dO t h e rS t r u c t u r e sA S C E S E I7 0 5)，t h e nt h r o u g ha9 一l a y e rs t e e lf r a m es t r u c t u r e si ns e i s m i cd e s i g no fh i g h-i n t e n s i t ya r e a s，b a s e do nt h eU S s t e e ls e i s m i cs t a n d a r d sA I S C 一2 0 0 5(S e i s m i cP r o v i s i o n sf o rS t r u c t u r a lS t e e lB u i l d i n g sA N S I A I S C3 4 1-0 5)，s t u d yt h es e i s m i cm e a s u r e sd i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oc o u n t r i e s T h ep a p e rc o m p a r e ds e i s m i cf o r t i f i c a t i o ns t a n d a r d，s e i s m i cd e s i g nm e t h o d，s t r u c t u r a ls y s t e mt y p e sa n db u i l d i n gs t r u c t u r er e g u l a r i t y,s e l e c t i o no fs e i s m i ca c t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h ec a l c u l a t i n go fb a s es h e a rm e t h o d，i ts h o w st h a tt h e r eh a v eo b v i o u sd i f f e r e n c eo fs e i s m i ca c t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o db e t w e e nt h et w oc o u n t r i e s，i ts h o w st h a tt h eA m e r i c as t r u c t u r a ld u c t i l i t yc o n c e p ti sm o r ec l e a r l y,a n dt h er e l a t i o nb e t w e e ns e i s m i ca c t i o na n ds t r u c t u r a ld u c t i l i t ya r em o r ec l e a r e r T h r o u g han i n e-l a y e rs p e c i a lm o m e n t-r e s i s t i n gs t e e lf l a m es t r u c t u r es e i s m i cd e s i g nt oq u a n t i t a t i v e l yc o m p a r e dt h eb a s es h e a rm e t h o ds e i s m i ca c t i o nc a l c u l a t i o n，f l a m ej o i n td e s i g n(s t r o n gc o l u m n w e a kb e a m)，s e i s m i cm e a s u r e s(f r a m eb e a ma n dc o l u m np l a t ew i d t h t h i c k n e s sr a t i o，f r a m ec o l u m ns l e n d e r n e s sr a t i o)，i ts h o w st h a tt h eA m e r i c as e i s m i cd e s i g nc o d er e q u i r et h es t r u c t u r eh a v eh i 曲e rd u c t i l i t ya n ds e i s m i cm e a s u r e st od os e i s m i cd e s i g na th i g h-i n t e n s i t ya r e a s，s e i s m i cd e s i g nc o n c e p t si sK e y w o r d s：s e i s m i cc o d e，s e i s m i ca c t i o n,s e i s m i cf o r c er e d u c t i o nf a c t o r,s t e e lf r a m es t r u c t u r e，s e i s m i cm e a s u r e sI I筑龍網 WWW.ZHULONG.COM琺京建麓工程學院碩士學位論文1 1 背景介紹第一章緒論千百年來，人類遭受了無數次的地震災害，飽受痛苦。人們在地震發(fā)生后總結震害經驗，不斷探索抵御地震的方法，從而誕生了各種抗震設防思想及理論，要想減輕地震災害，首先必須進行合理的抗震設防，由于不同國家的抗震設計方法不同，對于做國外工程的設計人員來說，就要掌握和理解該國的抗震設計思想和理念。近年來，已有不少專家學者進行外國抗震規(guī)范的研究和中外抗震規(guī)范的比較，相應的科研成果有：美國統(tǒng)一建筑規(guī)范中的抗震設計【l】、U B C 規(guī)范與建筑抗震設計規(guī)范地震荷載轉換方法【2 J、中美歐抗震設計規(guī)范地震動參數換算關系的研究【3 1、中歐建筑抗震設計規(guī)范地震作用取值的比較【4 1、中日歐美抗震規(guī)范結構影響系數的構成及其對塑性變形需求的影響【5】等，可見，中國的抗震工作人員已經開始對外國的抗震規(guī)范重視程度越來越高了，事實證明，通過比較中外抗震規(guī)范和對外國規(guī)范進行研究從而改善我國的抗震設計方法、提高我國的抗震設防水平是很有必要的，帶來的幫助也是巨大的。我國現行的國家標準建筑抗震設計規(guī)范G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 版)【6 1，是在建筑抗震設計規(guī)范G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 的基礎上汶川地震(2 0 0 8 5 1 2)后進行的一次抗震規(guī)范局部修訂。這次修訂，將汶川地震后不同結構形式的震害經驗按不同烈度進行科學總結，對設防分類、結構構件的基本要求、防震縫、山區(qū)場地、非結構構件、樓梯間等條款的規(guī)定進行了改動和調整。美國的抗震規(guī)范體系比較雜亂，沒有全國范圍內統(tǒng)一的建筑抗震設計規(guī)范，而是有很多的規(guī)范種類，比如美國的南部地區(qū)主要使用S B C(S t a n d a r dB u i l d i n gC o d e)規(guī)范，美國的東部和中西部地區(qū)主要使用N B C(N a t i o n a lB u i l d i n gC o d e)規(guī)范，美國西部的很多個州采用U B C(U n i f o r mB u i l d i n gC o d e)規(guī)范，另外，美國還有一些專門為起草和修訂規(guī)范條文提供參考的技術性指導文件，如N a t i o n a lE a r t h q u a k eH a z a r d sR e d u c t i o nP r o g r a m 7 L-N E H R P(國家地震災害減輕計劃)的抗震推薦條款為A S C E 和I B C 提供參考，U B C 以S E A O C 為藍本等。因此，在某一地區(qū)可能同時有多本規(guī)范實施。美國主要的抗震規(guī)范(文件)有：N E H R P、筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文S E A O C 8 1、A S C E 7 9 1、U B C 1 0 1、I B C 等【l l】。下面付仃捌7-4 姒4-刪疋J 以興叮目肚及 1 A-J 機構列于表1 1 中。表1 1美國主要抗震規(guī)范(文件)g o 其相應發(fā)行機構組織(發(fā)行)機構w o r g a n i z a t i o n s抗震規(guī)范(規(guī)定卜_ d o c u m e n t sB u i l d i n gS e i s m i cS a f e t yC o u n c i l B S S CN E H R P-N a t i o n a lE a r t h q u a k eH a z a r d sR e d u c t i o n建筑地震安全理事會P r o g r a m 國家地震災害減輕計劃S t r u c t u r a lE n g i n e L：q$A s s o c i a t i o no fS E A O CR e c o m m e n d e dL a t e r a lF o r c eC a l i f o r n i a 加州結構工程師協(xié)會R e q u i r e m e n t sa n dC o m m e n t a r yA m e r i c a nS o c i e t yo fC i v i lE n g i n e e r s-A S C EM i n i m u mD e s i g nL o a d sf o rB u i l d i n g sa n dO t h e r美國士木工程師協(xié)會S t r u c t u r e s 建筑與其它結構最小設計荷載標準I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo fB u i l d i n gU B C-U n i f o r mB u i l d i n gC o d eO f f i c i a l s I C B O 國際建筑官員協(xié)會統(tǒng)一建筑規(guī)則I n t e r n a t i o n a lC o d eC o u n c i l I C CI B C-I n t e m a t i o n a lB u i l d i n gC o d e國際規(guī)范委員會國際建筑規(guī)則由于美國規(guī)范體系較亂，在國際市場上難以推廣應用【1 2】，且各規(guī)范發(fā)展快慢不統(tǒng)一，這就迫切需要尋求全美統(tǒng)一的建筑抗震設計規(guī)范，于是由出版S B C、N B C、U B C 的三家機構聯(lián)合成立了I C C，出版I B C(I n t e m a t i o n a lB u i l d i n gC o d e)國際建筑規(guī)則，第一版是2 0 0 0 年出版的I B C 2 0 0 0，每三年一版，I B C 2 0 0 6 1 3】是其最新的版本，目前，I B C 2 0 0 6 在美國得到了廣泛的應用。I B C 2 0 0 6 吸收了美國最新的研究成果，代表著美國未來抗震設防標準的發(fā)展方向，所以它的內容值得我們關注和研究。另外，在美國對不同結構進行抗震設計時，還需要針對不同的結構類型來結合相應的專門規(guī)范。例如，鋼結構抗震設計一般要參考美國鋼結構協(xié)會A I S C 出版發(fā)行的文件或規(guī)范，混凝土設計要參考美國混凝土協(xié)會A C I 出版的文件。本文鋼框架結構抗震措施部分內容主要參考S e i s m i cP r o v i s i o n sf o rS t r u c t u r a lS t e e lB u i l d i n g s 1 4】(鋼結構抗震設計規(guī)范)，由A m e r i c a nI n s t i t u t eo fS t e e lC o n s t r u c t i o n(A I S C)W,版發(fā)行。美國鋼結構抗震的規(guī)范已有2 0 年歷史了，早在1 9 8 8 年的“加州結構工程師協(xié)會”(S E A O C)“藍皮書”里第一次較系統(tǒng)的對鋼結構抗震有了規(guī)定，A I S C 作為一個專門的鋼結構規(guī)范，于1 9 9 0 年第一次正式出版，后經9 22筑龍網 WWW.ZHULONG.COM娃京建筑工程學院碩士學位論文年、9 7 年、0 2 年的不斷修訂，直到現在的2 0 0 5 最新版。本文在研究鋼框架結構抗震措施部分內容時要參考S e i s m i cP r o v i s i o n sf o rS t r u c t u r a lS t e e lB u i l d i n g sA N S IA I S C3 4 1 0 5(下文簡寫為A I S C 2 0 0 5)鋼結構抗震規(guī)范。汶川地震后，我國及時將建筑抗震設計規(guī)范的某些條文內容進行調整，出臺G B 5 0 0 1 1-2 0 0 1(2 0 0 8 版)，提高了我國的抗震設防水平。美國自9 0 年代以來也是對規(guī)范不斷的修訂，改動較大，I B C 2 0 0 6 綜合多種規(guī)范，為新時期美國抗震規(guī)范的典型代表，展現美國的最新抗震研究成果的應用情況。對兩者進行比較，具有重大意義：(1)比較兩國在抗震設計方法上的異同點，為抗震設計和研究工作提供參考；(2)反映兩國抗震設防的安全水平；(3)反映各自對抗震設計研究成果的具體應用情況；(4)展望兩國未來抗震設計規(guī)范的修訂趨勢。1 2 研究內容本文比較研究了我國現行建筑抗震設計規(guī)范G B5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 版)與美國I B C 2 0 0 6、A S C E S E I7 0 5 規(guī)范(是一本荷載標準，一般用作其他規(guī)范條文的參考基礎。其還在不斷發(fā)行修訂版，最新版本為2 0 0 5 年版，下文簡寫為A S C E7-0 5)地震作用計算的不同；在此基礎上，結合美國鋼結構抗震設計規(guī)范S e i s m i cP r o v i s i o n sf o rS t r u c t u r a lS t e a lB u i l d i n g s 1 4 J(A I S C 2 0 0 5)，通過一個9 層鋼框架結構在高烈度區(qū)的抗震設計，定量研究了兩國抗彎鋼框架設計中抗震措施的不同。另外，進行比較時還參考了我國鋼結構設計規(guī)范G B5 0 0 1 7 2 0 0 3 ”】、高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程J G J 9 9 9 8 t M】、建筑工程抗震設防分類標準G B 5 0 2 2 3 2 0 0 8 t 1 7 1，以及美國S d s m i eD e s i g nM a n u a l 1 釘，現代美國鋼結構設計手冊【1 9 1、L O A D&R E S I S T A N C EF A C T O RD E S I G N t 2 0 1 等規(guī)范和工具書。結構抗震設計包括地震作用計算與抗震措施兩個方面，本文比較研究的內容主要包括中美抗震規(guī)范關于地震作用計算和鋼框架結構的抗震措施兩大部分內容。比較研究了地震作用計算的主要影響因素包括抗震設防目標、設計方法，結構體系類型和規(guī)則性，地震作用計算方法的分類與選定，靜力計算方法一底部剪力法等方面；比較鋼框架結構抗震措施的內容主要有框架節(jié)點設計(強柱弱梁)、抗震措施(框架梁、柱板件寬厚比，框架柱長細比)。本文最后通過一個9 層的抗彎鋼框架結構(S p e c i a l 等級)在高烈度區(qū)的抗3筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北東建筑工程學院碩士學位論文震設計，定量分析了兩國規(guī)范在采用底部剪力法進行地震作用計算、框架節(jié)點設計(強柱弱梁)、抗震措施(框架梁、柱板件寬厚比，框架柱長細比)的設計差異，并給出結論和建議。4筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建友工程學院碩士學位論文第二章兩國規(guī)范地震作用計算比較2 1 抗震設計的原則2 1 1 抗震設防目標建筑抗震設計規(guī)范G B5 0 0 1 1-2 0 0 1(2 0 0 8 版)延續(xù)“8 9 規(guī)范”提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”三水準抗震設防目標，即：當建筑物遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震時，一般不受損壞或不需修理而可繼續(xù)使用；當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，可能損壞，但經一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度預估的罕遇地震時，不致使結構倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞【2 1 1。小震強度的地震對應5 0 年超越概率6 3 2；中震為5 0 年超越概率1 0；大震為5 0 年超越概率2-3。I B C 2 0 0 6 本身沒有給出分層次的抗震設防目標。但其參考文件N E H R P 2 0 0 3 t 2 2】給出的抗震設防目標是分等級的。N E H R P 2 0 0 3 版規(guī)定：對于“設計地震地面運動(d e s i g ne a r t h q u a k eg r o u n dm o t i o n)”，要求大多數結構的損傷是可以修復的(中震可修)，對重要的建筑或設施，所導致的損傷要求不能影響其連續(xù)使用功能；對于“超過設計等級的地震地面運動，要使結構倒塌的可能性較低(大震不倒)。I B C 2 0 0 6 中“最大考慮地震”(m a x i m u mc o n s i d e r e de a r t h q u a k e，簡稱M C E)的地震強度等級為5 0 年超越概率2，重現期2 4 7 5 年，其“設計地震”是由“最大考慮地震 乘以2 3 的折減系數得到的【2 3 1。I B C 2 0 0 6 有公式=導和j，s o。=。，其中、。分別為短周期和1 秒周期的最大譜反應加速度j(s p e c t r a lr e s p o n s ea c c e l e r a t i o n)，、1 分別為短周期和1 秒周期的設計譜反應加速度(附錄1 為本文的主要符號說明)。折減后的“設計地震 就是上段提到的設計地震地面運動，接近我們國家的中震，“超過設計等級的地面運動”就是針對“最大考慮地震，對應5 0 年超越概率2，相應于我們國家的大震。從上面的內容可以看出，中國抗震規(guī)范與美國I B C 2 0 0 6 規(guī)范在抗震設防目標上是基本一致的，都要求滿足“中震可修、“大震不倒”的原則，此外，中國規(guī)范還要求滿足“小震不壞，小震概念是我們國家所特有的。5筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建曩工程學院碩士學位論文2 1 2 抗震設計方法的比較結構抗震設計需要考慮地震作用計算和抗震措施這兩方面。中國抗震規(guī)范G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 版)的結構抗震設計驗算分為兩個階段：第一階段為小震下的承載力驗算；第二階段為大震下的彈塑性變形驗算。在第一階段，我國抗震規(guī)范將地震強度5 0 年超越概率1 0 的中震，使用統(tǒng)一的折減系數2 8，折減N d,震，在小震下依據于彈性反應譜理論進行完全彈性的地震作用計算。I B C 2 0 0 6 采用的地震強度為5 0 年超越概率2(“大震”)，然后乘以2 3，折減得到設計地震(接近中震)【2 4 ，依據于彈塑性反應譜理論，根據不同的結構類型其延性系數u 不同，由彈塑性反應譜I 卜|l 的關系得到相應的地震作用折減系數R 的值，將彈性分析得到的地震作用除以R，得到體系所需的設計強度。I B C 2 0 0 6 除了根據結構體系類型的不同來劃分延性等級，從而影響R 取值外，還將同一種結構類型分為三個不同的延性等級：“S p e c i a l 、“I n t e r m e d i a t e 和“O r d i n a r y，“S p e c i a l 等級具有較高的延性，“O r d i n a r y”延性較低，結構延性通過不同的抗震措施得到保證。延性等級越高，體系的延性系數u 越大，地震作用折減系數R 也越大，得到的地震作用就越小。在進行結構抗震設計時，I B C 2 0 0 6 規(guī)范對于同一種結構類型允許設計者采用不同的延性等級，從而得到不同的地震作用；而中國規(guī)范對于同一研究對象，其地震作用值是相同的。表2 1 列出了I B C 2 0 0 6 規(guī)范中抗彎鋼框架結構三個延性等級的地震作用折減系數：表2 1I B C 2 0 0 6 規(guī)范中抗彎鋼框架體系地震作用折減系數R等級I B C 2 0 0 6S p e c i a l8I n t e r m e d i a t e4 5O r d i n a r y3 5可見，相對于我國統(tǒng)一的折減系數2 8 而言，I B C 2 0 0 6 對各延性等級的地震作用折減系數R 取值較大，這樣得到的地震作用就小，這就需要更高的延性來保證結構不倒塌，可以說，美國規(guī)范對結構的延性概念更清晰。地震作用折減系6筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文數R 在“2 3 建筑結構體系 一節(jié)還要進行詳細介紹。中美兩國抗震設計的基本設計地震都依據5 0 年超越概率1 0 的“中震，但兩國規(guī)范的抗震設計方法因為I B C 2 0 0 6 使用了因結構體系類型和延性等級的不同而采用不同的R 值而有很大差異。我國抗震規(guī)范較為獨特的是在小震下進行地震作用計算，依據于彈性反應譜理論，使結構在小震下保持彈性，地震作用計算主要計算承載力是否滿足要求，不考慮結構的塑性耗能，從而保證結構小震不壞，結構的塑性耗能要求由內力調整與抗震措施單獨進行考慮。設計人員把握中國抗震規(guī)范進行結構抗震設計相對較簡單，因為不用選擇地震作用折減系數，但是，如何保證抗震措施在地震作用計算時未體現，對設計者來說設計目標是隱含的。I B C 2 0 0 6 采用彈塑性反應譜理論，在進行地震作用計算時同時考慮結構的塑性耗能要求，地震作用計算與抗震措施兩者緊密結合，在設計過程中同時控制地震作用與結構塑性耗能能力，體現了抗震設計的雙重要求，設計目標較明確，設計者可以采取不同的“地震作用一延性組合，設計時有較大的靈活性，但應用起來比中國規(guī)范復雜。因此，中美兩國規(guī)范的抗震設計方法差異很大，I B C 2 0 0 6 的延性概念更清晰。2 2 建筑物用途與重要性的分類及影響中美兩國抗震規(guī)范都考慮了建筑物的用途與重要性的分類，將建筑物劃分為不同的重要性等級。1、中國建筑抗震設計規(guī)范G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 年版)根據建筑物的重要性進行抗震設防類別的劃分，如下所述：特殊設防類：重大的使用上有特殊要求的建筑，簡稱甲類；重點設防類：生命線等建筑，簡稱乙類：標準設防類：一般重要的大量的建筑，簡稱丙類；適度設防類：次要建筑，簡稱丁類。汶川地震后對抗震規(guī)范的修訂，進一步突出了設防類別劃分是側重于使用功能和災害后果的區(qū)分，并更強調體現對人員安全的保障。汶川地震表明，嚴格按照規(guī)范進行設計、施工和使用的建筑，當遭遇比設防烈度高一度的地震作用時，沒有出現倒塌破壞，有效地保護了人民的生命安全。因此，絕大部分建筑均可劃7筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文到標準設防類。2、I B C 2 0 0 6 將建筑物按用途不同分為以下4 種類型(I B C 2 0 0 0 中只有I、I I 和I I I 三種用途分類)：I 破壞時低災害性的建筑：如農田，小型儲倉等；I I 除其他3 種用途以外的建筑；I I I 災害性建筑：如容納超過3 0 0 個學生的建筑，容納5 0 個以上殘疾病人的建筑，污水處理設施，儲存有毒和易爆物品的建筑等；重要性建筑：醫(yī)院和可進行手術和應急處理的場所，消防站、警察局和應急中心建筑，設計用作地震、颶風及其他突發(fā)情況時的緊急避難所等。表2 2 中列出了兩國規(guī)范的建筑物用途及重要性分類及其影響。表2 2 中美規(guī)范中建筑物用途重要性分類及影響G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 年版)I B C 2 0 0 6分重要性分類：用途分類(O c c u p a n c yC a t e g o r y)：類特殊設防類：需要特殊設防的重要建I 破壞時低災害性的建筑；筑；I I 除其他3 種用途以外的建筑；重點設防類：需要提高設防要求建I 災害性建筑(造成人員重大傷亡或次生災筑；害)；標準設防類：除其他三類外的建筑；重要性建筑。適度設防類：允許適度設防的不致產(引自I B C 2 0 0 6 表1 6 0 4 5)生次生災害的建筑。(詳見建筑抗震設防分類標準G B 5 0 2 2 3 2 0 0 8 第3 0 2 條)影1 通過調整地震烈度來調整地震作1 通過抗震重要性系數(S e i s m i cI m p o r t a n c e響用；F a c t o r)I，直接調整地震作用；2 調整抗震措施等級；2 與地震強度共同決定抗震設計分類(S e i s m i c3 決定地震作用補充計算(只針對時D e s i g nC a t e g o r y)A F，由此選取地震作用計算程分析與彈塑性變形驗算)。方法：3 通過影響地震分組，影響結構的延性等級，以采取不同的抗震措施。從表2 2 可以看出，中美兩國抗震規(guī)范的建筑用途與重要性分類及其影響有8筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北未建筑工程學院碩士學位論文著類似的對應關系。I B C 2 0 0 6 規(guī)范的抗震重要性調整系數I 對于一般建筑和次要的建筑取1 0，對災害性的建筑取1 2 5，對重要建筑取1 5。I B C 2 0 0 6 的抗震設計分類A D 是由地震譜反應加速度大小與建筑物用途分類共同決定的，包括基于短周期和1 s 周期的譜反應加速度的抗震設計分類，具體見表2-3、2 4 所示。而抗震設計分類為E 類的建筑定義為：用途分類為I、I I 和I I I 類，且位于1 s 周期的譜反應加速度S l(t h em a p p e ds p e c t r a lr e s p o n s ea c c e l e r a t i o na t1-s e c o n dp e r i o d)大于等于O 7 5 區(qū)域內的建筑；抗震設計分類為F類的建筑定義為：用途分類為類，且位于s l 大于等于o 7 5 區(qū)域內的建筑。表2 3 基于短周期譜反應加速度的結構抗震設計分類(引自I B C 2 0 0 6 表1 6 1 3 5 6(1)用途分類(O c c u p a n c yC a t e g o r y)S D s 值I 或I IIS o s 0 1 6 7 9AAA0 1 6 7 9 一 S o s 0 3 3 9BBCO 3 3 9 一 S o s 0 5 9CCD0 5 9 S o sDDD注：S D S 是指阻尼比5 短周期時的設計譜反應加速度值(f i v e-p e r c e n td a m p e dd e s i g ns p e c t r a lr e s p o n s ea c c e l e r a t i o na ts h o r tp e r i o d s)。表2 4 基于1 s 周期譜反應加速度的結構抗震設計分類(引自I B C 2 0 0 6 表1 6 1 3 5 6(2)用途分類(O c c u p a n c yC a t e g o r y)S D l 值I 或I IIS D I 0 0 6 7 9AAA0 0 6 7 9 一 S D l O 1 3 3 9BBCO 1 3 3 9 一S D I O 2 9CCD0 2 9 一 S mDDD注：S D l 是指阻尼比5 的I s 周期時的設計譜反應加速度值(f i v e-p e r c e n td a m p e dd e s i g ns p e c t r a lr e s p o n s ea c c e l e r a t i o na tl-s e c o n dp e r i o d s)。9筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建震工程學院碩士學位論文2 3 建筑結構體系2 3 1 建筑物的結構體系類型及其影響中國的建筑抗震設計規(guī)范考慮抗震措施時要看建筑物的結構體系類型，采取什么樣的措施，主要根據不同的結構體系類型具有不同的特點來確定，從而滿足結構的受力和延性要求，達到抗震設計的目的【2 5 1。I B C 2 0 0 6 針對不同的結構體系類型，采取不同的地震作用折減系數R(s e i s m i cf o r c er e d u c t i o nf a c t o r)。前面在2 1 節(jié)比較抗震設計方法時已經提到：R 越高，折減地震作用就越多，地震作用值就小。I B C 2 0 0 6 規(guī)范中的結構體系類型對地震作用計算與抗震措施都產生影響。I B C 2 0 0 6 將建筑結構體系大致分為以下幾個大類：承重墻體系、建筑框架體系、抗彎框架體系、雙重體系等，具體見表2 6 所示。表2 6 美國規(guī)范中的結構體系類型結構體系定義對應我國結構承重墻體系B e a r i n g由承重墻(b e a r i n gw a l l s)或支撐系統(tǒng)(b r a c i n gW a l lS y s t e ms y s t e m s)承受全部或大部分的豎向荷載(g r a v i t y剪力墻結構l o a d s)；由剪力墻(s h e a rw a l l s)或支撐框架(b r a c e df l a m e s)來承擔水平力建筑框架體系B u i l d i n g用完整的空間框架(c o m p l e t es p a c ef r a m e)承擔豎F r a m eS y s t e m s向荷載；由剪力墻或支撐框架承擔水平力(1 a t e r a l支撐框架l o a d)抗彎框架體系用完整的空間框架承擔豎向荷載；水平力主要利M o m e n t-r e s i s t i n g用框架結構中構件的彎曲(f l e x u r a la c t i o no f框架結構F r a m eS y s t e m sm e m b e r s)來承擔雙重體系(剪力墻與抗用完整的空間框架承擔豎向荷載；由剪力墻或支彎框架)D u a lS y s t e m s撐框架和特種抗彎框架共同承受水平力(特種抗框架剪力墻彎框架至少能承受2 5 的設計基底剪力)，受力大結構小按相對剛度分配由表2 6，中美兩國規(guī)范的結構體系類型的劃分有著類似的對應關系。另外，在上面大的分類前提下，I B C 2 0 0 6 又對結構體系進行了更細的劃分，1 0筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建笊工程學院碩士學位論文以便設計人員查取相應的R 值。一些常見結構體系類型的地震作用折減系數R列于表2 7 中。表2 7I B C 2 0 0 6 規(guī)范中不同結構類型對應的R 值結構體系人類結構體系小類延性等級I B C 2 0 0 6 中R 值O r d i n a r y4鋼筋混凝土剪力墻S p e c i a l5承重墻體系O r d i n a r y2配筋砌體剪力墻I n t e r m e d i a t e3 5S p e c i a l5柱端鉸接7鋼偏心支撐框架柱端剛接8O r d i n a r y3 2 5建筑框架體系鋼中心支撐框架S p e c i a l6O r d i n a r y5鋼筋混凝土框架剪力墻S p e c i a l6O r d i n a r y3鋼筋混凝土抗彎框架I n t e r m e d i a t e5S p e c i a l8抗彎框架體系O r d i n a r y3 5抗彎鋼框架結構I n t e r m e d i a t e4 5S p e c i a l8O r d i n a r y6雙重體系抗彎框架剪力墻S p e c i a l7注：I B C 2 0 0 6 的R 值引自A S C E 7-2 0 0 5 的表1 2 2 1。由表2 7 可以看出，同樣是“S p e c i a l 延性等級，抗彎鋼框架結構的地震作用折減系數R 為8，而鋼筋混凝土剪力墻和配筋砌體剪力墻結構的R 值則為5，差別是很顯然的。2 3 2 建筑結構不規(guī)則性建筑物結構體系是否規(guī)則對地震作用產生的影響很大，可能造成的影響也有筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文很多種。理論分析與震害研究結果均表明，不規(guī)則的建筑結構體系對建筑抗震非常不利。中美兩國抗震規(guī)范都對建筑物結構體系的規(guī)則性有較為細致的考慮。結構不規(guī)則包括平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則，下面分別討論。對于結構平面不規(guī)則，G B 5 0 0 1 1-2 0 0 1(2 0 0 8 版)規(guī)范包括扭轉不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、和樓板局部不連續(xù)三種情況。I B C 2 0 0 6 包括1 a 扭轉不規(guī)則、1 b 極端扭轉不規(guī)則、2 凹角(R e e n t r a n tc o m e r s)、3 樓板不連續(xù)、4 平面外偏置、5 非平行體系這幾種情況。兩國對扭轉不規(guī)則的定義基本一致，都要求樓層的最大彈性水平位移，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1 2 倍；I B C 2 0 0 6 還對極端扭轉不規(guī)則做出規(guī)定，要求上述值為1 4，并且樓板為剛性或半剛性的，另外幾種不規(guī)則性的比較類似于扭轉不規(guī)則的比較，列于表2 8 中。表2 8中美兩國抗震規(guī)范關于結構平面不規(guī)則的比較不規(guī)則類型定義G B 5 0 0 11-2 0 0 1(2 0 0 8 版)I B C 2 0 0 6扭轉不規(guī)則樓層的最人彈性水平位1 2 倍1 2 倍，包括附加扭矩極端扭轉不移，大于該樓層兩端彈1 4 倍，樓板為剛性或規(guī)則性水平位移平均值的半剛性的結構平面凹進一側的尺凹凸不規(guī)則寸，大于相應投影方向3 0 1 5 總尺寸的樓板的尺寸和平面剛度5 0，(或洞面積大于該層5 0，(或從一層到下一急劇變化，比如有效樓樓板不連續(xù)樓面面積的3 0，或有較層有效樓板剛度改變板寬度小于該層樓板寬度的大的樓層錯層)超過5 0)平面外偏置：側力傳遞路線不連續(xù)，如豎向構件偏置在外面；(I B C 2 0 0 6)非平行體系：豎向的側力承載構件或抗側力構件對于抗側力體系的主正交軸不平行或不對稱。(I B C 2 0 0 6)對于結構豎向不規(guī)則，G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 版)規(guī)范包括側向剛度不規(guī)則、豎向抗側力構件不連續(xù)和樓板承載力突變三種情況。I B C 2 0 0 6 包括1 a 剛度不規(guī)1 2筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文則、l b 極端剛度不規(guī)則、2 重量W e i g h t(或質量m a s s)不規(guī)則、3 豎向幾何不規(guī)則、4 豎向抗側力結構構件在平面內不連續(xù)、5 a 承載力不連續(xù)一薄弱層(w e a ks t o r y)、5 b 極端承載力不連續(xù)這幾種情況。對于側向剛度不規(guī)則，兩國規(guī)范的規(guī)定基本一致：都要求某層的側向剛度小于其相鄰上一層的7 0，或小于其上所相鄰三個樓層側向剛度平均值的8 0；I B C 2 0 0 6 還對極端剛度不規(guī)則的結構做出規(guī)定，要求上述兩個數值分別為6 0 和7 0。對于樓層承載力不連續(xù)，兩國規(guī)范的規(guī)定也是一致的，都要求樓層受剪承載力小于其相鄰上一樓層的8 0，I B C 2 0 0 6 對于極端承載力不連續(xù)的結構，要求上述值為6 5。另外幾種豎向不規(guī)則的定義稍有差別，見表2 9 所示。表2 9 結構豎向不規(guī)則規(guī)范豎向不規(guī)則定義G B 5 0 0 1 1 側向剛度不規(guī)則；2 0 0 l(2 0 0 8豎向抗側力構件不連續(xù)：豎向抗側力構件的內力由梁、桁架等水平轉換構件版)向下傳遞；樓層承載力突變；I B C 2 0 0 61 a 岡0 度不規(guī)則：1 b 為極端剛度不規(guī)則；2 重量W e i g h t(或質量m a s s)不規(guī)則：任何一層有效質量為相鄰層的有效質量1 5 0 以上，可視為質量不規(guī)則；屋頂下一層的質量大于屋頂層1 5 0 時，不視為不規(guī)則：3 豎向幾何不規(guī)則：任何層抗側力結構的水平尺寸為相鄰層的1 3 0 以上，單層突出屋面的小房間不考慮在內；4 豎向抗側力結構構件在平面內不連續(xù)：抗側力構件在平面內的偏置部分，其長度大于這些構件的長度：5 a 承載力不連續(xù)一薄弱層(w e a ks t o r y)；5 b 極端承載力不連續(xù)。(1 b、5 b 為新增的類型)由前面結構平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則的內容可以看出，兩國規(guī)范包含的幾種筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文不規(guī)則類型能夠對應上，且其定義也基本致。但美國I B C 2 0 0 6 對建筑不規(guī)則的劃分則更為嚴格細致，尤其是對于豎向不規(guī)則結構。2 4 地震作用計算方法及其選定目前常用的地震作用計算方法，包括靜力計算方法和動力計算方法，靜力計算方法主要有底部剪力法和P u s h-o v e r 分析方法，動力方法主要有振型分解反應譜法、彈性時程分析法、彈塑性時程分析法三種。靜力方法實質上是簡化了的動力方法，在形式上直接用剪力系數乘以重力荷載(即為重力荷載的一個百分數)，而不進行振型組合。這種方法應用起來較為簡單。靜力方法主要指底部剪力法(這是中國規(guī)范的叫法)，I B C 2 0 0 6 稱其為等效側力法(e q u i v a l e n tl a t e r a lf o r c ep r o c e d u r e)，本文為使用方便，將二者統(tǒng)稱為底部剪力法。動力方法中應用較多的是振型分解反應譜法(中國規(guī)范叫法)，I B C 2 0 0 6 規(guī)范稱為振型反應譜分析方法(m o d a lr e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i s)，可統(tǒng)稱為振型分解反應譜法。靜力方法與動力方法對不同的研究對象各有優(yōu)點和缺點，靜力方法適用于簡單規(guī)則的結構體系類型，當結構越規(guī)則時，其精確度就越高，此法應用簡單，計算工作量較??；動力方法適用于各種結構體系類型，精確度相對較高，此法應用起來較復雜，計算工作量大，手算可能完不成，需借助計算機。兩種方法都有各自的優(yōu)點，無法相互替代，目前，在兩國規(guī)范中同時使用靜力法和動力法。對于不同類型的建筑物，需要采用不同的計算方法，因此在進行地震作用計算之前，首先要根據建筑物特性選定合適的計算方法。中美兩國規(guī)范均規(guī)定了計算方法的適用條件，見表2 1 1。從表2 1 1 我們發(fā)現，I B C 2 0 0 6 規(guī)范的地震作用計算動力方法適用范圍為所有建筑，包括靜力法的適用范圍，這是由于當使用動力方法計算時，還要進行靜力方法計算來對動力計算的結果進行調整，實際上是使結構底部剪力由靜力法得出，而動力法只是影響底部剪力值沿豎向的分配情況(即影響樓層地震作用)。中國規(guī)范對計算方法的選取主要依據于結構自身的特點(如建筑物的高度、結構體系類型、是否規(guī)則等)，其他因素為輔。1 4筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文相比中國規(guī)范，I B C 2 0 0 6 規(guī)范對靜力法的適用范圍的條文規(guī)定較為詳細，考慮了抗震設計分類，建筑物用途和規(guī)則性等因素，且適用范圍較寬；I B C 2 0 0 6 規(guī)范的動力方法適用于所有建筑，范圍也比中國規(guī)范寬。表2 1 l兩國規(guī)范對選用地震作用計算方法的比較底中國規(guī)范高度不超過4 0 m、以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結部構，以及近似丁單質點體系的結構剪I B C 2 0 0 6抗震設計分類B F，用輕型框架(1 i g h t f r a m e d)建造的用途分類為I、I I 類力且不超過3 層的建筑：法抗震設計分類B F，用途分類為I、I I 類且不超過2 層的建筑；適抗震設計分類B、C，其它所有建筑；用抗震設計分類D、E、F 類，所有結構都是用輕型框架建造，周期T 3 5 T s條的規(guī)則建筑；件抗震設計分類D、E、F 類，T 一瓦)短周期和l s 周期的設計譜反應加速度；S。為阻尼比5 Nl s 周期的最大考慮地震譜反應加速度：R 為地震作用折減系數；I 為重要性系數；T 為結構基本周期；瓦為長周期過渡周期(1 0 n g p e r i o dt r a n s i t i o np e r i o d)。影響C。N N 素g：結構體系類型、結構重要性系數、地震強度、場地類型、地震頻譜特征、結構周期和結構阻尼。兩國規(guī)范的底部剪力計算公式可以統(tǒng)一寫成礦=c。礦的形式，即底部剪力值為重力荷載的一個百分數，c。稱為基底剪力系數。I B C 2 0 0 6 的底部剪力公式在形式上不用改動。中國規(guī)范的艮=a t G q 寫為V=C s W 后，因為G。q=0 8 5 W，所以有c。=0 8 5 a。，0 8 5 是考慮高振型的影響。此剪力系數C。的影響因素有：地震強度、場地類型、地震頻譜特征、結構周期和結構阻尼?？梢?，中美兩國規(guī)范的底部剪力計算方法在形式上是一致的，都是重力荷載的一個百分數。但I B C 2 0 0 6 確定基底剪力系數時考慮的因素更多，較嚴格。2 5 2 樓層地震作用計算在計算結構底部剪力時，如果不考慮高階振型的影響，則樓層地震作用的理想計算公式可寫為：互：旦如式(2 一1)G，日產l下面將中美兩國規(guī)范考慮樓層地震作用的計算公式列于表2 1 2 中進行對比。由表2 1 2 可見，G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 年版)規(guī)范與I B C 2 0 0 6 規(guī)范的樓層地震作用計算公式都與理想計算公式(2 1)類似，但有所不同，主要是考慮了高振型的影響。動力學研究表明，柔性建筑物且層數較多時，高振型的影響更為顯著。中國規(guī)范采用在建筑物頂部加集中力的方法應對高振型影響，I B C 2 0 0 6 則是一D L，褊糯亓嚴筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建簌工程學院碩士學位論文改進了計算公式，在質點高度上進行加權處理取乘方。兩者的差距將在鋼框架算例分析時做出討論。表2 1 2 樓層地震作用計算公式的比較規(guī)范計算公式G B 5 0 0 1 1質點f 的水平地震作用標準值：E：粵吆(1 一以)，只=萬。吆2 0 0 1G，日(2 0 0 8 版)j=l式中，如為底部剪力值；為項部附加水平地震作用：6。為頂部附加地震作用系數；G，、G，為質點i，J 的重力荷載代表值；日，、H，分別為質點i，J的計算高度。I B C 2 0 0 6質點f 的水平地震作用為：E：甚y，w，h jj=l式中，k 是一個與結構周期有關的指數：當T O 5 s 時，k=l；當T 2 5 s 時，k=-2；當T 在0 5 s 和2 5 s 之間時，后值按線性內插法計算。w f、W J 為質點i，的重力荷載代表值；h，、h j 分別為質點i、的計算高度。2 6 本章小結中美兩國規(guī)范的抗震設防目標基本一致，都要求中震可修、大震不倒，另外我國規(guī)范還要求小震不壞；兩國的抗震設計方法有很大差異，I B C 2 0 0 6 采用彈塑性反應譜R u 理論，根據不同的結構體系類型的延性不同，選取地震作用折減系數R(取值范圍為3 到8 5)，來折減地震作用，相比我國中震折減系數統(tǒng)一使用2 8，I B C 2 0 0 6 對地震作用的折減約為我國的2 -3 倍，這樣得到的地震作用就小，需要結構有更高的延性來保證不倒塌。I B C 2 0 0 6 的結構體系類型的劃分與中國規(guī)范一致；對結構不規(guī)則性的判定也基本一致，I B C 2 0 0 6 考慮的結構不規(guī)則內容更細致全面；中國規(guī)范當結構不規(guī)則時地震作用計算都需要用動力方法(如振型分解反應譜法等)，靜力方法受到限1 7筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建麓工程學院碩士學位論文制，I B C 2 0 0 6 對多數建筑需要用動力方法，但也有可以使用靜力方法的情況。中美兩國規(guī)范地震作用計算的靜力方法和動力方法都以底部剪力法和振型分解反應譜法為主，I B C 2 0 0 6 的計算方法適用范圍更寬。中美兩國規(guī)范底部剪力法計算公式在形式上一致，但I B C 2 0 0 6 的基底剪力系數的取值范圍有較嚴格的規(guī)定。對于樓層地震作用，中美兩國都考慮了高振型的影響，但表現方式不同，中國規(guī)范是在建筑頂部加集中力，I B C 2 0 0 6 是在質點高度上進行加權處理取乘方。筑龍網 WWW.ZHULONG.COM北京建筑工程學院碩士學位論文3 1 概述第三章兩國規(guī)范鋼框架結構的抗震措施比較結構抗震設計包括地震作用計算和抗震措施，通過地震作用計算來保證結構滿足承載力與變形要求，通過抗震措施來保證結構具有良好的延性。本章將對中美兩國規(guī)范鋼框架結構抗震措施進行比較。比較兩國規(guī)范的抗震措施，就要從兩個方面進行考慮：一是調整地震作用計算結果，使結構具有良好的延性或者使結構具有良好的屈服構型；二是采取構造措施，直接提高結構延性。G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1(2 0 0 8 年版)規(guī)范對地震作用的調整，主要放在了各種結構類型(對應規(guī)范各章)的計算要點中，同時鋼結構設計規(guī)范G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3也有涉及。美國有專門的鋼結構抗震設計規(guī)范S e i s m i cP