xA中钢结构抗震设计规范比较讲座

1、中美钢结构抗震设计规范比较讲座中美钢结构抗震设计规范比较讲座武汉大学武汉大学 侯建国侯建国2010.8.12美国钢结构协会美国钢结构协会aisc1923年制定了第一本以容许应力设计法年制定了第一本以容许应力设计法(allowable stress design，简称，简称asd)为设计准则的钢结构设为设计准则的钢结构设计规范。计规范。容许应力设计法作为钢结构设计的基础延用了相当长的时间，容许应力设计法作为钢结构设计的基础延用了相当长的时间，后历经多次修改，直至后历经多次修改，直至1961年，其基本格式及内容都已基本定年，其基本格式及内容都已基本定型。型。 1.11.1美国钢结构设计规范的发展概

2、况美国钢结构设计规范的发展概况1 1 美国钢结构设计规范及抗震设计标准体系的美国钢结构设计规范及抗震设计标准体系的发展概况发展概况1989年出版了最后一版年出版了最后一版asd设计规范设计规范aisc(1989)；2001年对年对asd又进行了局部修订又进行了局部修订(aisc 335-89s1)。 v由由galambosgalambos、ellingwoodellingwood、mac mac gregor.tgregor.t和和cornellcornell等人发展的、以概率等人发展的、以概率理论为基础的荷载准则，促使美国国家理论为基础的荷载准则，促使美国国家标准化协会标准化协会(ameri

3、can national (american national standards institutestandards institute，ansiansi）制订了一）制订了一本以概率理论为基础的国家标准本以概率理论为基础的国家标准ansi a ansi a 58.1-1982 “minimum design loads 58.1-1982 “minimum design loads for buildings and other for buildings and other structures”structures”。v它后来又以美国土木工程学会的标准它后来又以美国土木工程学会的标准7

4、 7 (asce 7)(asce 7)出版发行，其最新版本为出版发行，其最新版本为asce/sei 7-05asce/sei 7-05 “minimum design “minimum design loads for buildings and other loads for buildings and other structures”structures”。 1986年，年，aisc的规范委员会的规范委员会(cos)根据根据ansi a 58.1-1982的规定，首次推出了以概率的规定，首次推出了以概率理论为基础的荷载抗力系数钢结构设计规范理论为基础的荷载抗力系数钢结构设计规范(load

5、 and resistance factor design，简称，简称荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法lrfd)。vasce/sei 7-05asce/sei 7-05是按概率极限状态设计原则和是按概率极限状态设计原则和结构可靠度理论编制的，作为美国各种结构结构可靠度理论编制的，作为美国各种结构设计规范统一的概率设计准则和荷载取值依设计规范统一的概率设计准则和荷载取值依据（包括地震作用的取值标准）等，类似于据（包括地震作用的取值标准）等，类似于我国的荷载规范，并包括了类似于我国抗震我国的荷载规范，并包括了类似于我国抗震规范中的抗震设防标准、地震动参数及地震规范中的抗震设防标准、地震动参数及

6、地震作用的取值标准等内容。作用的取值标准等内容。aisc的规范委员会在的规范委员会在1986年继年继asd设计规范设计规范修订版后，推出了修订版后，推出了lrfd设计规范，作为与设计规范，作为与asd并行的设计规范，供设计人员选用。并行的设计规范，供设计人员选用。lrfd规范在规范在1991年和年和1993年历经两次修订，年历经两次修订，其最新版本为其最新版本为1999年年12月月27日发布的第三版日发布的第三版aisc(2000b）。）。由于美国国内部分工程师对由于美国国内部分工程师对lrfd还不够熟还不够熟悉，而另一些资深工程师对悉，而另一些资深工程师对lrfd尚有不同看尚有不同看法，使法

7、，使asd设计法在美国仍较为流行，因而设计法在美国仍较为流行，因而lrfd在较长时间内可能还难以完全取代在较长时间内可能还难以完全取代asd。vaisc充分考虑了工程界的现状和实际需求，于充分考虑了工程界的现状和实际需求，于2005年年4月，月，由美国钢结构协会正式发布和出版了目前最新版的由美国钢结构协会正式发布和出版了目前最新版的ansi/aisc 360-05specification for structural steel buildings，该规范融合了，该规范融合了asd和和lrfd两种设计方法的两种设计方法的理念，可以说是一本同时包括两种设计方法的理念，可以说是一本同时包括两种设

8、计方法的“统一统一”和和“单一单一”的设计规范，设计人员可选择两种方法之一的设计规范，设计人员可选择两种方法之一(asd或或lrfd）进行设计。）进行设计。 应予说明的是，应予说明的是，ansi/aisc 360-05仅涵盖了钢结构的静力仅涵盖了钢结构的静力设计，钢结构的抗震设计还应遵循钢结构抗震设计规范设计，钢结构的抗震设计还应遵循钢结构抗震设计规范ansi/aisc 341-05 seismic provisions for structural steel buildings的规定。的规定。ansi/aisc 341-05的抗震设计原的抗震设计原则和抗震设防标准主要依据则和抗震设防标准主

9、要依据asce/sei 7-05确定，为钢结构或确定，为钢结构或钢钢-混凝土组合结构的抗震设计提出了最低的抗震设防标准。混凝土组合结构的抗震设计提出了最低的抗震设防标准。 美国工程结构抗震设计的标准体系大体上分美国工程结构抗震设计的标准体系大体上分为国家标准、协会标准及地方标准（洲或地区为国家标准、协会标准及地方标准（洲或地区的标准）。美国工程结构抗震设计标准体系的的标准）。美国工程结构抗震设计标准体系的发展历程大体上经历了初创、发展、统一等几发展历程大体上经历了初创、发展、统一等几个发展阶段。个发展阶段。 1.2 1.2 美国工程结构抗震设计的标准体系介绍美国工程结构抗震设计的标准体系介绍1

10、925年加州发生的年加州发生的santa barbara地震促成了地震促成了美国第一个带有建筑结构抗震设计内容的规美国第一个带有建筑结构抗震设计内容的规范范ubc“uniform building code”（统一（统一建筑规范）于建筑规范）于1927年出版，年出版，ubc主要用于主要用于美国西部各州。美国西部各州。 这一阶段的地方性工程结构抗震设计规范除这一阶段的地方性工程结构抗震设计规范除了上述的了上述的ubc之外，又相继出现了之外，又相继出现了nbc“national building code”（国家建筑（国家建筑规范）和规范）和sbc“standard building code”（

11、标准建筑规范）（标准建筑规范）nbc主要用于美国东北主要用于美国东北部各州；部各州；sbc主要用于美国中南部各州。主要用于美国中南部各州。 v20世纪末，美国人看到了将抗震规范统一起世纪末，美国人看到了将抗震规范统一起来的必要。来的必要。1995年，年，ubc、nbc与与sbc三本三本规范编制机构成立了国际规范协会规范编制机构成立了国际规范协会icc（international code council），开始推），开始推动建筑结构设计规范的统一。动建筑结构设计规范的统一。1997年，年，seaoc推出了最新版的推出了最新版的ubc。 2000年，以年，以1997 nehrp provisio

12、n为基础的为基础的ibc 2000规范正规范正式发布实施，取代了式发布实施，取代了ubc、sbc和和nbc等规范，从而使美国的抗等规范，从而使美国的抗震设计规范达到了统一。震设计规范达到了统一。 ibc每每3年修订一次，目前最新版本是年修订一次，目前最新版本是ibc 2009。可以把。可以把ibc视视为一个规范门户，由它通向各个专门规范。在抗震设计方面，为一个规范门户，由它通向各个专门规范。在抗震设计方面，ibc大多引用了属于国家标准层面的大多引用了属于国家标准层面的asce/sei 7-05 minimum design loads for buildings and other struc

13、tures（建筑（建筑物和其他结构最小设计荷载）中的建议性条文。物和其他结构最小设计荷载）中的建议性条文。 asce/sei 7是一个针对各种结构形式的荷载规范，除规定了是一个针对各种结构形式的荷载规范，除规定了直接作用（如永久荷载和可变荷载）的取值规定外，还规定了直接作用（如永久荷载和可变荷载）的取值规定外，还规定了间接作用（如地震作用）的取值规定，包括抗震设防目标、场间接作用（如地震作用）的取值规定，包括抗震设防目标、场地特性、设计地震作用、地震响应计算方法、结构体系与概念地特性、设计地震作用、地震响应计算方法、结构体系与概念设计等抗震设计方面的内容，至于结构构件抗震承载力验算和设计等抗震

14、设计方面的内容，至于结构构件抗震承载力验算和抗震构造规定等具体的抗震设计内容，抗震构造规定等具体的抗震设计内容，asce 7则援引到其他则援引到其他专门的规范，如混凝土结构抗震设计还要求符合专门的规范，如混凝土结构抗震设计还要求符合aci 318规范规范的规定；钢结构抗震设计还要求符合的规定；钢结构抗震设计还要求符合ansi/aisc 341-05“seismic provisions for structural steel buildings”（建筑钢结构抗震设计规范）的规定。（建筑钢结构抗震设计规范）的规定。 asce/sei 7-05是按概率极限状态设计原则和结构可是按概率极限状态设计

15、原则和结构可靠度理论编制的，统一了美国各种结构设计规范的基靠度理论编制的，统一了美国各种结构设计规范的基本设计原则和荷载取值标准（包括地震作用的取值标本设计原则和荷载取值标准（包括地震作用的取值标准）及荷载效应的组合原则和计算公式、荷载分项系准）及荷载效应的组合原则和计算公式、荷载分项系数及组合系数的取值规定等，类似于我国的荷载规范，数及组合系数的取值规定等，类似于我国的荷载规范，并包括了类似于我国抗震规范中的抗震设防标准、地并包括了类似于我国抗震规范中的抗震设防标准、地震动参数及地震作用的取值标准等内容。震动参数及地震作用的取值标准等内容。 本次讲座基于从中美钢结构抗震设计规定的本次讲座基于

16、从中美钢结构抗震设计规定的差异性的比较展开，其间列出美国差异性的比较展开，其间列出美国asce/sei 7-05等规范中的一些重要抗震设计参数、公式等规范中的一些重要抗震设计参数、公式及适用范围的规定，供设计人员在应用这些规及适用范围的规定，供设计人员在应用这些规范时参考。范时参考。比较中所参考的主要规范和标准包括：比较中所参考的主要规范和标准包括：1、asce/sei 7-05 “minimum design loads for buildings and other structures”；2、ansi/aisc 341-05 “seismic provisions for structu

17、ral steel buildings”；3、ansi/aisc 360-05 “specification for structural steel buildings”；4、gb 50011-2001建筑抗震设计规范（建筑抗震设计规范（2008年版）；年版）；5、gb 50017-2003 钢结构设计规范。钢结构设计规范。2 中美钢结构抗震设计方法的比较2.1 2.1 抗震设防目标的比较抗震设防目标的比较2.1.1 gb 50011-2001的抗震设防目标的抗震设防目标三水准设防目标和二阶段设计步骤：三水准设防目标和二阶段设计步骤：三水准设防目标：三水准设防目标：（1） 当遭受低于本地区抗

18、震设防烈度的多遇地震影响时，一当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理即可继续使用般不受损坏或不需修理即可继续使用“小震不坏小震不坏”；（2）当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时）当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用“中震可修中震可修”；（3）当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，）当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏不致倒塌或发生危及生命的严重破坏“大震不倒大震不倒”。 三水准的地震作用水平，按三个不同超越概

19、率（或重现期）三水准的地震作用水平，按三个不同超越概率（或重现期）来区分：来区分： （1）多遇地震（小震）：）多遇地震（小震）：50年的超越概率为年的超越概率为63.2%，重现期，重现期为为50年；年； （2）设防烈度地震（基本烈度地震，中震）：）设防烈度地震（基本烈度地震，中震）：50年的超越概年的超越概率为率为10%，重现期为，重现期为475年；年； （3）罕遇地震（大震）：）罕遇地震（大震）：50年的超越概率为年的超越概率为2%3%，重现，重现期为期为24751641年。年。 根据统计分析，小震烈度约比基本烈度低根据统计分析，小震烈度约比基本烈度低1.55度，大震烈度度，大震烈度约比基本

20、烈度高约比基本烈度高1度左右。度左右。 通过两阶段设计，即承载力验算阶段和弹塑性变形验算阶段通过两阶段设计，即承载力验算阶段和弹塑性变形验算阶段来实现上述三个水准的设防目标。来实现上述三个水准的设防目标。2.1.2 asce/sei 7-05的抗震设防目标的抗震设防目标 （1）设防目标：通过最小化地震风险，来为具有考虑保）设防目标：通过最小化地震风险，来为具有考虑保护公众健康、安全、财产功能与使用要求的建筑物提供最低护公众健康、安全、财产功能与使用要求的建筑物提供最低设计标准。针对设计地震等级，改善储存大量危险材料的重设计标准。针对设计地震等级，改善储存大量危险材料的重要设施与结构的性能，使其

21、在震中和震后保持其功能。要设施与结构的性能，使其在震中和震后保持其功能。 （2）实现方法：美国规范通过对结构考虑两种强度等级）实现方法：美国规范通过对结构考虑两种强度等级的地震作用，的地震作用，“设计地震设计地震”和和“最大考虑地震最大考虑地震”，来实现结，来实现结构的抗震目标。构的抗震目标。 1）“最大考虑地震最大考虑地震”对应于地震作用区划图上对应于地震作用区划图上50年超年超越概率为越概率为2的罕遇地震。从超越概率的角度来看，基本上的罕遇地震。从超越概率的角度来看，基本上对应于我国规范的对应于我国规范的“大震大震”水准；水准； 2）“设计地震设计地震”加速度为加速度为“最大考虑地震最大考

22、虑地震”的的2/3。从。从超越概率的角度来看，超越概率的角度来看，“设计地震设计地震”强度水准大致与我国规强度水准大致与我国规范的范的“中震中震”水准相当。水准相当。 asce/sei 7-05的抗震设防目标大致可以归纳为相当于的抗震设防目标大致可以归纳为相当于二水准的设防目标，即对于二水准的设防目标，即对于50年超越概率为年超越概率为10%的设计地震，的设计地震，应使建筑在震中与震后保持预期功能，并且结构的损伤是可应使建筑在震中与震后保持预期功能，并且结构的损伤是可修的；对于修的；对于50年超越概率为年超越概率为2%的最大考虑地震，应使结构的最大考虑地震，应使结构倒塌的可能性较低。倒塌的可能

23、性较低。2.2 2.2 抗震设防依据的比较抗震设防依据的比较2.2.1 gb 50011-2001抗震设防依据抗震设防依据 gb 50011-2001抗震设防的主要依据为抗震设防的主要依据为gb 18306-2001中国地震动参数区划图中国地震动参数区划图中的地震基本烈度（或与设计中的地震基本烈度（或与设计基本地震加速度值对应的烈度值）。基本地震加速度值对应的烈度值）。 所谓所谓“设计基本地震加速度值设计基本地震加速度值”是指是指50年设计基准期年设计基准期超越概率超越概率10%的地震加速度设计取值；已编制抗震设防区的地震加速度设计取值；已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度或设计地

24、震动参数进划的城市，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。行抗震设防。 gb 50011-2001将抗震设防烈度值、设计基本地震加将抗震设防烈度值、设计基本地震加速度值与中国地震动参数区划图的地震动峰值加速度值，速度值与中国地震动参数区划图的地震动峰值加速度值，利用表利用表2-1的对应关系予以联系和协调。的对应关系予以联系和协调。 表表2-1中的设计基本地震加速度的取值与中的设计基本地震加速度的取值与中国地震动参中国地震动参数区划图数区划图所规定的所规定的“地震动峰值加速度地震动峰值加速度”相当，只是在相当，只是在0.10g与与0.20g之间及之间及0.20g与与0.40g之间分

25、别增加了之间分别增加了0.15g、0.30g的区域，这两个区分别与的区域，这两个区分别与7度及度及8度地区相当。度地区相当。 工程界大多接受地面运动最大加速度的大小对结构反工程界大多接受地面运动最大加速度的大小对结构反应起主要影响的观点，抗震规范中通常把烈度指标用地震应起主要影响的观点，抗震规范中通常把烈度指标用地震系数系数k=a/g（a为地面运动峰值加速度，为地面运动峰值加速度，g为重力加速度）表为重力加速度）表达。因此，表达。因此，表2-1中设计基本地震加速度中中设计基本地震加速度中g前的系数亦称前的系数亦称为对应于抗震设防烈度的地震系数。为对应于抗震设防烈度的地震系数。2.2.2 asc

26、e/sei 7-05抗震设防依据抗震设防依据 asce/sei 7-05直接利用美国地质调查局（直接利用美国地质调查局（untied stated geological survey, usgs）给出地震地面运动最大加）给出地震地面运动最大加速度等值线图（也称为地震区划图）作为抗震设防依据。速度等值线图（也称为地震区划图）作为抗震设防依据。美国地震区划图给出了短周期（美国地震区划图给出了短周期（t=0.2s）和）和1s周期阻尼比为周期阻尼比为0.05的地震地面运动最大加速度等值线图（参见图的地震地面运动最大加速度等值线图（参见图2-1）。）。图图2-1 asce/sei 7-05地震区划图示例

27、（部分）地震区划图示例（部分） 设计时，可根据建筑物所在地，在地震区划图上查的设计时，可根据建筑物所在地，在地震区划图上查的相应的地震反应谱加速度值。相应的地震反应谱加速度值。 gb 50011-2001抗震设防烈度（设计基本地震加速度值）抗震设防烈度（设计基本地震加速度值）与与asce/sei 7-05短周期反应谱加速度短周期反应谱加速度ss及及1s周期反应谱加周期反应谱加速度速度s1等地震动参数之间的对应关系见表等地震动参数之间的对应关系见表2-2表表2-3，供参，供参考。考。 注：由于注：由于gb 50011-2001gb 50011-2001的的iiii类场地同时与类场地同时与asce

28、/sei 7-05 asce/sei 7-05 的的c c类或类或d d类场地相对应，故表类场地相对应，故表2-22-2中中iiiic c表示表示gb 50011-2001gb 50011-2001的的iiii类场地类场地中相当于中相当于asce/sei 7-05 casce/sei 7-05 c类场地的部分，表类场地的部分，表2-32-3中中iiiid d表示表示gb gb 50011-200150011-2001的的iiii类场地中相当于类场地中相当于asce/sei 7-05 dasce/sei 7-05 d类场地的部分。类场地的部分。2.3 抗震设防标准的比较抗震设防标准的比较2.3.

29、1 gb 50011-2001的抗震设防标准的抗震设防标准 gb 50011-2001规定，所有建筑的抗震设防类别和抗震规定，所有建筑的抗震设防类别和抗震设防标准应符合现行国家标准设防标准应符合现行国家标准gb 50223-2008建筑工程抗建筑工程抗震设防类别标准震设防类别标准的要求。的要求。 gb 50223-2008规定，建筑工程应分为以下四个抗震设规定，建筑工程应分为以下四个抗震设防类别：防类别： （1）特殊设防类（甲类）：指使用上有特殊设施，涉及）特殊设防类（甲类）：指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生

30、严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。 （2）重点设防类（乙类）：指地震时使用功能不能中断）重点设防类（乙类）：指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。 （3）标准设防类（丙类）：指大量的除）标准设防类（丙类）：指大量的除1、2、4款以外款以外按标准要求设防的建筑。按标准要求设防的建筑。 （4）适度设防类（丁类）：指使用上人员稀少且震损不）适度设防类

31、（丁类）：指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑。致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑。 gb 50223-2008规定，各抗震设防类别建筑的抗震设规定，各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，见表防标准，见表2-4。2.3.2 asce/sei 7-05的抗震设防标准的抗震设防标准 （1）建筑用途分类（）建筑用途分类（occupancy category）：）：i类、类、ii类、类、iii类、类、iv类共类共4种，参见表种，参见表2-5。 （2）按建筑用途分类和设计地震动参数（）按建筑用途分类和设计地震动参数（sds或或sd1），），确定建筑物的抗

32、震设防类别，分为确定建筑物的抗震设防类别，分为a、b、c、d、e、f，共，共6类，分类标准参见表类，分类标准参见表2-6和表和表2-7。 asce/sei 7-05根据不同结构的建筑用途分类根据不同结构的建筑用途分类（occupancy category），规定了相应的抗震重要性系数），规定了相应的抗震重要性系数i的取值，其作用是提高重要的和具有危险性的建筑或结构的的取值，其作用是提高重要的和具有危险性的建筑或结构的安全性。抗震重要性系数取值见表安全性。抗震重要性系数取值见表2-8，在地震作用的计算，在地震作用的计算中要用到该参数。中要用到该参数。 asce/sei 7-05根据不同的抗震设防

33、类别，给出了不根据不同的抗震设防类别，给出了不同的抗震设防标准，并作为结构体系可以采取的地震作用同的抗震设防标准，并作为结构体系可以采取的地震作用计算方法与抗震构造措施要求的依据，相关要求可以归纳计算方法与抗震构造措施要求的依据，相关要求可以归纳为三个层次：为三个层次： a类：满足最基本的抗震措施要求；类：满足最基本的抗震措施要求； b类和类和c类：满足一般性的抗震措施要求，一般只需按类：满足一般性的抗震措施要求，一般只需按照静力方法计算地震作用（基底剪力法），结构延性要求照静力方法计算地震作用（基底剪力法），结构延性要求较低；较低； d、e、f类：满足严格的抗震措施要求，要求按照动类：满足严

34、格的抗震措施要求，要求按照动力分析方法进行地震作用计算（如振型分解反应谱法等），力分析方法进行地震作用计算（如振型分解反应谱法等），结构延性要求较高。结构延性要求较高。2.4 地震作用的计算原则和方法的比较地震作用的计算原则和方法的比较2.4.1 gb 50011-2001地震作用的计算原则和方法地震作用的计算原则和方法 中国规范按中震烈度中国规范按中震烈度(50年超越概率年超越概率10)对全国进行地震对全国进行地震危害程度划分，然后折减大约危害程度划分，然后折减大约155度至小震度至小震(50年超越概率年超越概率632)水平计算地震作用，进行结构构件的抗震承载力验算水平计算地震作用，进行结构

35、构件的抗震承载力验算和弹性变形验算，必要时还要计算罕遇地震（大震）的地震作和弹性变形验算，必要时还要计算罕遇地震（大震）的地震作用，进行弹塑性变形验算。用，进行弹塑性变形验算。 gb 50011-2001规定，各类建筑结构的抗震计算，应规定，各类建筑结构的抗震计算，应采用下列方法：采用下列方法： （1）高度不超过）高度不超过40m以剪切变形为主且质量和刚度沿以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。可采用底部剪力法等简化方法。 （2）除（）除（1）款外的建筑结构，宜采用振型分解

36、反应）款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。谱法。 （3）特别不规则的建筑、甲类建筑和表）特别不规则的建筑、甲类建筑和表2-9所列高度范围所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。算结果的较大值。 （4）计算罕遇地震下结构的变形，可采用简化的弹塑性）计算罕遇地震下结构的变形，可采用简化的弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法。分析方法或弹塑性时程分析法。2.4.2 asce/sei 7-05地震作用的计

37、算原则和方法地震作用的计算原则和方法 （1）美国规范）美国规范“最大考虑地震最大考虑地震”ss的的50年超越概率年超越概率为为2，地震重现期为，地震重现期为2475年，这与中国规范的大震重现年，这与中国规范的大震重现期相当。期相当。 （2）设计时，需将）设计时，需将“最大考虑地震最大考虑地震”地面运动加速地面运动加速度乘以度乘以2/3，折减至，折减至“设计地震设计地震”水平进行抗震设计计算。水平进行抗震设计计算。其地震水平对应的其地震水平对应的50年超越概率为年超越概率为510，其中美国，其中美国西部强震地区接近西部强震地区接近5，中东部弱震地区约为，中东部弱震地区约为10，这与，这与中国规范

38、的中震水平大致相当。中国规范的中震水平大致相当。 （3）最后根据不同结构的延性，引入结构反应调整系）最后根据不同结构的延性，引入结构反应调整系数数r，再次对地震作用进行折减，并以此地震作用效应进行，再次对地震作用进行折减，并以此地震作用效应进行抗震设计计算。抗震设计计算。 （4）对于竖向地震作用，一般情况下可按）对于竖向地震作用，一般情况下可按0.2sdsd（d为恒荷载标准值的效应）计算；当为恒荷载标准值的效应）计算；当sds小于或等于小于或等于0.125g时，时，或采用式（或采用式（2-1）进行荷载效应组合时，可以不考虑竖向地）进行荷载效应组合时，可以不考虑竖向地震作用。震作用。u=0.9d

39、 + 1.0e + 1.6h （2-1）2.4.3 中美规范地震作用计算方法适用范围的比较中美规范地震作用计算方法适用范围的比较中美规范地震作用计算方法适用范围的对比见表中美规范地震作用计算方法适用范围的对比见表2-10。2.5 场地分类的比较场地分类的比较 gb 50011-2001以及以及asce/sei 7-05均考虑了场地条件对均考虑了场地条件对地震作用的影响。分类时，地震作用的影响。分类时，gb 50011-2001考虑土层平均剪切考虑土层平均剪切波速与场地土覆盖深度，将场地土分为波速与场地土覆盖深度，将场地土分为i类类iv类；类；asce/sei 7-05考虑平均剪切波速、平均标准

40、贯入锤击数以及平均不排水考虑平均剪切波速、平均标准贯入锤击数以及平均不排水剪切强度等参数，将场地土分为剪切强度等参数，将场地土分为a类类f类（共类（共6类）。表类）。表2-11给给出中美规范抗震设计场地分类规定对照表。出中美规范抗震设计场地分类规定对照表。 根据具体的分类标准，现将根据具体的分类标准，现将gb 50011-2001以及以及asce/sei 7-05的场地分类规定总结于表的场地分类规定总结于表2-12进行比较。进行比较。由表由表2-12可以看出：可以看出： （1）gb 50011-2001场地分类为场地分类为i类的场地与类的场地与asce/sei 7-05场地分类为场地分类为a、

41、b、c类的场地相近；类的场地相近； （2）gb 50011-2001场地分类为场地分类为ii类的场地与类的场地与asce/sei 7-05场地分类为场地分类为c、d类的场地相近；类的场地相近； （3）gb 50011-2001场地分类为场地分类为iii类的场地与类的场地与asce/sei 7-05场地分类为场地分类为d类的场地相近；类的场地相近； （4）gb 50011-2001场地分类为场地分类为iv类的场地与类的场地与asce/sei 7-05场地分类为场地分类为e类的场地相近。类的场地相近。2.6 抗震设计反应谱的比较抗震设计反应谱的比较2.6.1 gb 50011-2001的抗震设计反

42、应谱的抗震设计反应谱 gb 50011-2001规范采用的抗震设计反应谱以地震影响系规范采用的抗震设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出，并规定建筑结构的地震影响系数应根据数曲线的形式给出，并规定建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。确定。 地震影响系数地震影响系数，是多次地震作用下不同周期，是多次地震作用下不同周期t，相同阻，相同阻尼比尼比的理想简化的单质点体系的结构体系加速度与重力加速的理想简化的单质点体系的结构体系加速度与重力加速度之比。它是两项的乘积，即地震系数度之比。它是两项的乘积，即

43、地震系数k（地震动峰值加速度（地震动峰值加速度与重力加速度之比）和结构体系加速度的动力系数与重力加速度之比）和结构体系加速度的动力系数（结构反（结构反应加速度与地震动最大加速度之比），即，应加速度与地震动最大加速度之比），即，（t）=sa（t）=k （t），），sa（t）为加速度设计反应谱，）为加速度设计反应谱，k =a/g，为地震，为地震动峰值加速度，动峰值加速度，（t）为动力系数。）为动力系数。 水平地震影响系数最大值应按表水平地震影响系数最大值应按表2-13采用；特征周期应采用；特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表根据场地类别和设计地震分组按表2-14采用，计算采用，计算8、9度罕度

44、罕遇地震时，特征周期应增加遇地震时，特征周期应增加0.05s。对于周期大于。对于周期大于6.0s的建筑的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究；对于已编制抗震设结构所采用的地震影响系数应专门研究；对于已编制抗震设防区划的城市，应允许按批准的设计地震动参数采用相应的防区划的城市，应允许按批准的设计地震动参数采用相应的地震影响系数。地震影响系数。 gb 50011-2001给出的水平地震影响系数给出的水平地震影响系数是取阻尼比为是取阻尼比为0.05，利用动力系数，利用动力系数和地震系数和地震系数k确定的。按二阶段设计要确定的。按二阶段设计要求，第一阶段进行结构抗震承载力与弹性变形验算时采用多求，第

45、一阶段进行结构抗震承载力与弹性变形验算时采用多遇烈度地震，其遇烈度地震，其k值相当于抗震设防烈度（基本烈度）所对值相当于抗震设防烈度（基本烈度）所对应应k值的值的1/2.8。第二阶段进行结构弹塑性变形验算时采用罕。第二阶段进行结构弹塑性变形验算时采用罕遇烈度地震，其遇烈度地震，其k值相当于抗震设防烈度（基本烈度）所对值相当于抗震设防烈度（基本烈度）所对应应k值的值的1.52.0倍（烈度越高，倍（烈度越高，k值越小）。由此可推得值越小）。由此可推得gb 50011-2001规范各设计阶段的规范各设计阶段的max值。值。gb 50011-2001抗震规范规定的地震影响系数曲线见图抗震规范规定的地震

46、影响系数曲线见图2-2。 除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05，地震影，地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按响系数曲线的阻尼调整系数应按1.0采用，形状系数应符合下采用，形状系数应符合下列规定：列规定： （1）直线上升段，周期小于）直线上升段，周期小于0.1s的区段。的区段。 （2）水平段，自）水平段，自0.1s至特征周期区段，应取最大值至特征周期区段，应取最大值 （max）。）。 （3）曲线下降段，自特征周期至）曲线下降段，自特征周期至5倍特征周期区段，衰倍特征周期区段，衰减指数应取减指数应取0.9。 （4）直线下降段，自）直线下降段，自5倍特征周期

47、至倍特征周期至6s区段，下降斜率调区段，下降斜率调整系数应取整系数应取0.02。2.6.2 asce/sei 7-05的抗震设计反应谱的抗震设计反应谱 asce/sei 7-05直接给出了设计地震加速度曲线的抗震直接给出了设计地震加速度曲线的抗震设计反应谱见图设计反应谱见图2-3。 美国规范抗震设计反应谱的应用：首先从美国规范抗震设计反应谱的应用：首先从asce/sei 7-05给出的地震地面运动最大加速度等值线图中查出短周给出的地震地面运动最大加速度等值线图中查出短周期和期和1s周期的加速度值（周期的加速度值（ss和和s1）；其次，考虑不同的场）；其次，考虑不同的场地分类，利用场地系数地分类

48、，利用场地系数fa、fv对该值进行修正，对该值进行修正，fa、fv的的关取值见表关取值见表2-15表表2-16；最后，对该值乘以；最后，对该值乘以“2/3”的系数，的系数，将将“最大考虑地震最大考虑地震”下的地震反应谱加速度转换到设计地下的地震反应谱加速度转换到设计地震水准下的地震反应谱加速度。震水准下的地震反应谱加速度。具体的修正要求如下：具体的修正要求如下： （1）从地震地面运动最大加速度等值线图中，查得最）从地震地面运动最大加速度等值线图中，查得最大考虑地震下的短周期和大考虑地震下的短周期和1s周期加速度值周期加速度值ss和和s1。 （2）利用场地系数）利用场地系数fa、fv进行修正，得

49、到最大考虑地震进行修正，得到最大考虑地震下短周期和下短周期和1s周期的反应谱加速度参数周期的反应谱加速度参数sms、sm1：sms=fass （2-2）sm1=fvs1 （2-3） 进行上述变换的原因是进行上述变换的原因是asce/sei 7-05中给出的地震地中给出的地震地面运动最大加速度只适用于面运动最大加速度只适用于b类场地，对于其他场地情况需类场地，对于其他场地情况需要引入场地系数要引入场地系数fa或或fv进行调整。进行调整。 （3）乘以）乘以“2/3”的调整系数，得到设计地震水准下的反的调整系数，得到设计地震水准下的反应谱加速度应谱加速度sds、sd1：sds=（2/3）sms=（2

50、/3）fass （2-4）sd1=（2/3）sm1=（2/3）fvs1 （2-5） 进行上述变换的原因是进行上述变换的原因是asce/sei 7-05中的地震地面运中的地震地面运动最大加速度等值线图是根据动最大加速度等值线图是根据50年超越概率为年超越概率为2%的地震给的地震给出的地面运动加速度最大值，但出的地面运动加速度最大值，但asce/sei 7-05规定的设计规定的设计地震为地震为50年超越概率为年超越概率为10%的地震，因此，抗震设计时，需的地震，因此，抗震设计时，需要对要对asce/sei 7-05给出的地震地面运动最大加速度等值线给出的地震地面运动最大加速度等值线图的加速度值进行

51、折减，即要乘以（图的加速度值进行折减，即要乘以（2/3）的系数，从而得）的系数，从而得到到asce/sei 7-05规定的设计地震条件下的设计反应谱加速规定的设计地震条件下的设计反应谱加速度。度。 在形式上，在形式上，asce/sei 7-05的抗震设计反应谱与的抗震设计反应谱与gb 50011-2001的抗震设计反应谱曲线类似，同样分为四个阶段：的抗震设计反应谱曲线类似，同样分为四个阶段： （1）上升段，当周期）上升段，当周期t小于小于t0时，设计反应谱加速度时，设计反应谱加速度sa应应按式（按式（2-6）计算：）计算：sa=sds（0.4+0.6t/t0） （2-6） （2）水平段，当周期

52、）水平段，当周期t大于等于大于等于t0，小于等于，小于等于ts时，设计时，设计反应谱加速度反应谱加速度sa应取为应取为sds； （3）下降段之一，当周期）下降段之一，当周期t大于等于大于等于ts，小于等于，小于等于tl时，时，设计反应谱加速度设计反应谱加速度sa应按式（应按式（2-14）计算：）计算：sa=sd1/t （2-7） （4）下降段之二，当周期）下降段之二，当周期t大于大于tl时，设计反应谱加速度时，设计反应谱加速度sa应按式应按式2-15计算：计算：sa=sd1tl/t2 （2-8） 结构基本周期结构基本周期t，应通过考虑结构特性和变形特点后采，应通过考虑结构特性和变形特点后采用恰

53、当的分析方法得到。用恰当的分析方法得到。asce/sei 7-05规定结构的基本周规定结构的基本周期期t不应超过表不应超过表2-17给出的计算周期（给出的计算周期（cu）的上限，同时结）的上限，同时结构的近似基本周期构的近似基本周期ta可按式（可按式（2-9）计算。）计算。asce/sei 7-05同同时规定在大多数条件下可以采用近似的基本周期时规定在大多数条件下可以采用近似的基本周期ta代替结构代替结构的基本周期的基本周期t： （2-9）其中，其中，hn结构从底部到最高处的高度，单位结构从底部到最高处的高度，单位ft；系数；系数ct和和x参见表参见表2-18。xatntc h2.6.3 中美

54、规范抗震设计反应谱的比较中美规范抗震设计反应谱的比较 抗震设计反应谱是计算地震作用的重要依据，抗震设计反应谱是计算地震作用的重要依据，gb 50011-2001采用的设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出，采用的设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出，asce/sei 7-05采用的设计反应谱以设计地震地面运动加速度采用的设计反应谱以设计地震地面运动加速度曲线的形式给出。曲线的形式给出。 需要说明的是，虽然需要说明的是，虽然gb 50011-2001以及以及asce/sei 7-05抗震设计反应谱的形式比较相似，但由于抗震设计反应谱的形式比较相似，但由于gb 50011-2001的抗的抗震设计

55、反应谱采用的是经过调整后的相当于震设计反应谱采用的是经过调整后的相当于“小震小震”条件下条件下的地震影响系数曲线，而的地震影响系数曲线，而asce/sei 7-05的抗震设计反应谱采的抗震设计反应谱采用的是相当于我国用的是相当于我国“中震中震”条件下的设计地震加速度反应谱条件下的设计地震加速度反应谱曲线，在进行反应谱加速度值比较时，应注意统一比较标准。曲线，在进行反应谱加速度值比较时，应注意统一比较标准。（1）反应谱曲线基本规定的比较）反应谱曲线基本规定的比较 为便于对反应谱曲线的基本规定进行比较，现将为便于对反应谱曲线的基本规定进行比较，现将gb 50011-2001与与asce/sei 7

56、-05规范抗震设计反应谱所考虑的规范抗震设计反应谱所考虑的各种因素总结于表各种因素总结于表2-19。 由表由表2-19可以看出，可以看出，gb 50011-2001以及以及asce/sei 7-05抗震设计反应谱曲线具有相同的特征，都是由直线上升抗震设计反应谱曲线具有相同的特征，都是由直线上升段、水平段和下降段组成，但差异也很明显。具体表现在：段、水平段和下降段组成，但差异也很明显。具体表现在： 反应谱最长周期。反应谱最长周期。gb 50011-2001抗震设计反应谱规定的最长周期为抗震设计反应谱规定的最长周期为6s，对于，对于超高层建筑、大跨桥梁、海洋平台以及大型储油罐等自振超高层建筑、大跨

57、桥梁、海洋平台以及大型储油罐等自振周期有可能超过周期有可能超过6s的结构，的结构，gb 50011-2001规定其地震影响规定其地震影响系数应专门研究。系数应专门研究。 asce/sei 7-05给出了长周期限值给出了长周期限值tl。 特征周期。特征周期。 gb 50011-2001的水平段起始周期取为定值的水平段起始周期取为定值0.1s，终止，终止周期周期tg根据设计地震分组与场地类别确定。根据设计地震分组与场地类别确定。 asce/sei 7-05的水平段起始周期的水平段起始周期t0和终止周期和终止周期ts都随都随着场地影响系数着场地影响系数fa、fv以及地震动参数的取值以及地震动参数的取

58、值ss、s1的变的变化而变化。化而变化。 设计反应谱曲线下降段。设计反应谱曲线下降段。 反应谱曲线下降段与反应谱加速度、阻尼比及场地类反应谱曲线下降段与反应谱加速度、阻尼比及场地类别有关。别有关。gb 50011-2001采用衰减指数采用衰减指数考虑这种关系，但考虑这种关系，但衰减指数衰减指数却只与阻尼比有关；却只与阻尼比有关；asce/sei 7-05的衰减指数的衰减指数为常数为常数1.0，但其提供了与场地类型有关的，但其提供了与场地类型有关的1s周期反应谱周期反应谱加速度设计值，以考虑反应谱下降段的衰减过程。加速度设计值，以考虑反应谱下降段的衰减过程。（2）场地分类对反应谱影响的比较）场地

59、分类对反应谱影响的比较 地震时场地的最大地面运动加速度与场地类别有关，通地震时场地的最大地面运动加速度与场地类别有关，通过地类别对抗震设计反应谱影响的比较示意图（图过地类别对抗震设计反应谱影响的比较示意图（图2-4）可）可以看出：以看出： gb 50011-2001规范只考虑了场地类别对特征周期的规范只考虑了场地类别对特征周期的影响，而未考虑场地类型对反应谱加速度最大值的影响，因影响，而未考虑场地类型对反应谱加速度最大值的影响，因此在相同抗震设防烈度条件下，此在相同抗震设防烈度条件下，gb 50011-2001的抗震设计的抗震设计反应谱只是随场地类型从反应谱只是随场地类型从i类到类到iv类的变

60、化，反应谱曲线的类的变化，反应谱曲线的平台宽度逐渐增大。平台宽度逐渐增大。 asce/sei 7-05采用如下的方法考虑不同的场地类型采用如下的方法考虑不同的场地类型对反应谱加速度最大值的影响：以对反应谱加速度最大值的影响：以b类场地的反应谱加速度为类场地的反应谱加速度为基准，用该加速度值乘以一个场地系数（根据不同的场地分基准，用该加速度值乘以一个场地系数（根据不同的场地分类以及地面运动加速度最大值类以及地面运动加速度最大值ss确定），以考虑不同场地类确定），以考虑不同场地类型的影响，针对不同类型的场地，不仅反应谱曲线的平台宽型的影响，针对不同类型的场地，不仅反应谱曲线的平台宽度不同，而且反应