CECS 160:2004和GB 50011—2010抗震設計若干問題對比分析

劉天英 李 琪 孫文海

(東北電力設計院，長春130021)

1 引言

《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(以下簡稱GB 50011)［1］從2010年12月1日開始實施，雖然業界一直在爭論該部規范在某此方面規定不夠具體，但因設計習慣和設計軟件等原因，一直在抗震設計中應用。20世紀90年代初，由美國學者提出“基于性態的結構抗震設計PBSD(Performance-Based Seismic Design)”思想，得到各國廣泛重視，被地震工程界認為是未來抗震設計發展的主要方向［2］。未來的抗震設計必將是基于性態的抗震設計［3］。基于性態的抗震設計目的在于確保建筑物能夠在各種不同強度的地震作用下，建筑物的地震效應滿足業主和社會的各種安全、經濟、文化與歷史需求［4］。雖然GB 50011或多或少滲入基于性態的抗震設計思想，但主要條款還是沿用舊版抗震設計規范的基本理念和架構。而在《建筑工程抗震性態設計通則(試用)》(CECS160:2004)(以下簡稱CECS160)中［5］，基于性態的抗震設計思想得到很好的體現。為適應將來抗震設計的發展，有必要了解這兩部規范之間的主要差異。2%～3%，而CECS 160為5%。CECS 160根據中國地震危險性特征的研究結果，認為GB 50011對罕遇地震的超越概率取值偏低(2%～3%)，從而使大震抗震設防烈度的取值偏高［5］。

2 設防水準

3 設防目標

地震設防水準，是指在抗震設防中如何根據客觀的設防環境和已設定的設防目標，并考慮社會、經濟條件來確定采用多大的設防荷載參數。簡單說，就是選擇多大強度的地震作用作為抗震設防對象［2］。

GB 50011抗震設計采用“小震”、“中震”、“大震”三級設防水準，也稱多遇地震、設防地震和罕遇地震，一般按地震基本烈度區劃或地震動參數區劃對當地的規定采用，50年超越概率分別為63%、10%和2%～3%，相應重現期分別為50年、475年和1600～2400年。

CECS 160也采用多遇地震、設防地震和罕遇地震三級設防水準，分別相當于由建筑重要性類別規定年限TMJ內給定的超越概率為63%、10%和5%。建筑重要性類別根據建筑物對社會、政治、經濟和文化影響的重要性分為甲、乙、丙、丁四類，具體見國家標準《建筑抗震設防分類標準》(GB 50223—2008)。對于重要性類別為丙類的建筑，取TMJ=50年;乙類建筑，取TMJ=100年;甲類建筑，取TMJ=200年。地震烈度在TMJ內超越概率r=1－［1－(1/T)］L，其中，T為地震烈度的重現期(年);L為TMJ(年)［6］。推導出乙類建筑小震、中震、大震對應的重現期分別為101年、950年、1950年;甲類建筑對應的重現期分別為202年、1900年、3900年。

可見關于設防水準，兩部規范主要有兩點區別:

(1)GB 50011中，對于甲、乙、丙、丁類建筑，相應的TMJ均取50年;而CECS160根據建筑重要性類別不同，TMJ取值不同。也就是說，在同一場地，對于甲、乙兩類建筑，兩部規范的設計地震加速度A取值不同，CECS 160高于GB 50011。根據CECS160中表4.2.2－1～3可知，對于甲類建筑，CECS 160抗震設防地震設計地震加速度A為GB 50011的1.189～2.524倍;對于乙類建筑，CECS160抗震設防地震設計地震加速度A為GB 50011的1.107～1.75倍。

(2)罕遇地震的超越概率不同，GB 50011為

針對三個設防水準，GB 50011抗震設防目標為“小震不壞”、“中震可修”和“大震不倒”。

CECS 160總結近20年來現代大城市震害經驗，認為在建筑抗震設計中，不僅要控制破壞，還應考慮地震時保持建筑功能正常。因為不少建筑遭遇的震害并不嚴重，但由于其功能遭到破壞，致使生產中斷，導致不可接受的巨大經濟損失。所以CECS160特別注重建筑物的功能，關于建筑物的使用功能分類詳見規范3.1.3款。CECS160根據建筑物不同的使用功能類別分別給出各級地震動水平下的最低抗震性態要求，詳見表1。性態水平是對所設計的建筑在可能遭遇的特定設計地震作用下所規定的最低性態要求或容許的最大破壞。規范中給出各性態水平的具體解釋，不再贅述。

GB 50011不區分建筑物的使用功能及建筑的重要性，籠統地將設防目標定為小震不壞、中震可修和大震不倒。而CECS 160根據建筑物使用功能分類、建筑物的重要性類別分別給出了不同地震動水平下的最低抗震性態的具體要求。基于性態抗震設計的多級目標設計理念為用戶和結構工程師提供更多選擇，體現用戶要求與結構工程師的經驗相結合問題［7］。不難看出，重要性為丙類、使用功能為Ⅱ類的建筑的性態要求與GB 50011規定的小震不壞、中震可修和大震不倒相對應，而其他幾類建筑的設防目標兩部規范不能對應。

4 地震作用

GB 50011第5.2.1款采用底部剪力法，結構的水平地震作用標準值FEK=α1Geq，α1相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數;Geq為結構等效總重力荷載。FEK的公式可改寫為FEK=CKβGeq，其中，C為結構影響系數;K為地震系數;β為動力系數［8］。CECS 160第6.2.2款在給定方向結構的總水平地震作用標準值FEK=Cηhα1Gef1，式中，C為結構影響系數;α1為相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數;ηh為水平地震影響系數的增大系數;Gef1為相應于結構基本振型的有效重力荷載。FEK的公式可改寫為FEK=CηhKβGef1，式中，K為地震系數;β為場地設計譜(即動力系數)。根據公式可以看出，地震作用涉及場地類別、特征周期、設計反應譜、結構影響系數、等效重力荷載。

表1 各級地震動水平下的最低抗震性態要求Table 1 The lowest aseismic performance requirements

4.1 場地類別

建筑場地類別，根據土層等效剪切波速和場地覆蓋土層厚度確定。兩部規范關于土層等效剪切波速計算和場地覆蓋土層厚度的條款是一致的。GB 50011建筑場地類別劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四類，其中，Ⅰ類細分為Ⅰ0和Ⅰ1兩個亞類。同樣，CECS 160也劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四類，但兩部規范場地類別劃分時土層等效剪切波速Vse和場地覆蓋土層厚度dov的界限取值略有不同。從圖1可以看出，兩部規范場地類別劃分不完全相同，而是互有交叉。

圖1 兩部規范場地類別的劃分Fig.1 Site classification in two codes

4.2 特征周期

特征周期在GB 50011中稱設計特征周期，CECS 160稱設計譜特征周期。其數值受地震震級、震中距、場地類別等因素影響。特征周期決定設計反應譜平臺段的長度，對地震作用大小有重要影響。GB 50011中，特征周期根據場地類別和設計地震分組確定，見表2。CECS 160附錄A中根據不同的土層等效剪切波速和不同的場地覆蓋土層厚度分別給出特征周期值，該值是連續的，而不是分檔的。兩部規范特征周期取值區別見表3。

表2 特征周期值Table 2 Characteristic period valuess

4.3 設計反應譜

根據GB 50011中5.1.5條款地震影響系數曲線(阻尼比0.05)可以推出地震動力系數曲線，見圖2。大量分析表明，動力系數β的峰值βmax與場地類別關系不大，在我國統一取2.25。另外從地震影響系數曲線中也可推導出βmax，結構自振周期T=0時，地震影響系數α=0.45αmax。此時結構為無窮剛性，動力系數β應為1，則βmax=1/0.45≈2.25。動力系數曲線分為四段:直線上升段，T≤0.1 s，β=1+(T/0.1)(η2βmax－1);水平段，0.1 s＜T≤Tg，β=βmax;曲線下降段，Tg＜T≤5Tg，β=(Tg/T)γη2βmax;直線下降段，5Tg＜T≤6S，β=［η20.2γ－η1(T－5Tg)］βmax。結構的阻尼比不等于0.05時，曲線下降段的衰減指數γ=0.9+(0.05－ζ)/(0.3+6ζ);直線下降段的下降斜率調整系數η1=0.02+(0.05－ζ)/(4+32ζ)≥0;阻尼調整系數η2=1+(0.05－ζ)/(0.08+1.6ζ)≥0.55;ζ為阻尼比。

表3 兩部規范特征周期值區別Table 3 Characteristic period comparison in two codes s

CECS 160第4.2.3款給出了阻尼比為0.05的建筑結構的水平分量場地設計譜(即動力系數曲線)，見圖3，分為三段:短周期段，當T≤TA，β=1+(T/TA)(βmax－1);水平段，當TA＜T≤Tg，β=βmax;下降段，當T＞Tg，β=(Tg/T)θ·βmax≥βmin。同時規定場地設計譜最大值βmax取2.25;其最小值βmin不宜小于最大值的15%;場地設計譜短周期界限值TA宜采用0.10 s，有特殊要求時可作調整;場地設計譜下降段的指數θ宜采用0.9，有特殊要求時可在0.8～1.0之間取值。當建筑結構的阻尼比不為0.05時，根據規范中附錄D進行場地設計譜修正。

圖2 GB 50011動力系數曲線Fig.2 Dynamic coefficient curve in the GB 50011

圖3 CECS160場地設計譜Fig.3 Design spectrum in the CECS160

由圖2、圖3可以看出，CECS160場地設計譜僅為三段，無直線下降段。GB 50011特征周期截止到6 s，如果結構的基本自振周期超過6 s，需要專門研究;而CECS 160超過7 s，比GB 50011的適用性更加廣泛。

4.4 結構影響系數

CECS 160結構影響系數C實際上是強度折減系數的倒數。強度折減系數R定義為結構保持完全彈性所需要的最低強度與結構保持給定延性所需要的最低屈服強度之比，它是由結構非彈性耗能(或非彈性滯變特性)引起的地震力的折減。不同國家、不同研究者對于強度折減系數的稱謂不同，如在美國UBC 1997和FEMA 273中稱為結構反應修正系數，歐洲規范EC8稱為性能系數，日本規范稱為延性因子［9］。

GB 50011規定的時程分析所用地面動峰值加速度PGA見表4，該規范規定在進行結構構件截面強度驗算時采用的地震水準為多遇地震(小震)。根據表4，多遇地震和設防地震對應的地面運動峰值加速度比值都在0.35左右。可以這樣理解，構件截面強度驗算時采用的地震水準為設防地震(中震)，只是該部規范中不區分抗震結構體系及建筑材料把結構影響系數均取為0.35，即強度折減系數R=1/C=2.86。CECS 160考慮到不同抗震結構體系延性及建筑材料采用不同的結構影響系數，與實際情況更加接近，具體的結構影響系數見表5。

表4 GB 50011時程分析所用地面動峰值加速度PGATable 4 Peak ground acceleration in GB 50011 cm/s2

表5 不同抗震體系的結構影響系數Table 5 Structure influence coefficient for different aseismic systems

4.5 算例分析

［算例一］某鋼結構框架，位于7度區，0.10 g，地震危險性特征分區為Ⅰ區。場地類別Ⅲ類，特征周期0.55 s。自振周期T根據經驗公式計算為0.46 s。平面尺寸20 m×20 m，四層總高18.5 m，底層層高5 m，二、三、四層層高4.5 m。按CECS 160:2004規定使用功能為Ⅱ類。等效重力荷載:四層2400 kN，三層3 600 kN，二層3 600 kN，一層4 600 kN。阻尼比:根據GB 50011第8.2.2款取為0.04;根據CECS 160第7.1.4款取為0.02。采用底部剪力法分別按GB 50011及CECS 160兩部規范進行計算結構總水平地震作用標準值，詳見表6，計算過程略。

［算例二］某鋼筋混凝土框架結構，阻尼比0.05，其余參數同［算例一］，計算結果見表6中括號內的數字。根據表中數值，總水平地震作用標準值，按CECS 160計算的結果要高于按GB 50011計算的結果。

表6 結構總水平地震作用標準值計算Table 6 Total horizontal earthquake action

5 變形限值要求

GB 50011考慮多遇地震和罕遇地震作用下結構的變形驗算。遭遇多遇地震時，結構處于彈性階段，規范表5.1.1給出彈性層間位移角限值1/1000～1/250。CECS160考慮抗震設防地震和罕遇地震作用下結構的變形驗算，遭遇設防地震時，結構已進入非彈性階段，規范表6.6.3給出層間位移限值0.004～0.01。GB 50011彈性位移角限值小于CECS160層間位移角限值。遭遇罕遇地震時，結構進入彈塑性階段，兩部規范關于彈塑性層間位移角限值的要求見表7。

CECS 160在確定彈塑性層間位移角限值時，參考GB 50011、Vision 2000及FEMA 273，對于Ⅲ類建筑偏于安全地取中等至嚴重破壞之間接近中等破壞的層間位移限值。對于Ⅱ類、Ⅳ類建筑的層間位移限值，根據Ⅲ類建筑的層間位移限值作適當調整而得。從表7可以看出，CECS160中Ⅲ類建筑的層間位移限值與GB 50011中規定基本相當。

表7 彈塑性層間位移角限值Table 7 The elas to-plastic story drift angle limitation

6 結論

根據文中對比分析，得出如下結論:

(1)GB 50011設防目標單一籠統，而CECS 160根據建筑物重要性類別和建筑物功能設定不同的抗震設防目標，目標多級具體，用戶和結構工程師可根據建筑物的功能、重要性以及經濟情況選擇設防目標。性態設計實際是抗震個性化設計，對設計人員和計算軟件要求較高，尚處于完善階段。

(2)GB 50011實際隱含著結構影響系數統一取0.35，而CECS 160根據抗震結構體系及建筑材料不同結構影響系數取值不同。相比之下，CECS 160結構影響系數取值更加合理。

(3)GB 50011特征周期值為分檔值;CECS 160特征周期值是連續的。GB 50011特征周期最大至6 s，對于自振周期超過6 s的長周期結構，需專門研究;CECS 160特征周期則超過7 s，比GB 50011的適用性更加廣泛。

(4)按照CECS 160規范計算的結構總水平地震剪力標準值高于按照GB 50011計算的結果，甲類建筑甚至高出一倍以上。也就是說，CECS 160地震作用取值要高于GB 50011。

(5)罕遇地震時，CECS 160根據建筑使用功能不同給出不同的彈塑性位移角限值。GB 50011未進行區分。CECS 160中Ⅲ類建筑彈塑性層間位移限值與GB 50011規定基本相當。

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