中日鋼筋混凝土結構抗震設計方法比較

朱南波

（昆明有色冶金設計研究院股份公司　云南　昆明　650051）

中日鋼筋混凝土結構抗震設計方法比較

朱南波

（昆明有色冶金設計研究院股份公司云南昆明650051）

日本是一個多地震的國家，為了提升建筑的抗震性能，日本不斷優化抗震設計方法，并取得了顯著成績。基于此，日本在鋼筋混凝土結構抗震設計方面有很多值得我國學習和改進的地方。本文主要分析中日鋼筋混凝土結構抗震設計現狀，并結合實例探討其設計方法的不同點。

中日抗震設計；鋼筋混凝土框架結構；安全水準

1　中日鋼筋混凝土結構抗震設計現狀

中日兩國的經濟發展水平不同，國情不同，體現在建筑結構抗震設計規范中的最終性能內涵目標也不同。中國規范性能目標為“小震不壞，中震可修，大震不到”三個水準，均以概率統計為基礎；而日本規范性能目標為“小震不壞，大震不倒”兩個水準，以地震重現期給定，日本的小震相當于中國規范的8～8.5度之間的水平。日本在近三十年來大地震中，嚴重破壞和倒塌的建筑所占比例較低。鑒于人們對結構安全性、耐久性等方面越來越高的要求，對結構安全度的研究也更進一步。本文選擇混凝土框架結構，比較分析中日在抗震設計中的差異性。從比較抗震設計的目標和方法可知，我國對結構構件尺寸選擇、配筋等設計是在多遇地震下進行的，中震可通過構造來滿足，在罕遇地震下校核結構的變形；日本對鉸接部位構件設計直接在中震下進行，而對非鉸接部位構件設計在大震下進行，可見日本建筑結構對地震作用取值大于我國的取值。

中日鋼筋混凝土結構抗震設計的不同體現在以下幾個方面：

（1）中日兩國抗震規范對結構體系的規定不同

中國規范：針對不同的設防烈度、場地類別、建筑高度，不同的結構體系所采用的抗震等級也不同，相對較為繁瑣。

日本規范：僅僅根據建筑高度劃分為四類建筑：超高層、大規模、中等規模和小規模建筑，不限制結構體系，結構工程師的“自由度”較大。

（2）在保證一般建筑物（設防類別為丙類）大震不倒的方法和手段不同

中國規范：概念設計+適當的構造措施，簡單，但不夠直觀，設計人員長期缺乏“量”的概念。

日本規范：二階段性能設計，第一階段小震彈性計算（相當于中國8度～8.5度設防）初步確定構件斷面和配筋；第二階段驗算大震彈塑性，調整配筋，實現性能化設計目標。

（3）中國規范偏重考慮建筑物扭轉的影響，通過平面偏心率、扭轉周期比、扭轉位移比等控制，日本規范則以偏心率控制。

（4）中國建筑中的抗震墻既承擔豎向荷載，又承擔水平地震作用，而日本建筑的抗震墻大部分只承擔水平地震作用。

（5）中國規范以豎向構件在建筑中的抗震作用來區別設計。日本規范以構件在地震作用下的狀態分類設計。

（6）從計算方法來說，中國規范為多遇地震下彈性設計，而罕遇地震下是依靠結構構件的構造措施來保證的。日本規范為小震不屈服、大震彈塑性計算。

2　中日鋼筋混凝土結構抗震設計方法和比較分析

2.1中國方面

2.1.1抗震烈度

根據我國的相關規定，對小震、中震、大震的抗震烈度具有不同的界定：①小震：眾值烈度，第一水準烈度，50年超越概率63.2％，約50年一遇。②中震：基本烈度，第二水準烈度，50年超越概率10％，約475年一遇。③大震：第三水準烈度，50年超越概率2～3％，約1642～2475年一遇。設防烈度與地震加速度的對應關系見表1。

表1　設防烈度與地震加速度的對應關系

2.1.2抗震設計的思路

我國主要遵循以下原則：①小震（比基本烈度低1.5度左右）時的安全性，按彈性理論，通過構件的承載力驗算；保證其安全性中震（基本烈度）時的安全性，通過概念設計和抗震構造措施；保證其安全性大震（罕遇地震，比基本烈度高1度左右）時的安全性，通過概念設計和抗震構造措施，有必要時需進行彈塑性分析（驗算此時的層間變位）驗證其安全性。②根據地區設防烈度和建筑物設防類別確定建筑物設防烈度。同時根據不同的抗震等級，采取相應的抗震措施。

2.2日本方面

2.2.1抗震烈度

日本的抗震設計理念是小震不壞，大震不到，小震和大震相當于中國設防烈度8度和8.5度之間。震度與地震加速度、烈度與震度的關系見表2～3。

表2　震度與地震加速度的關系

表3　烈度與震度的關系

2.2.2抗震設計方法

對60m以下的建筑物來說，可采用容許應力法或保有耐力計算法（1981年）、極限耐力計算法，即性能設計法（2000年）、能量平衡法（2005年）；對60m以上的建筑物，則可采用彈塑性時程解析法，例如：水準1地震（地震速度25cm/s）下層間位移角≤1/200。

日本的抗震設計規范采用兩階段設計體系，一次設計及二次設計，根據建筑物規模的不同由設計師做出判斷，分別通過3個設計途徑來實現。途徑1是基于容許應力度設計的強度型設計，屬一次設計；途徑2是考慮結構強度和延性的計算，屬二次設計；途徑3是在途徑二的基礎上增加了抵御罕遇地震時結構所具有滿足塑性變形能力的計算，即保持建筑物水平承載力的計算，屬二次設計。

2.3中日鋼筋混凝土結構抗震結構受力分析

（1）自振周期比較。從圖1可知，罕遇地震作用下，短周期范圍內（40m以下的規整建筑物），日本的大震時地震影響系數值在中國的8度和8度強區的罕遇地震影響系數值之間。周期較長時，日本的大震時地震影響系數值大于中國8度強區的罕遇地震影響系數值。當Tg≤0.65s（相當于中多層建筑），8度以下（含8度）抗震設防時中國規范對應的地震力均小于日本規范。當Tg≤0.65s，8度以上（不含8度）抗震設防時中國規范對應的地震力均大于日本規范。當Tg≥1.5s時兩國規范比較接近。相當于超高層結構設計時中日兩國的地震作用接近。

圖1　自振周期TS（s）

（2）樓層水平剪力分布比較。從圖2可知，在多遇地震作用下，按代表重量計算，日本規范的樓層水平剪力與中國8度強區的樓層水平剪力相近。按總重量計算，則與中國8度區的樓層水平剪力相近。層數越高，按日本規范得到的頂層樓層水平剪力將超過中國8度強區的樓層水平剪力。

圖2　樓層水平剪力分布比較

（3）地震水平力分布比較。從圖3可知，按日本規范的地震水平力與中國規范的結果差異較大。在8度強地區，在頂層附近這種差異可高達20％左右。用推倒分析進行罕遇地震下的變形驗算時，應適當考慮這種差異的影響。

3　結合實例對中日混凝土框架結構的抗震設計方法做具體分析

3.1概況

圖3　地震水平力分布比較

某項目是綜合辦公樓，層數為14，分為地上和地下兩部分，其中地上12層，地下1層，塔樓1層。底層4.0m，2～12層3.70m，樓、電梯間塔樓頂層高5.0m，室內外高差0.3m，總高45.0m，總面積19690m2，采用框架結構。

3.2計算分析

為了精確比較，在抗震設計時，其構件的尺寸和材料的選取均差異不大，雖然樓地面做法不同但盡量保證荷載相近，抗震設防烈度根據輸入地震波最大加速度取為8度的最大加速度（0.3g），在基本條件相同的前提下對比，分別按中國和日本現行規范設計的各項結果，總結設計基準上的差異，分析規范設計目標、方法、過程等方面的不同所產生的影響。

3.3結果對比

（1）地震反應

從地震反應結果（表4）看出，我國和日本的1～3層層剪力值相近，三層以上日本的層剪力取值大。因為建筑高度超過40m，我國軟件在計算地震作用采用了振型分解法，日本仍采用底部剪力法，但其計算方法與我國底部剪力法有所不同。

表4　地震反應比較（單位：kN）

（2）層間位移角

從層間位移角的計算結果，可見日本計算層間位移角大，但并不意味著我國對層間位移角的要求比日本嚴格，因為我國的位移是在小震即比設防烈度約低1.5度的地震下的彈性位移，而日本的位移角要求是直接在第一水準烈度，即相當于中震下的彈性位移。

表5　層間位移角的計算結果

（3）配筋

中日在配筋方面主要存在以下差距：在塑性鉸部位（一層柱腳和梁端）日本配筋結果與我們相近甚至低于我國的配筋結果，在非塑性鉸部位（除底層外其他層的柱），我國的配筋是日本配筋結果的2/3甚至一半。這樣結果的原因主要是因為日本在設計中有保證梁端和一層柱腳出鉸的屈服機構保證設計，內力重分配結果不同且塑性鉸部位（即一層柱腳和梁端）是在第一階段設計，而非塑性鉸部位是在第二階段設計，所以較我國設計相比柱的配筋多而梁的配筋少。

4　結束語

綜上分析，由于我國和日本在地區差異、國情等方面的差異，在混凝土框架結構抗震設計方法方面也存在很多差異，但是其基本目標是一致的。日本在抗震設計方法方面有很多我國值得借鑒的地方，例如：日本抗震設計法中關于中低層建筑在大震作用下的簡化計算方法，值得推廣應用；日本對于豎向或者平面剛度分布不均勻的建筑，采用“罰函數”的方法，允許業主建設，但是增大地震力，從而間接增大投資。而國內規則性超限的項目，主要通過超限審查，采取相應措施即可，沒有量的概念，值得借鑒。通過比較，也可以發現我國在此方面存在的不足。

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[4]《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）.

TU352.1+1

A

1673-0038（2015）29-0037-03

2015-6-29

朱南波（1962-），女，漢族，江蘇蘇州人，高級工程師，大學本科，主要從事土建結構設計方面的工作。