美國建筑抗震設計的法規體系與設計地震動的確定

張 萌 潘 華 李金臣

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美國建筑抗震設計的法規體系與設計地震動的確定

張 萌 潘 華 李金臣

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

本文論述了美國建筑抗震設計法規體系發展演變過程及其代表性的規范、標準與技術文檔；分析了美國當前建筑法規中設計地震動參數的重要技術見解，設計地震動的不同層次與作用，基于目標風險的最大考慮地震概念等技術的進展，同時，也總結了美國抗震設計相關法規中設計地震動確定的基本規定。本文旨在從美國龐大復雜的建筑設計法規體系中，梳理出清晰的建筑抗震設計的法規體系脈絡與設計地震動的要求，為我國建筑抗震設計中設計地震動的相關研究提供參照。

建筑抗震設計設計地震動模式規范共識標準NEHRP ProvisionsASCE 7MCER

引言

隨著我國經濟發展以及國家“一帶一路”發展戰略的實施，越來越多的涉外建設工程項目得以開展，我國的工程抗震設計和地震危險性評價從業人員，也需要更加深入地了解國外建筑抗震設計法規，尤其是專業性較強的設計地震動確定的相關內容。美國建筑抗震設計法規，在技術上有許多創新，在世界范圍內具有引領性，已被廣泛認可與引用。本文專門針對美國建筑抗震設計中設計地震動參數的確定進行了研究與分析，希望為相關從業人員了解這方面的背景提供幫助，同時也為我國建筑抗震設防以及地震動區劃相關研究提供參照。

1　美國建筑法規體系

因美國實行聯邦體制，故并無全國統一的建筑設計規范，而由地方政府依據當地的自然環境特點以及重點災害類型（如地震、颶風、冰凍、洪水等），選擇當地適用的建筑設計規范或標準，并通過立法程序確定為地方法規，從而使其具有強制性，確保當地民眾生命財產和工程建筑的安全性。例如，美國西部地區建筑規范就以抗震設計為重點。美國政府鼓勵民間社會力量開展規范與標準的制定，并通過技術路線的競爭，爭取得到社會的廣泛使用，特別是地方政府的采納，以確立自身規范的權威性。這一政策，極大地促進了建筑規范和標準的發展，在美國出現了大量專業機構或組織開展規范或標準的研究與制定，也使得各規范與標準對新技術的應用有較大的積極性，但同樣也造成美國復雜的多元化規范與標準體系（衛明，2001a，2001b）。經過數十年的發展、競爭與融合，當前美國的建筑規范體系趨于穩定，且在全國形成了相對統一的建筑設計法規體系。

當前，美國建筑設計法規體系大致由“模式規范”（Model Code）、“共識標準”（Consensus Standard）和“源文件”（Resource Document）構成。

1.1模式規范（Model Code）

美國地方政府需要結合本地區經濟與社會發展需要，選用適當的規范納入地方法規，而專業協會或組織制定的規范，就像是一個個建筑規范的示范，由應用部門或者地方政府進行評估和選擇，因此，這類規范形象地稱為“模式規范”（Model Code），這是美國規范的特色。

1994年之前，美國有3個組織在制訂建筑模式規范，分別是國際建筑官員大會（International Conference of Building Officials，簡稱ICBO）制定的UBC（Uniform Building Code）規范，國際建筑官員與法規管理員聯合會（Building Officials Code Administrators International，簡稱BOCAI）制訂的NBC（National Building Code）規范，以及美國南方國際建筑法規委員會（Southern Building Code Congress International，簡稱SBCCI）制訂的SBC（Standard Building Code）規范。這3個模式規范是美國主要的建筑規范，但都存在地域局限性，使得全美缺乏一致性的建筑法規要求，對設計師和承包商而言，多樣而復雜的模式規范體系造成使用者了解、掌握與應用規范的較大困擾。

1994年，上述3個模式規范編制機構共同成立了美國國際法規理事會（International Code Council，簡稱ICC），由ICC開始推動建筑規范的協調和統一，力求改變以往美國國內不同地區采用不同模式規范的局面。ICC于1997年發布了新版規范的草案，經討論修訂，最終于2000年正式發布“國際建筑規范”（International Building Code，簡稱IBC規范），與此同時，UBC、NBC、SBC規范分別在1997、1999、1999年推出最終版后不再繼續更新，IBC規范實現了對3個模式規范的統一。IBC每隔3年更新1版，最新版本為2015版。IBC規范現已在美國50個州得到應用，大多數美國社區采納了基于IBC的建筑規范，這一局面使得建筑法規的一致性在全美得到根本性的改善（FEMA，2010）。

美國模式建筑規范尚未達成完全的統一，除了ICC制定的IBC規范外，還有一部由美國國家消防協會（National Fire Protection Association，簡稱NFPA）制定的規范。NFPA最初曾加入ICC，共同致力于規范統一，后因技術理念上的不一致而退出ICC，并自行制定建筑模式規范“建筑建造與安全規范”（BuiIding Construction and Safety Code），稱為NFPA 5000規范，希望與ICC的規范競爭。NFPA 5000在2003年正式出版，每隔3年更新1版，最新版本也為2015版。NFPA 5000已被接受為美國國家標準，其優勢在于建筑物的火災防護，但由于發行時間較短，所以影響力還有限。

1.2共識標準（Consensus Standard）與源文件（Resource Document）

隨著模式建筑規范的不斷發展，許多建筑相關行業（如混凝土、砌體材料、鋼材、木材）的專業協會，針對本行業特定建筑材料的使用和結構體系構建，在設計與施工方面提出大量專業性的技術要求和指南，在達成行業共識被廣泛接受以后，行業協會往往按照嚴格的標準開發程序，將這些技術要求和指南提升為行業標準的形式頒布，成為“共識標準”（Consensus Standard）。例如，建筑與結構最小設計載荷ASCE/SEI 7、混凝土建筑要求ACI 318、鋼結構規程AISC 360等標準。這些行業共識標準在模式規范中已被大量引用，例如，IBC或NFPA 5000對標準ASCE/SEI 7的引用，同時，不同行業共識標準之間也彼此相互引用，例如，標準ASCE/SEI 7中對ACI 318、AISC 360等標準的引用（FEMA，2010）。“共識”（Consensus），實際上是指標準形成程序要求的一個尋求所有參與者共識的決策過程，經由該過程后形成的標準，能夠得到所有參與者贊成，但這只意味著要聽取所有參與者的意見，并不是每個參與者的意見都被采納（Goupil，2013）。

由于建筑規范在許多方面還不夠成熟，結構設計和建造的理論、技術與方法在不斷的探索與發展，同時不斷積累的設計與建造經驗也在持續為建筑規范的完善提供建議，因此，社會上一些較為權威的專業協會或研究機構常常針對模式規范中的一些專題，開展深入的調查、研究與分析，在實踐中探索有關技術的改進、新理論與技術的應用、新材料與結構的使用、新設計方法及其標準化等方面，形成實用性的研究成果或解決方案，并以研究報告或建議書的形式發表，服務于特定標準和模式規范的更新與發展。例如，美國加州結構工程師協會（Structural Engineers Association of California，簡稱SEAOC）發布著名的“藍皮書”（Blue Book），是早期UBC規范更新的重要技術支撐文件；美國應急管理局（Federal Emergency Management Agency，簡稱FEMA）下屬建筑地震安全委員會（Building Seismic Safety Council，簡稱BSSC）發布的NEHRP Provisions，是ASCE/SEI 7標準更新的主要技術支撐。同時，為便于標準和規范更新時直接采用，這類報告或建議書常常以標準或規范的格式給出并附有詳盡的說明。這類文件是標準或模式規范條文規定的重要來源，稱為“源文件”（Resource Document）。

2　美國建筑抗震設計法規體系

美國沒有統一的專門性的建筑抗震設計規范，建筑抗震設計的相關規定通常包含在建筑規范中結構設計的相關章節，并與相關行業共識標準和法規源文件一并構成完整的建筑抗震設計法規體系，共同實現建筑抗震設計要求的標準化，同時也保持建筑抗震設計技術與標準的持續進步和發展。當前美國基本形成了由源文件NEHRP Provisions、共識標準ASCE 7、模式規范IBC和NPFA 5000規范、地方法規共同構成的建筑抗震設計法規鏈。

2.1早期的建筑抗震設計法規文件

美國的建筑抗震設計是在受地震影響最嚴重和頻繁的美國西部加州地區發展起來的。1927年，首次發布了包含建筑抗震設計內容的UBC規范，但在該規范中抗震設計屬于附錄中的建議性條款，不具強制性，且早期的UBC抗震設計條款也較為簡單，例如，地震力直接取重力荷載的7.5%（軟土場地為10%）。

1957年，美國加州結構工程師協會（SEAOC）出于統一整個加州的地震設計標準和要求的目的，責成其下屬的地震委員會研究加州抗震設計原則、方法與標準，經2年的工作，于1959年發布了“推薦的側向力要求及其說明”（Recommended Lateral Force Requirements and Commentary），即著名的“藍皮書”（Blue Book）。藍皮書中的抗震設計條款很快被納入1961年版UBC規范，且1961版UBC規范也開始將抗震設計條款正式納入規范正文，使得建筑抗震設計在美國得以廣泛開展。此后，SEAOC持續跟蹤最新抗震研究進展并更新藍皮書，同時也被后續各版本UBC規范采納，使得UBC的抗震設計條款愈加豐富，成為美國早期抗震設計法規的主要模式規范，藍皮書也成為UBC模式規范更新的重要基礎支撐文件（Diebold等，2008）。

1973年，SEAOC又創建了應用技術委員會（Applied Technology Council，簡稱ATC）以開展抗震設計實踐和規范改進與提升的研究，并于1978年發布了研究報告ATC 3-06（ATC，1978）。該報告中提出了許多開創性的抗震設計概念、程序、方法以及試驗性設計，為后來美國建筑抗震設計奠定了基礎，對以后美國乃至世界抗震設計理論與實踐的發展都有重要影響。ATC 3-06報告的許多內容為藍皮書吸收，從而也成為UBC規范修訂的技術支撐文檔。藍皮書和ATC3-06報告對UBC的發展有巨大的影響，通過UBC的模板作用也影響到早期的荷載標準ASCE 7的前身ANSI A58.1（Beavers，2002）。

美國早期的抗震設計法規基本上是以UBC規范為主，其他規范和標準如NBC規范、SBC規范、ASCE 7標準等均引用UBC規范的相關規定，而藍皮書、ATC 3-06文件是UBC規范的重要支撐。

2.2當前建筑抗震設計法規重要的規范與文件

2.2.1ASCE 7標準

ASCE 7標準的前身為美國國家標準協會（American National Standards Institute，ANSI）發布的國家標準ANSI A58.1。1945年，ANSI發布了第一個針對建筑與結構荷載確定的共識標準ANSI A58.1-45，即“建筑和其他結構的最小設計荷載”（Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures），該標準由美國土木工程師協會（American Society of Civil Engineers，簡稱ASCE）依照ANSI的程序和要求開發而成。1982年前ANSI A58.1各版本更新均采納UBC規范關于抗震設計地震荷載的規定，1982年ANSI A58.1-82參照ACT 3-06報告對抗震設計要求和抗震設計地震動圖進行局部調整，1988年起該標準更改為ASCE 7標準系列，延續了1982年版本的抗震設計要求。1993年起，ASCE 7開始跟隨NEHRP Provisions更新，但在抗震設計方面，主要是參照ATC 3-06的雙參數抗震設計地震動圖進行調整。由1998年ASCE 7-98起，隨著1997版NEHRP Provisions的出現和逐漸的成熟，ASCE 7開始依據最新版本的NEHRP Provisions進行更新。2002年以后，ASCE 7標準改由ASCE所屬的結構工程學會（Structural Engineering Institute，SEI）承擔開發，正式編號改為ASCE/SEI 7標準，但習慣上仍簡化表示為ASCE 7。

2.2.2NEHRP Provisions

1971年San Fernando6.5地震使許多采用最新抗震設計規定設計建造的房屋遭到嚴重破壞，使美國意識到地震問題的嚴重性，以及現有抗震設計理念和方法存在的缺陷，從而促成“國家地震災害減輕計劃”（National Earthquake Hazard Reduction Program）于1978年設立，簡稱NEHRP。NEHRP以減輕地震災害帶來的生命和財產損失為長期目標，支持了許多基礎和實際應用方面的研究項目，也獲得了大量重要成果，其中就包括美國應急管理局（FEMA）下屬的建筑地震安全委員會（BSSC）在ATC 3-06報告基礎上開發的技術文件“NEHRP新建筑與其它結構抗震條款建議”（NEHRP Recommended Seismic Provisions for New Buildings and Other Structures，簡稱NEHRP Provisions）。NEHRP Provisions的出現，極大地改變了美國建筑模式規范和標準的格局，使得復雜的模式規范和標準體系逐步地走向統一。

NEHRP Provisions正式頒布于1985年，早期為3年更新1版，因其權威性、先進性以及廣泛的適用性，很快該源文件就被后續更新的一系列模式規范、標準所采納。1993 NBC、1994 SBC規范采納1991版NEHRP Provisions，2000年發布UBC、NBC和SBC這3大模式規范統一后的IBC規范，采納了1997版NEHRP Provisions，此后IBC規范每間隔3年均基于最新的NEHRP Provisions進行更新。1998年以后各版ASCE 7標準也均基于最新版NEHRP Provisions進行更新。2003年第一版NFPA 5000規范發布，完整采納了ASCE 7-02標準，實際上源自2000版NEHRP Provisions。

NEHRP Provisions自2003版以后其更新周期為5年，同時，考慮到與標準更好地銜接，NEHRP Provisions 2009版開始直接采用ASCE 7-05標準的原始條文（包括編號和格式），并在此基礎上直接進行增補、更新和調整，直接作為下一版ASCE 7-10標準的條款供審查（FEMA，2009），兩者的關系已經你中有我，我中有你，密不可分。

2.2.3IBC規范和NFPA5000規范

建筑模式規范是一部完整的建筑規范，內容包括建筑設計、建造的諸多方面，以2012年版IBC規范為例，規范內容涉及管理與實施、建筑使用分類與特殊措施、結構分類、火與煙霧防護、內裝修、消防系統、疏散措施、無障礙設施、照明通風等室內環境、節能和生命安全設施，結構設計、結構試驗與檢測、土層與地基、各類建筑材料使用、電力系統、上下水系統、電梯、建造安全等等（ICC，2012）。建筑抗震設計的內容主要包含在“結構設計”一章的相關要求中。

模式規范中的結構設計，技術規定最主要包括設計要求、荷載組合與荷載確定兩部分。設計要求主要規定建筑、結構及其部件的設計和建造的控制性原則和要求，往往在設計計算分析的相關要求中規定對側向地震力導致結構倒塌破壞的分析要求。規范中的荷載確定部分，對重要荷載之一的地震荷載（Earthquake Loads）給出了專門的詳細規定。例如，IBC規范在16章結構設計中，專門在1613節規定了地震荷載的確定與應用（ICC，2012）；NFPA 5000規范在35章結構設計中，專門在35.10節規定了地震荷載的確定與應用（NFPA，2009）。

但無論是IBC規范還是NFPA 5000規范，其中對地震荷載的規定，均完全引自美國國家標準ASCE 7。

3　美國建筑抗震設計中設計地震動的確定

美國建筑設計模式規范中抗震設計采用的設計地震動取值的相關規定均引用ASCE 7標準。ASCE 7當前的最新版本為2010年版ASCE 7-10，是在NEHRP Provisions 2009版基礎上編制完成的，2個文件中關于設計地震動參數取值的相關規定基本一致。

3.1NEHRP Provisions設計地震動的基本理念

通過多年的抗震實踐，地震工程學家們認識到，建筑的地震安全性除了取決于明確的設計地震動以外，還取決于一系列其它關鍵因素的處理，如結構設計標準、分析和程序、抗震措施、材料以及建造質量等，各方面的綜合影響使實際經抗震設計后的結構在遭遇超過設計水平的地震動作用時，也不會發生倒塌而導致生命的重大損失，這種性質稱作“抗震裕度”，其提供了防御超過設計地震動的、發生概率更低的、更大的地震動的能力（FEMA，1998）。這一理念逐漸被發展中的NEHRP Provisions采納，使得美國的建筑抗震設計進入了一個新階段。

以NEHRP Provisions 1997版為重要標志，NEHRP Provisions在設計地震動確定方面出現了幾個重要變化：①設定建筑抗震性能的最高目標，即最大考慮地震（Maximum Considered Earthquake，簡稱MCE），要求建筑遭受不超過MCE地震動時應保持較低的倒塌概率，MCE地震動水平大致相當于50年超越概率2%（約2500年一遇）；②明確了設計級地震動與MCE地震動的關系與建筑抗震裕度相關，建筑要達到抗御MCE地震動的能力，需綜合抗震設計和其固有的抗震裕度，設計級地震動的1.5倍就是MCE地震動；③采用MCE地震動5%阻尼加速度反應譜0.2s和1s周期點譜值編制抗震設計地震動圖；④抗震設計地震動圖以地震危險性圖為基礎編制，在加州沿岸地區采用確定性方法依活動斷層特征地震確定MCE地震動，其他地區采用概率方法依50年超越概率2%地震動確定MCE地震動（FEMA，1998）。

NEHRP Provisions的上述理念，以及其推薦的結構分析方法，實際將設計地震動分成了最大考慮地震地震動、設計級地震動、地震反應地震動3個目標層次，分別控制不同的抗震設計目標：

最大考慮地震（MCE）地震動是NEHRP Provisions中出現的重要概念，它代表了結構設計中應考慮能夠抗御的最高地震動水平。之所以是“考慮”，而不是“設計”，是因為該抗震目標的達成，除了經抗震設計獲得的抗御能力外，建筑結構本身固有的抗震裕度也提供部分抗御這一地震動的能力。MCE地震動用于控制建筑結構的強非線性變形。

設計級地震動（Design-Level Seismic Ground Motion）在NEHRP Provisions中用于控制結構弱的非線性位移的允許限值，用以保證建筑不進入強的非線性變形狀態。它是MCE地震動的2/3。

地震反應地震動（Seismic Response Ground Motion）在NEHRP Provisions中用于控制結構的彈性變形允許值。建筑結構體系的延性、阻尼等性能，也可以吸收消耗掉一部分地震力，因此，真正用于抗震設計結構反應分析計算的地震力，只取決于結構消耗吸收后剩余的地震力，相應的地震動是在設計級地震動基礎上經耗能折減后得到的，是造成結構地震反應的地震動。

NEHRP Provisions的根本目的是防御常規建筑和結構在地震動作用下產生破壞而導致嚴重的人員傷亡，滿足NEHRP Provisions抗震設計規定的建筑結構，其最高抗震性能能夠達到抗御MCE地震動作用而不倒塌。NEHRP Provisions 2009版也具有同樣的抗震設防目標，但其重新定義了抗震設計所考慮的最大地震作用，提出了基于目標風險的最大考慮地震（Risk-Targeted MCE，簡稱MCER）概念。MCE提出并在抗震設計中運用了十多年后，地震工程學家認識到由于地震危險性曲線斜率的差別，以及難以避免的一些客觀因素（如材料質量、建造水平等等）導致建筑倒塌率的不確定性，全美各地依MCE設計的建筑在遭遇到MCE級別的地震動作用時，不能保證建筑倒塌風險是一致的。為此，提出以MCER取代MCE作為建筑抗震設計最大考慮地震作用。MCER是滿足50年倒塌概率1%風險目標的最大考慮地震，它的確定綜合了概率地震危險性曲線與地震作用下結構倒塌率的不確定性分布（Luco等，2007）。采用MCE地震動進行抗震設計，能夠保證全美范圍內經抗震設計后的建筑結構具有抗御同等風險的地震危險性的能力，但難以保證全美一致的抗倒塌能力，而采用MCER地震動進行抗震設計，目標是保證經抗震設計的建筑能夠達到全美一致的倒塌防護水平（FEMA，2009），這是NEHRP Provisions 2009版相較以往版本變化較大之處。

3.2NEHRP Provisions 2009設計地震動取值的相關規定

（1）NEHRP Provisions 2009的抗震設計地震動圖

美國建筑設計模式規范、共識標準和源文件中的地震動圖，可稱為抗震設計地震動圖（也可稱為抗震設計圖），是在美國地質調查局（USGS）編制的國家地震危險性圖（National Seismic Hazard Maps，簡稱NSHM）基礎上編制的（Leyendecker等，1995）。抗震設計地震動圖往往包含多張圖，反映設計相關的地震動參數或關聯的系數。

上一版NEHRP Provisions 2003中，抗震設計地震動圖包含了MCE地震動圖和長周期段轉換周期TL圖2種圖件（FEMA，2004），而NEHRP Provisions 2009的抗震設計地震動圖相較以往版本變化較大，包括了以下5種圖件：

①概率一致地震動（Uniform-Hazard Ground Motion，UHGM）圖，UHGM圖為B類場地50年2%超越概率5%阻尼比地震動加速度反應譜0.2s和1s周期譜值圖；

②風險系數（Risk Coefficients，R）圖，R圖為地震動加速度反應譜0.2s和1s周期處R分布圖；

③確定性地震動（Deterministic Ground Motion，DGM）圖，DGM圖為B類場地5%阻尼比確定性地震動加速度反應譜0.2s和1s周期譜值均值圖；

④長周期段起始周期（Long-Period Transition，TL）圖，TL圖為加速度反應譜長周期段起始周期TL分布圖；

⑤MCE幾何平均峰值加速度PGA圖（MCE geometric mean PGA，MCEG），B類場地MCEG分布圖。

這套圖中，風險系數是NEHRP Provisions 2009中新定義的概念，R定義為概率方法計算得到的基于目標風險的地震動（Risk-Targeted Ground Motion，簡稱RTGM）與概率一致地 震動UHGM之比，即（FEMA，2009）。

（2）NEHRP Provisions 2009中規定的MCER地震動參數的確定

NEHRP Provisions 2009中MCER地震動參數，包括地震動加速度反應譜短周期段譜值S、1s周期譜值1，這一表示與以往版本MCE地震動參數的表示是一致的，但內涵有差別。

MCER地震動參數確定步驟如下（FEMA，2009）：

①讀取抗震設計地震動圖參數

分別依據UHGM圖確定B類場地50年2%超越概率5%阻尼比地震動加速度反應譜0.2s和1s周期譜值，作為UHGM地震動加速度反應譜短周期段譜值SUH和1s周期譜值1UH。分別依據R圖確定地震動加速度反應譜0.2s和1s周期的R值，作為地震動加速度反應譜短周期段譜風險系數值RS和1s周期風險系數值R1。分別依據DGM圖確定B類場地5%阻尼比確定性地震動加速度反應譜0.2s和1s周期譜值，作為DGM地震動加速度反應譜短周期段譜值SD和1s周期譜值1D。

②確定標準場地MCER地震動參數

標準場地是指NEHRP Provisions中抗震設計地震動圖采用的B類場。

概率方法目標風險地震動加速度反應譜短周期段譜值為RS·SUH，確定性方法地震動加速度反應譜短周期段譜值為SD，取兩者中的小值，作為標準MCER地震動加速度反應譜短周期段譜值S。

概率方法目標風險地震動加速度反應譜1s周期譜值為R1·1UH，確定性方法地震動加速度反應譜1s周期譜值為1D，取兩者中的小值，作為標準MCER地震動加速度反應譜1s周期譜值1。

③確定場地MCER地震動參數

依照場地類別確定場地調整系數（表1，表2），按式（1）和式（2），確定場地MECR地震動加速度反應譜短周期段譜值MS和1s周期譜值M1：

表1　場地調整系數Fa（FEMA，2009）

表2　場地調整系數Fv（FEMA，2009）

（3）NEHRP Provisions 2009中規定的設計級地震動反應譜的確定

在NEHRP Provisions 1997—2003各個版本中，基于抗震裕度的研究結論，將設計級地震動均規定為MCE地震動的2/3（FEMA，1998）。NEHRP Provisions 2009版中以MCER地震動取代了MCE地震動，設計級地震動取為MCER地震動的2/3。

①確定設計級地震動加速度反應譜參數

場地設計級地震動加速度反應譜短周期段譜值DS和1s周期譜值D1可根據式（3）和式（4）確定：

②確定設計級地震動加速度反應譜a

NEHRP Provisions 2009版建議的標準設計譜為圖1所示的4段式加速度反應譜曲線，各段表達式如下：

（4）地震反應地震動的確定

抗震設計需要通過結構分析計算來確定建筑抗地震力系統抗御給定的輸入地震動需要結構達到的強度、剛度、能量耗散能力等物理指標。NEHRP Provisions 2003中規定了允許采用的結構分析方法包括等效側向力分析（Equivalent Lateral Force Analysis）、模態反應譜分析（Modal Response Spectrum Analysis）和地震反應時程分析（Seismic Response History Procedures），ASCE 7-05標準采納了同樣的規定（ASCE，2006），NEHRP Provisions 2009中沒有相關的內容，表明在ASCE 7-10中延續ASCE 7-05版同樣的規定（ASCE，2010）。

這3種結構分析方法在實施中都涉及計算輸入地震動的確定，這一地震動是結構必須依賴其自身的強度、剛度和耗能能力來實際對抗的，ASCE 7和NEHRP Provisions中并未給出一個明確的稱謂，本文考慮該地震動是用于結構地震反應分析的輸入地震動，因此，將其稱為“地震反應地震動”（Seismic Response Ground Motion），簡化表示為C，其反應譜標定方法可表示如下（FEMA，2004；ASCE，2006，2010）：

式中，為反應調整系數（ASCE 7-10中值為1—8），反映設計采用的抗震結構體系固有的耗能特性，一般越柔性的結構越大，其作用相當于對設計級地震動a的折減；e為地震重要性因子（ASCE 7-10中e值為1—1.5），建筑越重要且地震破壞的危害越大，其地震重要性因子也越大，其作用相當于對a的放大。理論上，C不一定比a小。

等效側向力分析（Equivalent Lateral Force Analysis）中，取C的地震動短周期段譜值（0.2s）來確定地震基底剪力，稱為地震反應系數（Seismic Response Coef?cient）S（FEMA，2004；ASCE，2006，2010）。

（5）NEHRP Provisions 2009中場址相關的MCER地震動計算方法

NEHRP Provisions 2009中，還規定了針對特定場址進行MCER地震動參數計算的方法，步驟為（FEMA，2009）：

①概率方法計算基于目標風險的地震動反應譜

概率方法估計規定了2個方法：方法一是進行場址概率地震危險性分析獲得50年2%超越概率5%阻尼比地震動反應譜，再查閱抗震設計地震動圖中的R圖，獲得不同周期點R值，計算得到場址基于目標風險的地震動反應譜；方法二是對概率地震危險性分析得到的場址相關的概率地震危險性曲線與一個滿足均值倒塌率10%、方差0.8的對數正態分布的倒塌率概率密度函數進行積分，得到場址相關的地震動倒塌風險性曲線，設定50年倒塌概率1%為目標風險，計算得到場址基于目標風險的地震動反應譜（Luco等，2007）。

②確定性方法計算基于目標風險的地震動反應譜

確定性方法由活動斷裂特征地震震級直接計算場址5%阻尼比地震動反應譜，并以84%分位數地震動估計值（大致為均值的1.8倍）乘以方向系數（加速度反應譜0.2s和1s周期方向系數分別為1.1和1.3），得到場址基于目標風險的地震動反應譜。

③確定場址相關的MCER地震動反應譜

在地震動加速度反應譜的每個周期點上，取概率方法計算得到的基于目標風險的地震動反應譜值與確定性方法計算得到的基于目標風險的地震動反應譜值中的小值，得到場址相關的MCER地震動反應譜。

3.3ASCE 7-10中設計地震動取值的相關規定

ASCE 7-10標準提供了符合美國建筑規范規定的建筑和其它結構設計的最小荷載規定、強度設計和允許應力設計的荷載與荷載組合。ASCE7-10標準共列31章、4個附錄，地震與風荷載及相關設計規定是主要內容（11章至23章、附錄11A和11B），給出了有關地震荷載與抗震設計的詳細規定，涉及抗震設計準則、設計地震動參數確定、重要性因子和風險級別、抗震設計分類、建筑結構抗震設計要求、材料相關的抗震設計與構造措施要求、非結構構件與構筑物抗震設計要求和結構地震反應時程分析等內容。標準中的第11章規定了依據抗震設計地震動圖確定場地設計地震動參數的方法，第21章規定了依據場址地震危險性和工程地質條件確定場址相關設計地震動參數的方法，第22章給出了標準中采用的抗震設計地震動圖，這3章是ASCE 7-10標準中涉及設計地震動參數取值的主要條文（ASCE，2010）。

由于NEHRP Provisions 2009的編排完全是針對ASCE 7-10更新的，因此，ASCE 7-10版地震荷載與地震反應分析相關規定相對ASCE 7-05版的變化之處，基本上采納了NEHRP Provisions 2009版的相關內容，但是對抗震設計地震動圖做了調整，將NEHRP Provisions 2009版中的概率一致地震動圖（UHGM）和確定性地震動圖（DGM）合并，直接給出基于風險目標的最大考慮地震（MCER）地震動圖，因此，ASCE 7-10采用的抗震設計地震動圖包括了：

（1）基于風險目標的最大考慮地震（MCER）地震動圖，該圖為B類場地MCER地震動加速度反應譜（5%阻尼比）0.2s周期譜值S和1s周期譜值1分布圖；

（2）風險系數（Risk Coefficients，R）圖，該圖為地震動加速度反應譜0.2s周期風險系數RS和1s周期風險系數R1分布圖；

（3）長周期段起始周期（Long-Period Transition，L）圖，該圖為地震動加速度反應譜長周期段起始周期L分布圖；

（4）最大考慮地震峰值加速度PGA幾何值（MCE Geometric Mean PGA，MCEG）圖，該圖為B類場地MCEG分布圖。

由于ASCE 7-10可以直接讀取MCER地震動值，因此，ASCE 7-10標準規定的抗震設計地震動參數取值比NEHRP Provisions 2009更加簡略，直接讀取標準場地（B類場地）MCER地震動參數，然后完成場地設計地震動參數的確定（參見本文3.2節（2）、（3）、（4））。場址相關MCER地震動參數的確定與NEHRP Provisions 2009版規定一致（參見本文3.2節（5））。

4　總結

當前美國建筑設計法規由地方法律、“模式規范”（Model Code）、“共識標準”（Consensus Standard）和“源文件”（Resource Document）構成了穩定又充滿活力的體系結構，既保證建筑設計與方法的標準規范化和全國范圍內建筑的安全性，同時，也能夠保持標準的不斷進化與發展，新技術與新方法的不斷涌現與應用，在穩定與發展之間保持了非常好的平衡。

具體到建筑抗震設計法規，美國也基本上形成了NEHRP Provisions→ASCE 7→IBC和NPFA 5000規范→地方法規的建筑抗震設計法規鏈。其中NEHRP Provisions具有重要的基礎地位，新的改進首先體現在NEHRP Provisions中。ASCE 7標準是中間關鍵環節，它通過國家標準嚴格的標準審查程序，檢驗和審查新的技術和方法改進，并決定是否真正納入標準。模式規范是一個門戶，引導建筑抗震設計的專業人員正確地引用技術標準和理解規范要求。地方法規立法，確保了抗震設計技術標準與規范的落實與強制性實施。美國雖然沒有統一的建筑抗震設計規范，但建筑的抗震設計法規條款實際上已經在NEHRP Provisions基礎上得到統一。

美國建筑抗震設計在設計地震動方面最新的進展，是將建筑抗震設防的最高目標由最大考慮地震MCE，調整為基于目標風險的最大考慮地震MCER，反映出抗震設計的目標由保證全美范圍內經抗震設計后的建筑結構具有抗御同等風險地震危險性的能力，調整為具有一致的倒塌防護水平。

美國建筑抗震設計法規中的各級別設計地震動參數均由最高級別MCER地震動控制，從方法上能夠很好地保證終極倒塌防護設計目標的實現。

FEMA最新發布的NEHRP Provisions 2015版，針對ASCE 7-10標準的相關章節條文進行調整、修改和補充，將作為新的ASCE 7-16的源文件。相較NEHRP Provisions 2009版，NEHRP Provisions 2015版在確定設計地震動參數方面，基本是繼承和延續，僅在抗震設計地震動圖的內容方面采納了ASCE 7-10做法，刪除了概率一致地震動圖（UHGM）和確定性地震動圖（DGM），而直接給出基于目標風險的最大考慮地震MCER地震動圖（FEMA，2015）。NEHRP Provisions 2009版帶來的設計地震動參數方面的變化，將在抗震設計上維持10年以上的時間，以期待出現新的、安全性和應用性上更加理想的設計地震動概念，FEMA當前正在積極開展針對下一版NEHRP Provisions 2020版更新的技術研究，預計在設計地震動參數方面會帶來新的發展與變化。

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Building Anti-seismic Design Regulations in the United States and Its Approach to Ground Motion Design

Zhang Meng, Pan Hua and Li Jinchen

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration，Beijing 100081, China)

In this paper, we introduced the evaluation of building seismic design regulation, and some typical codes, standards and documents of the United States.We also discussed and analyzed the new insights into design ground motion parameters, different levels design ground motion connected with difference design performance, the concept of Risk-targeted Maximum Consider Earthquake, and all that technical developments in the US building codes and standards.Then, the provisions about seismic design ground motion are summarized.The purpose of this paper is clearly to reveal the relation of regulatory requirements on building seismic design in the United States from complex system including building codes, consensus standards and the usage of seismic design ground motion. The research work in this paper will be helpful for the seismic design ground motion in China.

Building seismic design; Seismic design ground motion; Model code; Consensus standard; NEHRP Provisions; ASCE 7; MCER

2017-02-21

張萌，男，生于1991年。碩士研究生在讀。主要從事地震危險性概率分析方面的研究。E-mail：zmgeophysics@ 163.com

潘華，男，生于1966年。研究員。主要從事地震活動性、地震危險性分析、地震區劃方面的研究。E-mail：panhua. mail@163.com

張萌，潘華，李金臣，2017．美國建筑抗震設計的法規體系與設計地震動的確定．震災防御技術，12（2）：306—318． doi：10.11899/zzfy20170207