淺談中國抗震規范與美國抗震規范的差別

文/姜坤 山東省膠東調水工程招遠管理站 山東煙臺 265400

我國抗震設計規范（GB50011-2001）在其指導設計人員對我國建筑結構進行抗震設計時存在部分問題。多年來，我國不斷發生的地震造成了國家和人民財產損失和傷亡。被埋在倒塌的廢墟下生命為數眾多，一直刺痛著我國建筑結構設計人員的心。為了讓建筑能夠保障人民生命安全，在災難來臨時與死神搶奪救援時間，爭取救援機會，參考國外建筑抗震設計規范來補充和完善我國建筑抗震規范是有積極意義的。

1、抗震設防目標

我國建筑抗震設計規范（GB50011-2001）從經濟方面設定的“三個水準”設計目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，美國規范（IBC2006）從生命安全方面明確提出所有建筑設計的最低目標：在結構受地震作用時保護生命安全。

美國規范的出發點更注重人的生命安全，更加人性化。而我國規范更傾向于最經濟的原則。當設計人員以生命安全為設計目標時，所有關鍵決策的問題和各種限制條件就有優先性，他們以生命安全為首要條件，而最經濟的原則作為次之。中美規范的設計原則看似接近，但對設計人員而言，美國規范會更清楚結構在地震時非彈性的表現，就會采取具體的延性構造措施。而正是這些延性構造措施在地震時保護人的生命，為救援和逃生提供了相對充足的時間。

2、抗震設防分類和設防標準

中國抗震規范規定建筑應根據其使用功能的重要性分為甲類、乙類、丙類、丁類4個抗震設防類別。規范要求甲類建筑設計地震作用和抗震措施都應高于本地區抗震設防烈度的要求，乙類建筑地震作用應符合本地區抗震設防烈度的要求，但抗震措施應相應提高。從規定來看，醫院，消防以及緊急指揮中心應歸于乙類建筑。大部分學校應歸于丙類建筑。

美國規范規定所有的建筑物必須有一個居住類別，這個類別在風、雪、洪水和地震等荷載規范中都有應用。IBC2006的地震荷載規范規定每個建筑都按居住類別確定一個重要系數。Ⅳ類建筑的重要系數是1.5，Ⅲ類是1.25，I類和Ⅱ類是1.0。建筑結構的地震水平荷載與重要系數成正比。

由此得出結論：對于不能算作重大建筑工程的醫院、學校、消防站等建筑，如果按中國規范計算，其抗震設計與臨近的民用商用建筑相同。而如果按照美國統一規范計算，這些建筑的抗震設計是臨近的民用商用建筑的1.25或1.5倍。

3、建筑結構的規則性

中國規范和美國規范都對規則與不規則結構做了定量的劃分，并規定了不應在抗震結構中采用嚴重不規則的設計方案。IBC2006規定結構的每個垂直方向都必須算出一個贅余系數，這個系數的大小取決于結構是否有多道抗震防線。對于擁有多道抗震防線，結構布置均勻對稱的結構，冗余系數=1.0。而對于擁有抗震防線較少或不均勻布置的結構，贅余系數=1.3。

由此得出結論：美國IBC規范中提出的贅余系數概念，被用來在荷載組合中乘以地震作用，這就進一步提高了不規則結構在地震作用下保證生命安全的能力。而加州特別規范中關于結構規則性的一些強制規定也避免了房屋倒塌和人員傷亡。

4、建筑結構傳力途徑

我國抗震規范規定結構體系應有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳力途徑。但是沒有詳細說明應怎樣保證合理的傳力途徑。IBC2006中規定：樓蓋與樓板必須按照指定的樓蓋設計橫向力當作抗剪和抗彎構件來設計。抗剪即像剪力墻一樣計算和設置抗剪配筋，抗彎即像深梁一樣計算彎矩，設置上弦與下弦配筋來抵抗彎矩。地震橫向力由收藏單元從樓蓋傳遞給豎向抗震構件。這些收藏單元和相關的鏈接必須按照乘以超載系數的設計力來計算，也就是說收藏單元在設計地震下保持彈性以保證橫向力的有效傳遞。在剪力墻與樓蓋的澆筑連接處，必須計算剪摩擦以保證剪力的傳遞。對于結構基礎而言，必須計算推翻效應。對于結構承重墻，必須計算其垂直于墻面方向的外向力，驗算墻與樓蓋的錨固以保證承重墻在地震時持續承重，避免樓蓋倒塌。

由此得出結論：在IBC2006中有具體的條例和計算公式來保證設計橫向力能被傳遞到建筑的基礎。隨著我國抗震經驗的增加，建議下一版規范可對于保證傳力途徑的合理性給出具體的相關公式。

5、砌體結構抗震設計與構造措施

砌體結構是中國學校常用的結構體系，特別常見的是無筋砌體剪力墻與混凝土構造柱圈梁的結合。抗震規范規定了砌體抗震墻、混凝土構造柱和圈梁的設計與構造措施。IBC2006的砌體結構設計基本引用砌體結構規范ACI530。該規范的抗震章節規定了5種砌體抗震墻結構體系及其應用范圍。這5種體系是：（1）無筋砌體墻結構，(2）有構造措施的無筋砌體，(3）普通配筋砌體墻，(4）中型配筋砌體墻，(5）特殊配筋砌體墻。特殊配筋砌體墻要求墻內有一定數量的均勻的水平和豎向配筋，豎向配筋的最大間距不超過48英寸(1.22m)，并且不超過三分之一的墻寬或墻高。另外墻頂和洞口處都應有加強鋼筋。

比較中國和美國砌體抗震規范，最基本的一條是設計剪力。美國規范應用延性設計原則，將中震下的設計荷載用延性系數R來折減到彈性階段。對于砌體結構，延性系數 取在1.5～5之間。有構造措施的無筋砌體延性系數僅為2。這也就是說設計剪力要比延性好的結構體系要高得多。中國規范應用小震作用作為彈性設計剪力，所有的結構體系都相同。對于砌體結構應用小震作用并不能保證在中震或大震下的安全表現。

由此得出結論：混凝土構造柱圈梁對無筋砌體墻提供的延性也許并不與其設計剪力相匹配。如果我國規范下一版能對這一點加以考慮，應該能提高砌體結構在中震和大震時的抗震表現。

總結：

綜上所述，中國抗震規范比較詳細的規定了建筑結構抗震設計的原則與各類結構設計的條規。按照規范設計施工的建筑應能保證小震不壞，大致能夠預期中震可修，但對于大震不倒的設計目標在汶川地震中沒有全部得到實現。本文僅從中外的抗震規范對比來重點探討國外規范可以參考之處，眾所周知任何設計規范都是從實踐和教訓中得到提高和完善。中國抗震規范也是基于地震震害的教訓和經驗的總結，還有待完善和提高。另外中國規范較早的版本考慮早期經濟投入因素較重，其后的版本對經濟考慮也較重。建議隨著經濟水平的提升，修訂抗震規范考慮的側重點應從經濟因素轉向生命安全因素，盡量保證人民生命安全的需求。