中國抗震規范與歐洲規范8的對比研究

夏子祺 呂西林 蔣歡軍

（1.同濟大學結構防災減災工程系，上海200092；2.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092）

0 引 言

作為一種破壞性巨大的突發、續發性自然災害，地震給人民的生命財產安全造成了極大的威脅［1］。不同國家地區的經濟狀況、地質條件、震害強弱不一，便有了各國各區獨有的抗震設計規范。我國抗震規范針對混凝土結構的設計大多是通過試驗和理論分析相結合的半經驗或經驗公式，而歐洲編制的規范則會較多強調概念模型，因此通過和他們編制的規范對比分析，可以對條款原理和背景有更清晰的認識。另外，自改革開放以來，我國與歐洲乃至世界的合作逐漸增多，一些國際項目的出現也導致我們必須考慮中外建筑抗震設計規范的差異。

1 設計原則

1.1 抗震設計目標與安全性驗算

抗震設防目標，是指結構經過抗震設防設計，在地震作用中以一定滿意的概率實現保障生命安全、重要結構可操作、減少經濟損失的目標。由于不同國家的國情和經濟發展狀況不同，所確定的概率及目標會有些許差異。將中歐規范設防標準的具體要求對比如下［2-3］。

從上文及表1的描述分析可得［5］：

（1）中國規范小震和歐洲規范的破壞界限要求的抗震設防要求基本一致，但中國規范的重現期為50年，而歐洲規范為95年，故在此水平上歐洲規范更為嚴格一些。

（2）中國規范和歐洲規范的第二階段重現期一致，但是歐洲規范僅要求不倒塌，中國規范要求修理后還可繼續使用，因此在此水平上中國規范要求更為嚴格一些。

（3）中國規范有基于強震的“大震不倒”的要求，而歐洲規范則沒有此階段的要求。

中國抗震規范與歐洲規范不同地震水準下的驗算要求，目前主要采用的仍是基于反應譜的力和變形驗算。對比如表2所示［4］。

表1 中歐抗震設防目標對比表Table 1 Comparison of seismic performance objectives

表2 中國抗震規范與歐洲規范不同地震水準下的驗算要求Table 2 Comparison of seismic design procedures

2 安全性驗算

2.1 概述

針對基于力的設計方法，主要分為構件力驗算和層間位移驗算。

其中構件力部分，主要圍繞下式展開［6］，另外對于中國規范，引入承載力調整系數，對不同結構的延性進行考慮［7-8］。

而彈性位移部分，中國規范主要是驗算50年重現期下的層間位移角，而歐洲規范則是基于95年重現期進行驗算。

2.2 場地類型和反應譜

在不同的場地土上，建筑物的震害差異十分明顯。因此各國規范都對建筑物修建的場所土壤類型進行劃分，并對不同場地提出了相應的設防計算要求。

兩本規范均提到了平均剪切波速的計算，但是兩者略有差異，將其對比如下：

為進行直觀對比，統一將中國規范的平均剪切波速換算為30 m范圍內，假定：①覆蓋層以下波速為500 m∕s。②最低波速為70 m∕s；對計算關鍵位置的點坐標進行計算。由圖1可見，中國規范的Ⅱ類土與歐洲規范的B、C類土大致相當。

表3 中國規范與歐洲規范場地類型對比Table 3 Comparison of basic information of site category

表4 中國規范與歐洲規范平均剪切波速對比Table 4 Comparison of calculation of equivalent shear wave velocity

現假定軟弱層在最頂層，其波速從51 m∕s到251 m∕s變化，為方便中歐抗震規范對比，規定軟弱層下波速為500 m∕s，即中國抗震規范計算深度為軟弱層厚。繪制兩本規范計算的土壤類型隨軟弱層厚的變化對比如圖2所示。

圖1 中歐場地類別對照圖Fig.1 Comparison of site category

圖2 中歐場地類別對照圖Fig.2 Comparison of site category

從圖2中可見，當軟弱層波速較小時，中國規范大概率會將場地劃分為次差的III類土，而歐洲規范則大概率會劃分為最差的S類土。中國規范在30m厚度后仍會有場地種類的變化，而歐洲規范不變。中歐規范對軟弱層厚度要求均隨著波速的增大逐漸放寬，但歐洲規范更為明顯。

中歐規范的設計反應譜對比如表5、表6所示。

表5 中國規范與歐洲規范加速度設計反應譜對比（1）Table 5 Comparison of acceleration design spectrum（1）

表6 中國規范與歐洲規范加速度設計反應譜對比（2）Table 6 Comparison of acceleration design spectrum（2）

為直觀對比，假定一棟多層多跨混凝土框架結構，場地類別為中國Ⅱ類∕歐洲B類，地面運動峰值加速度為中國規范0.2g，阻尼比按0.05考慮，進行中國規范在設計地震分組1，2，3以及歐洲規范1類中、高延性下的彈性反應譜和設計反應譜對比計算。

對彈性反應譜進行對比（圖3）分析如下：

（1）歐洲規范平臺值大于中國規范，主要是由于動力放大系數的不同引起的。

（2）歐洲規范下降速度明顯大于中國規范，因此雖然平臺值高于中國規范，后期會逐漸縮小差距最終小于中國規范。

圖3 中歐彈性反應譜對照圖Fig.3 Comparison of elastic acceleration response spectrum

對設計反應譜進行對比（圖4）分析如下：

圖4 中歐設計反應譜對照圖Fig.4 Comparison of design acceleration response spectrum

（3）歐洲中延性平臺寬度大于中國規范，因此雖歐洲規范平臺值較低，但由于平臺范圍廣，隨著周期的增加地震作用逐漸超過了中國規范1、2設計地震分組的作用力。

（4）中國規范地震作用下降速率較慢。歐洲規范雖下降快，但在長周期內設置限值，中國規范并未在此限值，因此長周期地震作用小于歐洲規范。中國規范是通過最小基底剪力保證長周期結構設計安全。

（5）對于自振周期較短的結構，如砌體結構，中國規范的地震作用相對較高，10%～20%，偏于安全；對于較長周期的結構，如鋼結構，中國規范的地震作用相對較低。

2.3 重力荷載代表值

重力荷載代表值，是指在抗震設計時具有重力性質的荷載，應取結構和構配件自重恒載標準值和各活載組合值之和，即∑Gkj+∑ψEi·Qki［12］。

中國規范給出了各類活載組合系數值，而歐洲規范則是根據建筑物種類的不同，在準永久值系數的基礎上，根據結構構件的位置，對活載進行折減，計算公式為

式中，ψ2i為活載的準永久值組合，各國使用的φ值可以在相應的國家附錄中查得。

綜上所述，對于居住區域活載，總結中國和歐洲規范的系數（表7）。

表7 常見中歐重力荷載代表值活載組合情況Table 7 Comparison of common coefficient of live load in representative value of gravity load

對于樓面和屋面活載取值，歐洲規范所取的最小值一般低于中國規范，但建議值一般高于或等于中國規范［13］。就居住區域活載而言，中國規范和歐洲規范設定的活載標準值均為2 kN∕m2，但是組合值系數歐洲規范要遠小于中國規范，因此歐洲規范計算的重力荷載代表值較小。具體程度與恒活載的比例有關，活載占比越多，歐洲規范的重力荷載代表值越偏小，范圍為0.80～1。

2.4 荷載組合系數和材料安全系數

將中歐荷載分項系數進行對比，如表8所示。

表8 中歐地震工況下荷載分項系數Table 8 Comparison of load combination partial factors

就地震工況而言，中國規范分項系數均大于歐洲規范分項系數，說明在此方面中國規范較為保守。

材料安全系數，歐洲規范認為用來考慮往復變形導致的材料強度退化與地震荷載發生的低概率性可相互抵消，因此采用永久和短暫工況的系數，中國規范則不區分工況。就地震荷載工況而言，中國規范的分項系數均小于歐洲分項系數，說明在此方面中國規范折減較小。

將二者對比如表9所示。

表9 中歐不同工況下材料分項系數Table 9 Comparison of material partial factors

此外，中國規范規定，框架梁、柱在小震設計時，應滿足下式：

式中，γRE為小于1的承載力抗震調整系數，相當于對計算的抗力進行放大。主要是考慮到地震工況概率較低，以及在動荷載下結構材料強度的增加。

3 算例計算

3.1 基本信息

本文研究僅限于討論鋼筋混凝土多層多跨框架結構的對比結果。分別完成了中國規范和歐洲規范中延性（q=3.9）、高延性（q=5.85）結構地震作用對比以及中國規范和歐洲規范中延性結構的配筋對比計算。計算方法采用底部剪力法，雖歐洲規范中稱之為側向力分析法，但計算思路基本一致，故本文中統稱為底部剪力法。結構為6層現澆鋼筋混凝土框架結構，層高3.3 m，建筑總高為19.6 m，自振周期0.7 s（圖5）。

圖5 典型樓層平面圖（單位：mm）Fig.5 Structural plain layout of typical floor（Unit：mm）

中歐規范在材料強度、分項系數上均有差異（表10）。由于中歐規范在材料強度定義上有所區別，中國規范為棱柱體抗壓強度，歐洲規范為圓柱體抗壓強度，故采用統一的立方體強度進行設計，將其材料信息對比如下：

歐洲規范材料分項系數都大于中國規范，折減較大。但歐洲規范用于計算的圓柱體抗壓強度大于中國規范用于計算的棱柱體抗壓強度，所以數值上有一定抵消。

3.2 層間位移驗算

按照中歐規范規定，計算重力荷載代表值對比如下所示：

計算重力荷載代表值時，中國規范規定，樓面均布活載和雪載的組合系數均取0.5，而歐洲規范樓蓋雪載系數為0.2，樓層活載系數為0.24，最終二者相差約4.3%（表11）。

對中國規范和歐洲規范計算的地震作用進行對比，如圖6所示。

由于中國規范考慮了頂部附加地震作用，故頂層地震作用約比歐洲規范大38%。可見，在考慮高階振型的影響時，歐洲規范的近似計算方法偏于不安全，可采用動力分析方法，按照實際振型分配層間剪力［14］。

表10 框架材料強度表Table 10 Material srength of the frame structure

表11 中歐規范重力荷載代表值表Table 11 Comparison of representative value of gravity load

圖6 地震作用對比圖Fig.6 Comparison of seismic action

對于層間位移角，歐洲規范通過對設計反應譜計算的475年重現期位移進行放大和重現期折算所得（表12）。歐洲規范規定，除非對開裂桿件采取更為精細的分析，否則，混凝土構件的彈性彎曲和剪切剛度可取為未開裂剛度的一半。層間位移角的對比計算如圖7所示。

圖7 層間位移角對比圖Fig.7 Comparison of interstory drift

表12 中歐層間位移驗算對比表Table 12 Comparison of verification of interstory drift

3.3 構件驗算

為保證混凝土結構充足的耗能能力，應保證延性破壞先于脆性破壞出現。中歐規范均引入放大系數確定結構構件的承載能力梯次，保證塑性鉸出現在預期部位。對于框架結構，中國規范一、二、三、四級可分別取1.7、1.5、1.3、1.2。歐洲規范則統一為1.3的放大系數。

此外，歐洲規范采用實配鋼筋抗彎承載力，而中國規范除一級及9度時的框架結構，均采用梁柱端內力設計值。一般而言，簡化計算方法較為簡單，但是其準確性不足，可能無法保證強柱弱梁的實現，原因有構造措施和人為因素的影響。構造措施包括：板對梁抗彎能力以及梁跨中鋼筋伸入支座的強化作用，選用的鋼筋超強等；人為因素包括計算配筋量與實際選筋之間的差別等［15］。

有學者研究表明，當梁鋼筋實配系數不超過1.1，并考慮鋼筋超強和相關樓板鋼筋影響，可將實配鋼筋的承載力近似為1.65倍內力值，導出歐洲規范系數為2.02，中國采用實配鋼筋計算的一級框架為1.98，歐洲規范系數略高。值得注意的是，歐洲規范對于中延性和高延性設計有很多抗震措施的差別，然而在此并未區分，可見在此方面足夠重視［16］。

另外，中國規范特有對基底剪力的調整，由于當框架梁出現塑性鉸后，內力重分布會導致底層框架柱的反彎點位置難以確定。為了防止底層框架柱柱底過早出現塑性鉸而影響整個框架的耗能能力，中國抗震規范規定，對于一、二、三、四級框架的底層，柱下端截面組合的彎矩設計值，應分別乘以增大系數1.7，1.5，1.3和1.2。歐洲規范對于底層柱底并無彎矩增大措施，但對于高延性結構，考慮到其底層柱底截面的彎矩設計值可能偏小，規定其縱筋配筋量不應少于底層柱頂截面經過強柱弱梁措施調整后的配筋量。

現以中國抗震規范和歐洲抗震規范中延性結構的中跨梁柱為例進行正截面計算，其他邊榀及邊跨梁均為此情況下的特殊情況。結構的一榀可進行編號如圖8所示。

以35號梁截面為例左端截面進行設計，相關區別總結如表13所示［17］：

圖8 建筑立面及框架編號圖Fig.8 Structural vertical layout and frame number

對于柱截面設計，由于無法判斷大小偏壓，需要同時對左震和右震組合進行計算，選取最大配筋量。針對二階效應，中國規范引入彎矩增大系數，對彎矩進行放大，而歐洲規范中則是直接定義偶然偏心距、一階偏心距和二階偏心距，通過放大偏心距來放大彎矩，二者的計算原理一致，實際差別不大，僅在曲率的確定上，由于考慮因素以及混凝土極限壓應變的不同而有些許差異。將其中有區別的計算結果列表對比如表13、表14所示。

表13 設計彎矩及配筋對比表Table 13 Comparison of design moment and the reinforcement

表14 設計彎矩及配筋對比表Table 14 Comparison of design moment，force and the reinforcement

在本算例情況下，配筋由最小配筋率決定。實際上，對于抗震設防烈度為6度、7度的區域，如果場地類別為Ⅰ-Ⅲ類，框架柱在大多數情況下的縱向配筋都是由最小配筋率控制的［18］。不同抗震等級的框架柱最小配筋率反映的是框架柱破壞時的不同延性要求。

4 結論

本文對中國規范體系和歐洲規范體系在抗震設計方面進行對比，包括：材料基本性能、安全系數、抗震設防目標等基本原則；場地類別和設計用反應譜取值、底部剪力法等地震作用計算；內力調整、抗震構件等具體設計方法等。利用底部剪力法分別按兩種規范對基本加速度為0.2 g下的6層混凝土框架結構進行設計，在場地條件、結構尺寸、材料強度標準值、荷載標準值相同的情況下，對比兩規范在地震作用計算、安全性驗算和配筋量等方面的差異。

本文中算例采用基底剪力法，是適合于手算的簡化計算方法。但該算法會引入內力計算的誤差，因此為獲得更精確的對比結果，建議采用反應譜法計算內力。

歐洲規范在很多地方都給出了不同設計等級的計算方法，可根據實際需求進行選擇，真正實現了基于性能的設計。歐洲規范增加了對魯棒性的要求，針對整個結構、局部或關鍵部位、重要構件、次要構件以及機電設備支座等方面均提出控制要求。在結構延性方面，中國規范通過劃分不同抗震等級，實現不同程度的構造和抗力計算。但是在計算地震作用的反應譜中則沒有引入延性的概念。

目前，我國的抗震設計仍然是以不倒塌以及保障生命安全為主要目標。但是多年地震震害顯示，建筑物破壞帶來的直接、間接的經濟損失，由于地震中斷帶來的需求損失等也是十分巨大的。因此有必要借鑒歐洲規范，引入社會公眾對結構抗震性能的需求，對地震破壞進行定量或者半定量控制，有效減輕建筑物的損害和人員傷亡。將結構重要部位的變形引入到考核指標也是一個值得關注的方向，因為實際地震中節點的屈服機制并不是直接取決于端部的強度，而是與結構的變形息息相關。因此，引入結構重要部位的變形機制后，可以進一步評估結構的抗震能力。