抗震规范中地震作用的比较研究★

李国华 杜建明

(常州工学院，江苏 常州 213022)



抗震规范中地震作用的比较研究★

李国华 杜建明

(常州工学院，江苏 常州 213022)

比较了我国新、旧抗震规范中钢结构的地震影响系数，分析了新建筑抗震规范中钢结构与钢筋混凝土结构地震影响系数的差异性，说明了在抗震设计中重新引入结构影响系数，恢复折减中震弹性地震反应得到设计地震作用的必要性。

结构影响系数，地震影响系数，地震作用，抗震规范

0 引言

采用结构影响系数确定设计地震作用的方法仍是当前建筑结构抗震设计的主流方法，美国、欧洲、日本的抗震规范都是如此。结构影响系数的思路是这样的：采用成熟的弹性反应谱计算结构的地震作用，但由于在强烈地震作用下结构会进入弹塑性状态，塑性变形可以有效地吸收、耗散地震能，降低结构刚度，减小地震反应，结构所承受的地震作用会明显小于弹性计算结果，故可引入结构影响系数R对结构弹性地震作用(设防地震水准)进行折减，得到结构的设计地震作用，据此对结构进行弹性设计，并期望如此设计的结构在设防地震下进入弹塑性(结构出现轻微破坏，可修)，用非直接方式考虑结构强震下的弹塑性。

结构影响系数R的定义见图1，横坐标为结构顶点水平位移，纵坐标为结构底部剪力。曲线OBCA为结构保持完全弹性时的地震反应，曲线OBD为结构在强地震下的真实反应曲线，折线OBCD为简化的理想弹塑性曲线。B点对应结构出现第一个塑性铰，C点为结构的显著屈服点。图1中Ve为结构保持完全弹性时在设防地震下的底部剪力；Vy为结构发生明显屈服时的底部剪力；Vs为第一个塑性铰出现时的底部剪力；Vd为设计底部剪力；Δe,Δy,Δs和Δd分别为对应的结构顶点水平位移；Δmax为真实结构的最大弹塑性水平位移。

结构影响系数R的定义为：

(1)

其中,Rμ为结构延性折减系数,Rμ=Ve/Vy；RΩ为结构超强系数,RΩ=Vy/Vd。我国抗震规范从64规范到78规范，在确定地震作用时，都是采用结构影响系数对设防地震(中震)下的地震作用进行折减。

1989年，GBJ11—89建筑抗震设计规范[1](以下简称89规范)采用“三水准两阶段”设计法，提出“小震弹性设计法”，不再使用结构影响系数将中震(设防地震)作用折减后作为地震作用设计值。在截面承载力验算时的设计地震作用取小震下结构按弹性分析得到的内力值，通过引进相应的承载力抗震调整系数γRE[2]，使设计地震作用与78规范的设计地震作用大致相当，即：89规范取第一水准(小震)地震动参数计算得到的构件弹性地震作用效应与78规范按设防地震(基本烈度，中震)的地震动参数计算得到的地震作用再乘以结构影响系数的平均值(用R表示约为3.0)得到的设计地震作用相当。“小震弹性设计法”隐含了单一的(即不因延性不同而不同)结构影响系数，致使设计人员不清楚“小震弹性设计法”的来源是考虑结构耗能、超强等因素对设防地震下的弹性地震反应进行折减的结果，与国际上先进的抗震设计理念拉开了距离。但由于当时我国以钢筋混凝土结构和砖结构为主，钢结构采用较少，在这一背景下，89规范在具体的地震作用方面还是与78规范衔接得比较好的。

2001年，GB50011—2001建筑抗震设计规范[3]沿用了89规范的“三水准两阶段”设计方法。随着我国改革开放不断深化和社会经济的快速发展，钢结构在土木工程领域被大量采用。但由于规范中不再出现结构影响系数，设计者不能对钢结构的延性耗能进行充分利用，钢结构在设计中的地震作用无法有效折减，导致用钢量偏大，在一定程度上制约了钢结构的进一步推广。

2010年颁布的GB 50011—2010建筑抗震设计规范[4]在地震作用上仍总体继承“三水准两阶段”的设计理念和“小震弹性设计法”，未出现结构影响系数。

下面具体比较我国现行GB 50011—2010建筑抗震设计规范(以下简称《新抗规》)和GB 50011—2001建筑抗震设计规范(以下简称《旧抗规》)中钢结构地震影响系数的差异，并比较《新抗规》中钢结构和钢筋混凝土结构地震影响系数的差异。

1 新、旧抗规中钢结构地震影响系数比较

《新抗规》的地震作用较《旧抗规》有所调整，主要体现在阻尼比的取值和地震影响系数曲线相关参数的调整。

此处以设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为8度的中心支撑钢框架为例来比较《新抗规》与《旧抗规》中多遇地震作用下地震影响系数的差异。新、旧抗规中的特征周期值相同，为Tg=0.35 s。

多遇地震作用下钢结构的阻尼比在新、旧抗规中的规定有所不同。《新抗规》以50 m和200 m为分界点，阻尼比在结构高度不大于50 m时取0.04；高度大于50 m且小于200 m时取0.03；高度不小于200 m时取0.02。《旧抗规》以12层为界，不超过12层时阻尼比取0.035，超过12层时取0.02。

为方便对比，此处视12层与50 m为相同高度，根据附录B，8度抗震设防12层人字形、V形、Split-X形中心支撑钢框架算例第1周期分别为1.852 s,1.994 s,1.899 s，取其平均值为1.915 s。另据本文未列出的补充算例，9度抗震设防48层V形中心支撑钢框架第1周期为7.349 s，已超出规范T1∈[0,6] s范畴，而其高度为3.6×48=172.8 m，仍属于200 m之内的范畴，故下列计算不涉及高度大于200 m的结构，即新、旧抗规都只取两个阻尼比数值。

按上述规定，计算得到新、旧抗规钢结构地震影响系数α如图2所示，从图2中可以看出：新、旧抗规中地震影响系数α曲线，在T1∈[0,0.1] s斜直线段大部分区域重合，在斜直线接近结束时，《新抗规》α值大约降低为《旧抗规》α值的95%；在T1∈[0.1,Tg] s直线段，《新抗规》α值保持为《旧抗规》α值的95%；T1∈[Tg,5Tg] s曲线下降段，《新抗规》α值约为《旧抗规》α值的95%，并有略微增加的趋势；在T1∈[5Tg,6] s直线下降段中的[5Tg,1.915] s范围，《新抗规》α值约为《旧抗规》α值的95%；由于T1=1.915 s处对应12层和50 m的分界点，此处前后阻尼比不同，因而此位置α值出现跳跃，《新抗规》α值占《旧抗规》α值的百分比从95.5%骤然下降到89%；在直线下降段的[1.915，6] s区域，此百分比从89%下降到82%，下降趋势近于直线。

上述分析表明《新抗规》中的钢结构地震影响系数α比《旧抗规》中的α值有不同程度下降，下降幅度在斜直线段为0%～5%，直线段、曲线下降段为5%左右，直线下降段为5%～18%不等。

2 《新抗规》中钢结构与钢筋混凝土结构地震影响系数比较

仍采用1节中算例，但钢筋混凝土结构的阻尼比按规范规定取为0.05。《新抗规》中钢结构与钢筋混凝土结构的地震影响系数α的对比见图3。从绝对值角度看(见图3a))，钢结构与钢筋混凝土结构的α除直线段相差较为明显外，其余阶段相差不大。从相对比值来看(见图3b))，在T1∈[0,0.1] s斜直线段开始点到斜直线结束点，钢结构与钢筋混凝土结构α值的比值从1增加到1.07；在T1∈[0.1,Tg] s直线段，钢结构与钢筋混凝土结构α的比值保持为1.07。在T1∈[Tg,5Tg] s曲线下降段，钢结构、钢筋混凝土结构的α值逐渐接近，比值从1.07逐渐下降到1.04。在T1∈[5Tg,6] s直线下降段的[5Tg,1.915] s狭窄范围内，比值变化甚微；因T1=1.915 s对应12层和50 m的分界点，此处前、后钢结构的阻尼比不同，故此处钢结构的α值出现跳跃，导致钢结构与钢筋混凝土结构的α比值出现跳跃，从1.04增加到1.08；随后在直线下降段的[1.915，6] s区域，比值又缓慢下降到1.013。

由上述分析可知，在同等条件下，钢结构的地震影响系数大于混凝土结构的相应值，其比值在1.013～1.08这一范围。

固然，在实际工程中，同一结构采用钢结构通常会比钢筋混凝土结构刚度有所减小，因而使钢结构的第1周期比钢筋混凝土结构的第1周期有所延长，从而减小了地震反应系数，与此处分析会有不同。但钢结构不能因延性优秀而采用更小的地震作用(通过较小的结构影响系数折减地震反应)仍是不争的事实。

3 结语

本文比较了我国现行GB 50011—2010建筑抗震设计规范和GB 50011—2001建筑抗震设计规范(以下简称《旧抗规》)中钢结构地震影响系数的差异，并比较了GB 50011—2010建筑抗震设计规范中钢结构和钢筋混凝土结构地震影响系数的差异。说明了现行规范未充分利用钢结构延性折减地震作用，从而使得钢结构的延性耗能优势未能充分得到利用，这使得钢结构的用钢量不能有效减小，因而存在着在钢结构抗震设计中重新引入结构影响系数，恢复折减中震弹性地震反应得到设计地震作用的必要性。

[1] GB J11—89,建筑抗震设计规范[S].

[2] 童根树.钢结构设计方法[M].北京：中国建筑工业出版社,2007:65.

[3] GB 50011—2001,建筑抗震设计规范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

Comparison research of seismic actions of seismic codes★

Li Guohua Du Jianming

(ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213022,China)

This paper compared the seismic influence coefficient of steel structure in our new and old seismic specification, analyzed the difference of steel structure and seismic influence coefficient of reinforced concrete structure in new building seismic specification, illustrated the necessary obtained design seismic action re-introduction of structural influence coefficient in seismic design, restoration reduction earthquake elastic seismic response.

structural influence coefficient, seismic influence coefficient, seismic action, seismic specification

1009-6825(2017)09-0029-03

2017-01-16★:常州市科技计划项目“中心支撑钢框架强震倒塌概率和倒塌机理研究”(CJ20159031)

李国华(1962- )，男，助理工程师

TU352

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