中日建筑抗震设计标准的比较——设计思路、方法及反应谱

孙凤利，许金凤

（珠海市建筑设计院 ，广东 珠海 519000）

中日建筑抗震设计标准的比较
——设计思路、方法及反应谱

孙凤利，许金凤

（珠海市建筑设计院 ，广东 珠海 519000）

采用对比方法介绍了中日建筑抗震规范设计标准在抗震设计思路、设防目标、设计方法及地震反应谱等方面的异同，由此阐述中日建筑抗震规范的各自特点以及对建筑物设计的影响，从而为工程抗震设计提供参考。

抗震设计；剪力系数；反应谱

引言

从古至今，人类就一直和地震这一自然灾害进行着斗争，并不断地探索抵御地震的方法，由此为地震的研究积累了宝贵的经验。现代的抗震设计理论是从20世纪初开始建立起来的，在经济迅速发展的今天，地震的破坏力越来越大，造成大量的财产损失和人员伤亡，为此各国相续颁布了建筑物抗震设计规范。中国和日本都是地震多发的国家，为减少由地震带来的灾害而进行抗震设计。对于抗震设计日本是以 《建筑标准法》为基础，编制了《建筑抗震设计规范》，日本早在关东地震的第二年 （1924年）就编写了自己的抗震规范。而我国在 《防震减灾法》的基础上编制了 《建筑抗震设计规范》，以此作为抗震设计依据同时作为施工指导。

1 抗震设防水准及设防目标

中国规范GB50011－2001规定三水准，即多遇地震、基本烈度地震、罕遇地震；而日本的建筑标准法规规定了两水准，即第一水准的中等强度地震和第二水准的强烈地震。我国虽然规定三水准原则，但是从地震强度来看，两国都把强烈地震划分一个水准，而我国又在中等强地震基础上进行了细分。这是从经济条件来考虑的，在中等强度地震作用下，日本规范要求建筑物几乎不发生破坏，而我国在多遇地震作用下做了此规定，即小震不坏，而在中等强度地震允许建筑物发生局部破坏，但不影响整体承载力，这也就是中震可修的设计思想。

中国 《建筑抗震设计规范》所规定的三水准下的设防目标是 “小震不坏，中震可修，大震不倒”。日本规定在第1水准中等强度地震作用下，要求结构几乎不遭受破坏；第2水准强烈地震作用下，结构不倒塌或不产生导致人员伤亡的破坏。在中等强度地震作用下日本要求较严格，而在大地震作用下抗震效果基本相同，都要保证建筑在大地震作用下不倒塌，从而保证居住者的生命安全。

日本第一水准的地震重现期为475年，相当于中国的基本设防烈度 （中震）；第2水准的地震重现期为2500年，相当或者高于中国的罕遇地震 （大震）。中日两国规范均按地震危害 （烈度）分区，分别给出烈度或区域系数值。

2 设计思路[1]

（1）中国抗震设计思路如图 1所示[2～3]。

图1 中国抗震设计思路Fig.1 The idea of seismic design in China

（2）日本抗震设计思路如图 2所示[1]。

进行2次设计是指在允许应力设计以后所进行的形状限制、变形限制、保证抗力延性、在大地震时保持一定的水平强度等一系列的抗震性能的研究。对于如图 2中不进行2次设计主要包括：各类构造设施以及其各种抗震安全性能都满足构造要求情况；凭借以往的抗震经验和经过充分调查研究确定其具有良好的抗震性能的构件。符合以下条件的可不进行2次设计：

① 加固混凝土结构，不包括地下室，层数小于3层

②RC结构或者SRC结构符合下列条件：

高度小于20 m

地上部分的各层剪力墙和构造柱以及剪力墙以外的RC墙的水平截面面积要满足下式[1]要求：

式中，AW每层剪力沿计算方向的截面面积 （cm2）；

Ac每层柱及剪力墙以外的RC墙计算方向上的水平截面面积 （cm2）；

W计算层以上部分的建筑物重量 （kg）；

Ai由 （3）式求得；

Z区域性系数。

③ 对于钢结构要满足下列条件：

a.不包括地下室，层数小于3层。b.高度小于13 m主体高度小于9 m。c.框架柱间距小于6 m。d.楼板面积小于500 m2。e.标准剪力系数C0大于0.3时按构造计算。f.承担水平力钢筋轴向屈服时该钢筋的端部及连接处不发生破坏。

从设计思路来看，两国都以60 m为设计分界线，在大于60 m时中国要进行层间剪力、层间变形、截面强度验算等设计，而日本要由建设大臣给出设计方法。在建筑物高度小于60 m时，中国只进行层间剪力、层间变形、截面强度验算；而日本还有以31 m为分界线，小于30 m时要根据建筑物的形状限制、抗力、延性进行分类设计。

图 2日本抗震设计思路Fig.2 The idea of seismic design in Japan

3 抗震设计方法

日本，对于中小型地震采用容许应力、弹性变形，对于大地震确保其水平抗力或者极限抗力和利用地震反应分析结果来验算。

允许应力值设计。日本对于频率较高的中等强度地震，要以建筑物不屈服为设计目标，由允许应力值设计来确保建筑物的安全。使用的地震强度是0.2 g，作为短周期建筑物的反应剪力系数标准值。

允许应力值设计所用的层间剪力系数Ci由下式[1]计算：

Z为地震区域系数；

Rt表示建筑物固有周期T和建设场地对地震强度综合影响的振动特性系数。

Ai为层剪力系数沿建筑物高度方向分布值，由下式[1]给出：

式中αi为最上层到第i层重量与地上建筑物总重量的比值：

T为建筑物第一固有周期；

C0标准剪力系数，允许应力设计取0.2。

利用 （2）式确定的地震强度求出各个构件的应力，然后算出构件截面应力值，这些应力值必须在允许应力值范围内。

极限抗力计算。主要流程如下：①确认材料的适用性。主要确定是否为新材料来采取相应的设计方法。② 进行截面假定。③ 以破坏极限、安全界限为基础计算加速度反应谱。④计算建筑物荷载－变形关系以及在此变形下计算出建筑物的阻尼。⑤ 进行极限破坏验算。⑥进行安全界限验算。通过此过程来保证建筑物在大地震时的安全性能。

中国规范规定结构抗震设计采用二阶段设计方法即第一阶段设计的截面抗震验算和第二阶段的抗震变形验算。

第一阶段截面抗震验算，由下式[4]计算：

式中，R为结构构件承载力设计值；γRE为承载力抗震调整系数；S为内力组合设计值。

第二阶段抗震变形验算：

（1）多遇地震作用下框架、层间弹性位移应符合下式[4]条件：

式中，Δue为多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移；［θe］为弹性层间位移角限值。

（2）罕遇地震作用下结构的弹塑性位移验算

①简化方法

主要只用于不超过12层且刚度无突变的框架结构、填充墙框架结构及单层钢筋混凝土柱、厂房，由下式[4]计算：

式中，Δup为弹塑性层间位移；Δue为罕遇地震作用下按弹性分析的层间弹性位移；ηp为弹塑性位移增大系数。

②非线性动力时程分析法

这种方法使用在超出简化方法的适用范围的其他结构。

中国根据有关条件给出了剪力系数的最小值，如表1所示

从以上介绍的设计方法来看：

首先，日本剪力系数在允许应力值设计时取0.2，检验水平抗力时剪力系数要大于0.1，这与中国的层剪力验算时所取的剪力系数最小取值相比要大得多。由剪力系数求解公式可以看到，日本的剪力系数主要受地震区域系数、建筑物固有周期 、建设场地、建筑物重量等因素影响；中国主要根据地震烈度不同及其结构的固有周期给出了剪力系数的最小值。两国都考虑了地震结构的固有周期对剪力系数的影响。

其次，建筑物抗震计算方法上中国采用了两阶段设计方法；日本采用允许应力法和极限抗力设计方法。对于中等强度地震，两国都是以保证截面强度作为保证结构安全性能指标。在罕遇地震，都采用截面极限变形能力作为抗震指标，但中国给出有条件的简化计算公式及其其他结构的时程分析法；日本是根据其相应条件算出反应谱，由此计算其极限破坏及安全界限。

表1 楼层最小地震剪力系数值Table 1 Minimum coefficient of floor seismic shear force

图3 5%阻尼两国加速度设计反应谱比较Fig.3 Comparison of response spectra with 5%damping design in China and Japan

4 地震反应谱

为了比较两国加速度反应谱，选定了固定的建筑场地。场地类型中国为Ⅱ类，日本为2类。比较两个国家的阻尼比的加速度反应谱，如图3所示。从图中可以看出，我国规范特征周期取值较小，我国规范的抗震设计反应谱曲线的平台宽度比日本小。

当周期大于3 s时，我国的反应谱值下降缓慢，比日本的反应谱值大。对于周期大于3 s的结构，我国长周期段的谱值较大，由此我国计算所得的水平地震作用下的结构反应较大，对抗震设计偏于保守。

5 结论

日本对于中小型地震采用容许应力、弹性变形；对于大地震确保其水平强度或者极限强度和利用地震反应分析结果来验算，以保证建筑物的安全性。我国采用两阶段设计法，截面抗震验算和抗震变形验算来评价建筑物的安全性。从地震加速度反应谱来看，在长周期段即周期大于3 s时，我国反应谱值大于日本反应谱值，设计偏于保守。我国有待于在长周期段进行研究探讨，研究更加适合我国地震作用时设计反应谱曲线。

［1］柴田明德.最新抗震構造分析 ［M］.东京：森北出版社,1997.

［2］馬華，李振宝，大野義照.中日建築耐震設計基準の比较 その1ル－ト地震力 ［M］.东京：日本建筑学会,2002.

［3］李振宝，馬華，大野義照.中日建築耐震設計基準の比较 その2计算方法と鉄筋コンクリート地震力［M］.东京：日本建筑学会,2002.

［4］GB 50011-2001,建筑抗震设计规范 ［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

Abstract：By comparison of the idea,method and earthquake response spectra of seismic design of buildings in Chinese and Japan,the paper demonstrated the characteristics of seismic design standards of buildings in china and Japan and the impact of building design,respectively. The results provide references for seismic design.

Keywords：Seismic design;Shear coefficient;Response spectra

Comparison of Seismic Design Standard of Buildings in China and Japan——Design ideas,Methods and Response Spectra

SUN Fengli,XU Jinfeng
(Zhuhai Construction Design institute,Zhuhai 51900,China)

P315.62

A

1001-8662（2010）04-0076-06

2010-07-22

孙凤利，男， 1979年生，硕士研究生，主要从事工程抗震研究. E-mail:570179043@qq.com.