刘天英 李 琪 孙文海

(东北电力设计院，长春130021)

1 引言

《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(以下简称GB 50011)［1］从2010年12月1日开始实施，虽然业界一直在争论该部规范在某此方面规定不够具体，但因设计习惯和设计软件等原因，一直在抗震设计中应用。20世纪90年代初，由美国学者提出“基于性态的结构抗震设计PBSD(Performance-Based Seismic Design)”思想，得到各国广泛重视，被地震工程界认为是未来抗震设计发展的主要方向［2］。未来的抗震设计必将是基于性态的抗震设计［3］。基于性态的抗震设计目的在于确保建筑物能够在各种不同强度的地震作用下，建筑物的地震效应满足业主和社会的各种安全、经济、文化与历史需求［4］。虽然GB 50011或多或少渗入基于性态的抗震设计思想，但主要条款还是沿用旧版抗震设计规范的基本理念和架构。而在《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》(CECS160:2004)(以下简称CECS160)中［5］，基于性态的抗震设计思想得到很好的体现。为适应将来抗震设计的发展，有必要了解这两部规范之间的主要差异。2%～3%，而CECS 160为5%。CECS 160根据中国地震危险性特征的研究结果，认为GB 50011对罕遇地震的超越概率取值偏低(2%～3%)，从而使大震抗震设防烈度的取值偏高［5］。

2 设防水准

3 设防目标

地震设防水准，是指在抗震设防中如何根据客观的设防环境和已设定的设防目标，并考虑社会、经济条件来确定采用多大的设防荷载参数。简单说，就是选择多大强度的地震作用作为抗震设防对象［2］。

GB 50011抗震设计采用“小震”、“中震”、“大震”三级设防水准，也称多遇地震、设防地震和罕遇地震，一般按地震基本烈度区划或地震动参数区划对当地的规定采用，50年超越概率分别为63%、10%和2%～3%，相应重现期分别为50年、475年和1600～2400年。

CECS 160也采用多遇地震、设防地震和罕遇地震三级设防水准，分别相当于由建筑重要性类别规定年限TMJ内给定的超越概率为63%、10%和5%。建筑重要性类别根据建筑物对社会、政治、经济和文化影响的重要性分为甲、乙、丙、丁四类，具体见国家标准《建筑抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)。对于重要性类别为丙类的建筑，取TMJ=50年;乙类建筑，取TMJ=100年;甲类建筑，取TMJ=200年。地震烈度在TMJ内超越概率r=1－［1－(1/T)］L，其中，T为地震烈度的重现期(年);L为TMJ(年)［6］。推导出乙类建筑小震、中震、大震对应的重现期分别为101年、950年、1950年;甲类建筑对应的重现期分别为202年、1900年、3900年。

可见关于设防水准，两部规范主要有两点区别:

(1)GB 50011中，对于甲、乙、丙、丁类建筑，相应的TMJ均取50年;而CECS160根据建筑重要性类别不同，TMJ取值不同。也就是说，在同一场地，对于甲、乙两类建筑，两部规范的设计地震加速度A取值不同，CECS 160高于GB 50011。根据CECS160中表4.2.2－1～3可知，对于甲类建筑，CECS 160抗震设防地震设计地震加速度A为GB 50011的1.189～2.524倍;对于乙类建筑，CECS160抗震设防地震设计地震加速度A为GB 50011的1.107～1.75倍。

(2)罕遇地震的超越概率不同，GB 50011为

针对三个设防水准，GB 50011抗震设防目标为“小震不坏”、“中震可修”和“大震不倒”。

CECS 160总结近20年来现代大城市震害经验，认为在建筑抗震设计中，不仅要控制破坏，还应考虑地震时保持建筑功能正常。因为不少建筑遭遇的震害并不严重，但由于其功能遭到破坏，致使生产中断，导致不可接受的巨大经济损失。所以CECS160特别注重建筑物的功能，关于建筑物的使用功能分类详见规范3.1.3款。CECS160根据建筑物不同的使用功能类别分别给出各级地震动水平下的最低抗震性态要求，详见表1。性态水平是对所设计的建筑在可能遭遇的特定设计地震作用下所规定的最低性态要求或容许的最大破坏。规范中给出各性态水平的具体解释，不再赘述。

GB 50011不区分建筑物的使用功能及建筑的重要性，笼统地将设防目标定为小震不坏、中震可修和大震不倒。而CECS 160根据建筑物使用功能分类、建筑物的重要性类别分别给出了不同地震动水平下的最低抗震性态的具体要求。基于性态抗震设计的多级目标设计理念为用户和结构工程师提供更多选择，体现用户要求与结构工程师的经验相结合问题［7］。不难看出，重要性为丙类、使用功能为Ⅱ类的建筑的性态要求与GB 50011规定的小震不坏、中震可修和大震不倒相对应，而其他几类建筑的设防目标两部规范不能对应。

4 地震作用

GB 50011第5.2.1款采用底部剪力法，结构的水平地震作用标准值FEK=α1Geq，α1相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数;Geq为结构等效总重力荷载。FEK的公式可改写为FEK=CKβGeq，其中，C为结构影响系数;K为地震系数;β为动力系数［8］。CECS 160第6.2.2款在给定方向结构的总水平地震作用标准值FEK=Cηhα1Gef1，式中，C为结构影响系数;α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数;ηh为水平地震影响系数的增大系数;Gef1为相应于结构基本振型的有效重力荷载。FEK的公式可改写为FEK=CηhKβGef1，式中，K为地震系数;β为场地设计谱(即动力系数)。根据公式可以看出，地震作用涉及场地类别、特征周期、设计反应谱、结构影响系数、等效重力荷载。

表1 各级地震动水平下的最低抗震性态要求Table 1 The lowest aseismic performance requirements

4.1 场地类别

建筑场地类别，根据土层等效剪切波速和场地覆盖土层厚度确定。两部规范关于土层等效剪切波速计算和场地覆盖土层厚度的条款是一致的。GB 50011建筑场地类别划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四类，其中，Ⅰ类细分为Ⅰ0和Ⅰ1两个亚类。同样，CECS 160也划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四类，但两部规范场地类别划分时土层等效剪切波速Vse和场地覆盖土层厚度dov的界限取值略有不同。从图1可以看出，两部规范场地类别划分不完全相同，而是互有交叉。

图1 两部规范场地类别的划分Fig.1 Site classification in two codes

4.2 特征周期

特征周期在GB 50011中称设计特征周期，CECS 160称设计谱特征周期。其数值受地震震级、震中距、场地类别等因素影响。特征周期决定设计反应谱平台段的长度，对地震作用大小有重要影响。GB 50011中，特征周期根据场地类别和设计地震分组确定，见表2。CECS 160附录A中根据不同的土层等效剪切波速和不同的场地覆盖土层厚度分别给出特征周期值，该值是连续的，而不是分档的。两部规范特征周期取值区别见表3。

表2 特征周期值Table 2 Characteristic period valuess

4.3 设计反应谱

根据GB 50011中5.1.5条款地震影响系数曲线(阻尼比0.05)可以推出地震动力系数曲线，见图2。大量分析表明，动力系数β的峰值βmax与场地类别关系不大，在我国统一取2.25。另外从地震影响系数曲线中也可推导出βmax，结构自振周期T=0时，地震影响系数α=0.45αmax。此时结构为无穷刚性，动力系数β应为1，则βmax=1/0.45≈2.25。动力系数曲线分为四段:直线上升段，T≤0.1 s，β=1+(T/0.1)(η2βmax－1);水平段，0.1 s＜T≤Tg，β=βmax;曲线下降段，Tg＜T≤5Tg，β=(Tg/T)γη2βmax;直线下降段，5Tg＜T≤6S，β=［η20.2γ－η1(T－5Tg)］βmax。结构的阻尼比不等于0.05时，曲线下降段的衰减指数γ=0.9+(0.05－ζ)/(0.3+6ζ);直线下降段的下降斜率调整系数η1=0.02+(0.05－ζ)/(4+32ζ)≥0;阻尼调整系数η2=1+(0.05－ζ)/(0.08+1.6ζ)≥0.55;ζ为阻尼比。

表3 两部规范特征周期值区别Table 3 Characteristic period comparison in two codes s

CECS 160第4.2.3款给出了阻尼比为0.05的建筑结构的水平分量场地设计谱(即动力系数曲线)，见图3，分为三段:短周期段，当T≤TA，β=1+(T/TA)(βmax－1);水平段，当TA＜T≤Tg，β=βmax;下降段，当T＞Tg，β=(Tg/T)θ·βmax≥βmin。同时规定场地设计谱最大值βmax取2.25;其最小值βmin不宜小于最大值的15%;场地设计谱短周期界限值TA宜采用0.10 s，有特殊要求时可作调整;场地设计谱下降段的指数θ宜采用0.9，有特殊要求时可在0.8～1.0之间取值。当建筑结构的阻尼比不为0.05时，根据规范中附录D进行场地设计谱修正。

图2 GB 50011动力系数曲线Fig.2 Dynamic coefficient curve in the GB 50011

图3 CECS160场地设计谱Fig.3 Design spectrum in the CECS160

由图2、图3可以看出，CECS160场地设计谱仅为三段，无直线下降段。GB 50011特征周期截止到6 s，如果结构的基本自振周期超过6 s，需要专门研究;而CECS 160超过7 s，比GB 50011的适用性更加广泛。

4.4 结构影响系数

CECS 160结构影响系数C实际上是强度折减系数的倒数。强度折减系数R定义为结构保持完全弹性所需要的最低强度与结构保持给定延性所需要的最低屈服强度之比，它是由结构非弹性耗能(或非弹性滞变特性)引起的地震力的折减。不同国家、不同研究者对于强度折减系数的称谓不同，如在美国UBC 1997和FEMA 273中称为结构反应修正系数，欧洲规范EC8称为性能系数，日本规范称为延性因子［9］。

GB 50011规定的时程分析所用地面动峰值加速度PGA见表4，该规范规定在进行结构构件截面强度验算时采用的地震水准为多遇地震(小震)。根据表4，多遇地震和设防地震对应的地面运动峰值加速度比值都在0.35左右。可以这样理解，构件截面强度验算时采用的地震水准为设防地震(中震)，只是该部规范中不区分抗震结构体系及建筑材料把结构影响系数均取为0.35，即强度折减系数R=1/C=2.86。CECS 160考虑到不同抗震结构体系延性及建筑材料采用不同的结构影响系数，与实际情况更加接近，具体的结构影响系数见表5。

表4 GB 50011时程分析所用地面动峰值加速度PGATable 4 Peak ground acceleration in GB 50011 cm/s2

表5 不同抗震体系的结构影响系数Table 5 Structure influence coefficient for different aseismic systems

4.5 算例分析

［算例一］某钢结构框架，位于7度区，0.10 g，地震危险性特征分区为Ⅰ区。场地类别Ⅲ类，特征周期0.55 s。自振周期T根据经验公式计算为0.46 s。平面尺寸20 m×20 m，四层总高18.5 m，底层层高5 m，二、三、四层层高4.5 m。按CECS 160:2004规定使用功能为Ⅱ类。等效重力荷载:四层2400 kN，三层3 600 kN，二层3 600 kN，一层4 600 kN。阻尼比:根据GB 50011第8.2.2款取为0.04;根据CECS 160第7.1.4款取为0.02。采用底部剪力法分别按GB 50011及CECS 160两部规范进行计算结构总水平地震作用标准值，详见表6，计算过程略。

［算例二］某钢筋混凝土框架结构，阻尼比0.05，其余参数同［算例一］，计算结果见表6中括号内的数字。根据表中数值，总水平地震作用标准值，按CECS 160计算的结果要高于按GB 50011计算的结果。

表6 结构总水平地震作用标准值计算Table 6 Total horizontal earthquake action

5 变形限值要求

GB 50011考虑多遇地震和罕遇地震作用下结构的变形验算。遭遇多遇地震时，结构处于弹性阶段，规范表5.1.1给出弹性层间位移角限值1/1000～1/250。CECS160考虑抗震设防地震和罕遇地震作用下结构的变形验算，遭遇设防地震时，结构已进入非弹性阶段，规范表6.6.3给出层间位移限值0.004～0.01。GB 50011弹性位移角限值小于CECS160层间位移角限值。遭遇罕遇地震时，结构进入弹塑性阶段，两部规范关于弹塑性层间位移角限值的要求见表7。

CECS 160在确定弹塑性层间位移角限值时，参考GB 50011、Vision 2000及FEMA 273，对于Ⅲ类建筑偏于安全地取中等至严重破坏之间接近中等破坏的层间位移限值。对于Ⅱ类、Ⅳ类建筑的层间位移限值，根据Ⅲ类建筑的层间位移限值作适当调整而得。从表7可以看出，CECS160中Ⅲ类建筑的层间位移限值与GB 50011中规定基本相当。

表7 弹塑性层间位移角限值Table 7 The elas to-plastic story drift angle limitation

6 结论

根据文中对比分析，得出如下结论:

(1)GB 50011设防目标单一笼统，而CECS 160根据建筑物重要性类别和建筑物功能设定不同的抗震设防目标，目标多级具体，用户和结构工程师可根据建筑物的功能、重要性以及经济情况选择设防目标。性态设计实际是抗震个性化设计，对设计人员和计算软件要求较高，尚处于完善阶段。

(2)GB 50011实际隐含着结构影响系数统一取0.35，而CECS 160根据抗震结构体系及建筑材料不同结构影响系数取值不同。相比之下，CECS 160结构影响系数取值更加合理。

(3)GB 50011特征周期值为分档值;CECS 160特征周期值是连续的。GB 50011特征周期最大至6 s，对于自振周期超过6 s的长周期结构，需专门研究;CECS 160特征周期则超过7 s，比GB 50011的适用性更加广泛。

(4)按照CECS 160规范计算的结构总水平地震剪力标准值高于按照GB 50011计算的结果，甲类建筑甚至高出一倍以上。也就是说，CECS 160地震作用取值要高于GB 50011。

(5)罕遇地震时，CECS 160根据建筑使用功能不同给出不同的弹塑性位移角限值。GB 50011未进行区分。CECS 160中Ⅲ类建筑弹塑性层间位移限值与GB 50011规定基本相当。

［1］ 中华人民共和国建设部.GB 500011—2010 建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of building［S］.Beijing:China Architecture and Building Press，2010.(in Chinese)

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