李國(guó)華 杜建明

(常州工學(xué)院，江蘇 常州 213022)

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抗震規(guī)范中地震作用的比較研究★

李國(guó)華 杜建明

(常州工學(xué)院，江蘇 常州 213022)

比較了我國(guó)新、舊抗震規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)，分析了新建筑抗震規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)的差異性，說(shuō)明了在抗震設(shè)計(jì)中重新引入結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，恢復(fù)折減中震彈性地震反應(yīng)得到設(shè)計(jì)地震作用的必要性。

結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，地震影響系數(shù)，地震作用，抗震規(guī)范

0 引言

采用結(jié)構(gòu)影響系數(shù)確定設(shè)計(jì)地震作用的方法仍是當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的主流方法，美國(guó)、歐洲、日本的抗震規(guī)范都是如此。結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的思路是這樣的：采用成熟的彈性反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用，但由于在強(qiáng)烈地震作用下結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，塑性變形可以有效地吸收、耗散地震能，降低結(jié)構(gòu)剛度，減小地震反應(yīng)，結(jié)構(gòu)所承受的地震作用會(huì)明顯小于彈性計(jì)算結(jié)果，故可引入結(jié)構(gòu)影響系數(shù)R對(duì)結(jié)構(gòu)彈性地震作用(設(shè)防地震水準(zhǔn))進(jìn)行折減，得到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震作用，據(jù)此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)，并期望如此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下進(jìn)入彈塑性(結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微破壞，可修)，用非直接方式考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)震下的彈塑性。

結(jié)構(gòu)影響系數(shù)R的定義見(jiàn)圖1，橫坐標(biāo)為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移，縱坐標(biāo)為結(jié)構(gòu)底部剪力。曲線OBCA為結(jié)構(gòu)保持完全彈性時(shí)的地震反應(yīng)，曲線OBD為結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震下的真實(shí)反應(yīng)曲線，折線OBCD為簡(jiǎn)化的理想彈塑性曲線。B點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)第一個(gè)塑性鉸，C點(diǎn)為結(jié)構(gòu)的顯著屈服點(diǎn)。圖1中Ve為結(jié)構(gòu)保持完全彈性時(shí)在設(shè)防地震下的底部剪力；Vy為結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯屈服時(shí)的底部剪力；Vs為第一個(gè)塑性鉸出現(xiàn)時(shí)的底部剪力；Vd為設(shè)計(jì)底部剪力；Δe,Δy,Δs和Δd分別為對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移；Δmax為真實(shí)結(jié)構(gòu)的最大彈塑性水平位移。

結(jié)構(gòu)影響系數(shù)R的定義為：

(1)

其中,Rμ為結(jié)構(gòu)延性折減系數(shù),Rμ=Ve/Vy；RΩ為結(jié)構(gòu)超強(qiáng)系數(shù),RΩ=Vy/Vd。我國(guó)抗震規(guī)范從64規(guī)范到78規(guī)范，在確定地震作用時(shí)，都是采用結(jié)構(gòu)影響系數(shù)對(duì)設(shè)防地震(中震)下的地震作用進(jìn)行折減。

1989年，GBJ11—89建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)89規(guī)范)采用“三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)法，提出“小震彈性設(shè)計(jì)法”，不再使用結(jié)構(gòu)影響系數(shù)將中震(設(shè)防地震)作用折減后作為地震作用設(shè)計(jì)值。在截面承載力驗(yàn)算時(shí)的設(shè)計(jì)地震作用取小震下結(jié)構(gòu)按彈性分析得到的內(nèi)力值，通過(guò)引進(jìn)相應(yīng)的承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE[2]，使設(shè)計(jì)地震作用與78規(guī)范的設(shè)計(jì)地震作用大致相當(dāng)，即：89規(guī)范取第一水準(zhǔn)(小震)地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算得到的構(gòu)件彈性地震作用效應(yīng)與78規(guī)范按設(shè)防地震(基本烈度，中震)的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算得到的地震作用再乘以結(jié)構(gòu)影響系數(shù)的平均值(用R表示約為3.0)得到的設(shè)計(jì)地震作用相當(dāng)?！靶≌饛椥栽O(shè)計(jì)法”隱含了單一的(即不因延性不同而不同)結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，致使設(shè)計(jì)人員不清楚“小震彈性設(shè)計(jì)法”的來(lái)源是考慮結(jié)構(gòu)耗能、超強(qiáng)等因素對(duì)設(shè)防地震下的彈性地震反應(yīng)進(jìn)行折減的結(jié)果，與國(guó)際上先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)理念拉開(kāi)了距離。但由于當(dāng)時(shí)我國(guó)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和磚結(jié)構(gòu)為主，鋼結(jié)構(gòu)采用較少，在這一背景下，89規(guī)范在具體的地震作用方面還是與78規(guī)范銜接得比較好的。

2001年，GB50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[3]沿用了89規(guī)范的“三水準(zhǔn)兩階段”設(shè)計(jì)方法。隨著我國(guó)改革開(kāi)放不斷深化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域被大量采用。但由于規(guī)范中不再出現(xiàn)結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，設(shè)計(jì)者不能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的延性耗能進(jìn)行充分利用，鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中的地震作用無(wú)法有效折減，導(dǎo)致用鋼量偏大，在一定程度上制約了鋼結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步推廣。

2010年頒布的GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[4]在地震作用上仍總體繼承“三水準(zhǔn)兩階段”的設(shè)計(jì)理念和“小震彈性設(shè)計(jì)法”，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)影響系數(shù)。

下面具體比較我國(guó)現(xiàn)行GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《新抗規(guī)》)和GB 50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《舊抗規(guī)》)中鋼結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)的差異，并比較《新抗規(guī)》中鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)的差異。

1 新、舊抗規(guī)中鋼結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)比較

《新抗規(guī)》的地震作用較《舊抗規(guī)》有所調(diào)整，主要體現(xiàn)在阻尼比的取值和地震影響系數(shù)曲線相關(guān)參數(shù)的調(diào)整。

此處以設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為8度的中心支撐鋼框架為例來(lái)比較《新抗規(guī)》與《舊抗規(guī)》中多遇地震作用下地震影響系數(shù)的差異。新、舊抗規(guī)中的特征周期值相同，為T(mén)g=0.35 s。

多遇地震作用下鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比在新、舊抗規(guī)中的規(guī)定有所不同?！缎驴挂?guī)》以50 m和200 m為分界點(diǎn)，阻尼比在結(jié)構(gòu)高度不大于50 m時(shí)取0.04；高度大于50 m且小于200 m時(shí)取0.03；高度不小于200 m時(shí)取0.02?！杜f抗規(guī)》以12層為界，不超過(guò)12層時(shí)阻尼比取0.035，超過(guò)12層時(shí)取0.02。

為方便對(duì)比，此處視12層與50 m為相同高度，根據(jù)附錄B，8度抗震設(shè)防12層人字形、V形、Split-X形中心支撐鋼框架算例第1周期分別為1.852 s,1.994 s,1.899 s，取其平均值為1.915 s。另?yè)?jù)本文未列出的補(bǔ)充算例，9度抗震設(shè)防48層V形中心支撐鋼框架第1周期為7.349 s，已超出規(guī)范T1∈[0,6] s范疇，而其高度為3.6×48=172.8 m，仍屬于200 m之內(nèi)的范疇，故下列計(jì)算不涉及高度大于200 m的結(jié)構(gòu)，即新、舊抗規(guī)都只取兩個(gè)阻尼比數(shù)值。

按上述規(guī)定，計(jì)算得到新、舊抗規(guī)鋼結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)α如圖2所示，從圖2中可以看出：新、舊抗規(guī)中地震影響系數(shù)α曲線，在T1∈[0,0.1] s斜直線段大部分區(qū)域重合，在斜直線接近結(jié)束時(shí)，《新抗規(guī)》α值大約降低為《舊抗規(guī)》α值的95%；在T1∈[0.1,Tg] s直線段，《新抗規(guī)》α值保持為《舊抗規(guī)》α值的95%；T1∈[Tg,5Tg] s曲線下降段，《新抗規(guī)》α值約為《舊抗規(guī)》α值的95%，并有略微增加的趨勢(shì)；在T1∈[5Tg,6] s直線下降段中的[5Tg,1.915] s范圍，《新抗規(guī)》α值約為《舊抗規(guī)》α值的95%；由于T1=1.915 s處對(duì)應(yīng)12層和50 m的分界點(diǎn)，此處前后阻尼比不同，因而此位置α值出現(xiàn)跳躍，《新抗規(guī)》α值占《舊抗規(guī)》α值的百分比從95.5%驟然下降到89%；在直線下降段的[1.915，6] s區(qū)域，此百分比從89%下降到82%，下降趨勢(shì)近于直線。

上述分析表明《新抗規(guī)》中的鋼結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)α比《舊抗規(guī)》中的α值有不同程度下降，下降幅度在斜直線段為0%～5%，直線段、曲線下降段為5%左右，直線下降段為5%～18%不等。

2 《新抗規(guī)》中鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)比較

仍采用1節(jié)中算例，但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比按規(guī)范規(guī)定取為0.05?！缎驴挂?guī)》中鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)α的對(duì)比見(jiàn)圖3。從絕對(duì)值角度看(見(jiàn)圖3a))，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的α除直線段相差較為明顯外，其余階段相差不大。從相對(duì)比值來(lái)看(見(jiàn)圖3b))，在T1∈[0,0.1] s斜直線段開(kāi)始點(diǎn)到斜直線結(jié)束點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)α值的比值從1增加到1.07；在T1∈[0.1,Tg] s直線段，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)α的比值保持為1.07。在T1∈[Tg,5Tg] s曲線下降段，鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的α值逐漸接近，比值從1.07逐漸下降到1.04。在T1∈[5Tg,6] s直線下降段的[5Tg,1.915] s狹窄范圍內(nèi)，比值變化甚微；因T1=1.915 s對(duì)應(yīng)12層和50 m的分界點(diǎn)，此處前、后鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比不同，故此處鋼結(jié)構(gòu)的α值出現(xiàn)跳躍，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的α比值出現(xiàn)跳躍，從1.04增加到1.08；隨后在直線下降段的[1.915，6] s區(qū)域，比值又緩慢下降到1.013。

由上述分析可知，在同等條件下，鋼結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)大于混凝土結(jié)構(gòu)的相應(yīng)值，其比值在1.013～1.08這一范圍。

固然，在實(shí)際工程中，同一結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)通常會(huì)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度有所減小，因而使鋼結(jié)構(gòu)的第1周期比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的第1周期有所延長(zhǎng)，從而減小了地震反應(yīng)系數(shù)，與此處分析會(huì)有不同。但鋼結(jié)構(gòu)不能因延性優(yōu)秀而采用更小的地震作用(通過(guò)較小的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)折減地震反應(yīng))仍是不爭(zhēng)的事實(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文比較了我國(guó)現(xiàn)行GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和GB 50011—2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《舊抗規(guī)》)中鋼結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)的差異，并比較了GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)的差異。說(shuō)明了現(xiàn)行規(guī)范未充分利用鋼結(jié)構(gòu)延性折減地震作用，從而使得鋼結(jié)構(gòu)的延性耗能優(yōu)勢(shì)未能充分得到利用，這使得鋼結(jié)構(gòu)的用鋼量不能有效減小，因而存在著在鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中重新引入結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，恢復(fù)折減中震彈性地震反應(yīng)得到設(shè)計(jì)地震作用的必要性。

[1] GB J11—89,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 童根樹(shù).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:65.

[3] GB 50011—2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)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★:常州市科技計(jì)劃項(xiàng)目“中心支撐鋼框架強(qiáng)震倒塌概率和倒塌機(jī)理研究”(CJ20159031)

李國(guó)華(1962- )，男，助理工程師

TU352

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