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发表于2020-09-13     57人浏览     1人跟帖     总热度:336  

6度区需要抗震设计吗?

来源:DS结构工作室
新版(第五代)地震区划图将全国的区域均划在地震烈度6度及以上,新版抗规(GB50011-2010(2016版))采用6度及以上地区的建筑均需进行抗震设计的原则,使得中国全境内的建筑需进行抗震设计。
中美均为幅员辽阔,地质情况复杂多变得国家,既有处于强震的区域,也有低烈度的区域。抗震设计,是以结构及构件的承载力和延性的合理组合抵抗地震。一般来说,低烈度区采取高强度-低延性的策略,高烈度区采取低强度-高延性的策略。下面我们通过一个6度区的混凝土框架的设计,探讨一下中美规范抗震设计的异同。一窥见豹,希望通过这个简单的项目,使我们对建筑抗震的实质有新的认识。
如图1,酒店,塔楼B,8层混凝土框架,高36.5m,位于三亚亚龙湾,6度,0.05g类场地。
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1
一、抗规GB50011-20102016版)
按抗规,该结构抗震等级三级,需进行抗震设计,包括抗震承载力计算,强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件,梁柱端部箍筋加密,满足轴压比限值,最小配筋率、配箍率等抗震计算要求和抗震措施。如果不满足抗规的规则性要求,还要进行超限设计及审查。
本工程存在扭转不规则(扭转位移比大于1.2)、凹凸不规则、楼板不连续、尺寸突变(多塔)、局部不规则(夹层、穿层柱)等超限项,需进行超限高层建筑抗震设防专项审查。本项目设计单位为深圳市院,本人参加了该项目的超限审查。
二、美国荷载标准ASCE/SEI 7-16 Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures
20.3 SITE CLASS DEFINITIONS 场地类别 
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项目场地等效剪切波速226m/s,按上表,场地类别应为D类。
11.4.4 Site Coefficients and Risk-Targeted Maximum Considered Earthquake (MCER) Spectral Response Acceleration Parameters 场地系数和场地MCER
The MCER spectral response acceleration parameters for short periods (6度区需要抗震设计吗?_3) and at 1s (6度区需要抗震设计吗?_4), adjusted for site class effects, shall be determined by Eqs. (11.4-1) and (11.4-2), respectively.        
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Ss = the mapped MCER spectral response acceleration parameter at short periods  
S1 = the mapped MCER spectral response acceleration parameter at a period of 1s 
2000年前,美标采用UBC,将全国按设防地面加速度分成0(无地震)、1(0.075g)2a(0.15g)、2b(0.2g)、3(0.3g)、4(0.4g6个区,3、4区为高烈度区,2区为中等烈度区,1区为低烈度区。2000年后,美标采用IBC,美国荷载标准采用大震(2500年一遇)加速度反应谱值进行地震分区,包括短周期即平台处的谱加速度1s处的谱加速度S1
考虑两规范的搭接,可认为它们的大震参数相同,地震动力放大倍数可取2.5,UBC设防地震与大震比值为1/2。
用于设计时,考虑场地系数Fa和Fv,由式(11.4-1)和式(11.4-2)得到考虑场地系数的大震设计谱值6度区需要抗震设计吗?_66度区需要抗震设计吗?_7
场地系数Fa和Fv见表11.4-1和表11.4-2。
6度区,6度区需要抗震设计吗?_8
对于D类场地,由表11.4-1,6度区需要抗震设计吗?_9,6度区需要抗震设计吗?_10
where site coefficients Fa and Fv are defined in Tables 11.4-1 and 11.4-2, respectively. Where Site Class D is selected as the default site class per Section 11.4.3, the value of Fa shall not be less than 1.2.
 
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11.4.5 Design Spectral Acceleration Parameters 设计加速度谱
Design earthquake spectral response acceleration parameters at short periods, 6度区需要抗震设计吗?_13, and at 1s periods,6度区需要抗震设计吗?_14 , shall be determined from Eqs. (11.4-3) and (11.4-4), respectively.            
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美国荷载标准11.4.5规定:设计地震加速度反应谱6度区需要抗震设计吗?_166度区需要抗震设计吗?_17取大震的2/3,按式(11.4-3)、(11.4-4)取值。对于该项目,6度区需要抗震设计吗?_18
11.6 SEISMIC DESIGN CATEGORY 抗震设计类别
All other structures shall be assigned to a Seismic Design Category based on their Risk Category and the design spectral response acceleration parameters, 6度区需要抗震设计吗?_19 and 6度区需要抗震设计吗?_20, determined in accordance with Section 11.4.5. Each building and
structure shall be assigned to the more severe Seismic Design Category in accordance with Table 11.6-1 or 11.6-2, irrespective of the fundamental period of vibration of the structure, T.
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美国荷载标准11.7规定:结构抗震设计类别依据设计地震加速度反应谱6度区需要抗震设计吗?_236度区需要抗震设计吗?_24确定。本项目功能为酒店,安全等级为类,由表11.6-1得到抗震设计分类为B。
11.7 DESIGN REQUIREMENTS FOR SEISMIC DESIGN CATEGORY A 抗震设计类别A设计要求
Buildings and other structures assigned to Seismic Design Category A need only comply with the requirements of Section 1.4.
美国荷载标准11.7规定:抗震设计类别A的结构仅需满足1.4要求。
1.4 GENERAL STRUCTURAL INTEGRITY 结构完整性
1.4.1 Load Path Connections. All parts of the structure between separation joints shall be interconnected to form a continuous path to the lateral force-resisting system, and the connections shall be capable of transmitting the lateral forces induced by the parts being connected. Any smaller portion of the structure shall be tied to the remainder of the structure with elements having the strength to resist a force of not less than 5% of the portion’s weight.
美国荷载标准1.4.1规定:连接按5%自重进行承载力计算。
1.4.2 Lateral Forces 侧向力
Each structure shall be analyzed for the effects of static lateral forces applied independently in each of two orthogonal directions. In each direction, the static lateral forces at all levels shall be applied simultaneously. For purposes of analysis, the force at each level shall be determined using Eq. (1.4-1):     
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6度区需要抗震设计吗?_26 = the design lateral force applied at story x, and
6度区需要抗震设计吗?_27 = the portion of the total dead load of the structure, D, located or assigned to level x.
美国荷载标准1.4.2规定:1%层自重作为层侧向力按一个工况进行结构承载力计算。
综上,抗震设计类别A的结构不需按抗震体系进行抗震设计,仅需满足连接考虑5%自重的承载力和层考虑1%自重的侧向力。
12.2 STRUCTURAL SYSTEM SELECTION 结构体系选择 
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美国荷载标准表12.2-1规定:混凝土框架包括高延性框架(SMF)、中等延性框架(IMF)和低延性框架(OMF)
三种框架应进行地震组合的承载力计算,地震力设计反应谱最大值按式(11.4-3)取值,并除以修正系数R。
低延性框架仅用于抗震设计等级BSDC B)的结构,中等延性框架可用于抗震设计等级BC的结构,高延性框架用于所有抗震设计等级的结构。
18.3 Ordinary moment frames(ACI318-19)低延性框架
由表12.2-1可知,SDC BR为3,即地震力按设防地震1/3取值。柱抗震计算超强系数6度区需要抗震设计吗?_293.0。
18.4 Intermediate moment frames(ACI318-19)中等延性框架
由表12.2-1可知,SDC BR为5,即地震力按设防地震1/5取值。柱抗震计算超强系数6度区需要抗震设计吗?_303.0。
18.4.2 beams 
18.4.2.4 At both ends of the beam, hoops shall be provided over a length of at least 2h measured from the face of the supporting member toward midspan. Spacing of hoops shall not exceed the smallest of (a) through (d):
(a) d/4
(b) Eight times the diameter of the smallest longitudinal bar enclosed
(c) 24 times the diameter of the hoop bar
(d) 12 in.
梁端加密区箍筋间距不大于300mm12英寸)。
18.4.3 columns 
18.4.3.3 At both ends of the column, hoops shall be provided at spacing so over a length lo measured from the joint face.
Spacing so shall not exceed the least of (a) through (c):
(a) For Grade 60, the smaller of 8db of the smallest longitudinal bar enclosed and 8 in.
(b) For Grade 80, the smaller of 6db of the smallest longitudinal bar enclosed and 6 in.
(c) One-half of the smallest cross-sectional dimension of the column
柱端加密区箍筋间距不大于150mm6英寸)。
18.6 Beams of special moment frames(ACI318-19)高延性框架梁
由表12.2-1可知,SDC BR为8,即地震力按设防地震1/8取值。柱抗震计算超强系数6度区需要抗震设计吗?_313.0。
18.6.4.4 The first hoop shall be located not more than 2 in. from the face of a supporting column. Spacing of the hoops shall not exceed the least of (a) through (d):
(a) d/4
(b) 6 in.
梁端加密区箍筋间距不大于150mm6英寸)。
18.7 Columns of special moment frames(ACI318-19)高延性框架柱
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强柱弱梁计算,式(18.7.3.2)中,6度区需要抗震设计吗?_33为梁抗弯能力,6度区需要抗震设计吗?_34为柱抗弯能力。柱的抗弯能力应超过梁的抗弯能力20%。
18.7.5.3 Spacing of transverse reinforcement shall not exceed the least of (a) through (d):
(a) One-fourth of the minimum column dimension
(b) For Grade 60, 6db of the smallest longitudinal bar
(c) For Grade 80, 5db of the smallest longitudinal bar
(d) so, as calculated by:
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The value of so from Eq. (18.7.5.3) shall not exceed 6 in.
and need not be taken less than 4 in.
柱端加密区箍筋间距不大于150mm6英寸)。
综上,美标将砼框架分为低延性框架(OMF)、中等延性框架(IMF)、高延性框架(SMF)
1. 三种框架均需按美国荷载标准11.4.5的设计反应谱进行抗震承载力计算,地震反应修正系数分别取3、5、8;
2. 低延性框架其它要求同非抗震结构;
3. 中等延性框架梁、柱端有箍筋加密区要求;
4. 高延性框架梁、柱端除有更严格的箍筋加密区要求外,还要满足强柱弱梁要求。
三、中美规范抗震设计比较
规范比较是一个系统工程,但仅为说明概念性问题时,可以采用简化方法。下面以水平地震影响系数为基准对中美规范抗震设计进行比较,没有进一步考虑反应谱曲线形状、结构周期影响,荷载分项系数等。考虑到6度区烈度低,这种近似对说明本文的问题应是能够满足的。
美标设计烈度取2/3大震,反应谱最大值为6度区需要抗震设计吗?_36,低延性框架、中等延性框架、高延性框架对应的设计谱最大值(相当于抗规的水平地震影响系数最大值)分别为0.267/3=0.09、0.267/5=0.05、0.267/8=0.03。抗规6度的地震影响系数大震、中震、小震分别为0.28、0.12、0.04。
抗规小震地震影响系数为0.04,比美标的高延性框架的0.03略高,其延性要求与美标高延性框架相当;抗规中震不屈服地震影响系数是小震的两倍,为0.08,与美标的低延性框架的0.09基本相当;抗规大震地震影响系数为0.28,与美标设计烈度的0.267基本一致。
据此,我们下面以抗规小震等同于美标高延性框架,中震不屈服等同于美标低延性框架,大震弹塑性时程等同于美标设计地震,对中美规范抗震进行比较。

0. 抗规性能目标
  7.2.2 结构抗震性能目标
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1. 抗规小震设计
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层间位移角:地震,1/1997;风,1/1282;均满足1/550限值要求。
按抗规设计,地震或风作用下结构的层间位移角都很小,相对于风载,地震不控制。2. 抗规中震设计
以小震设计配筋,按性能目标进行中震验算,结果为:
框架柱纵筋满足中震不屈服,箍筋满足中震弹性。
框架梁纵筋按小震设计,箍筋满足中震不屈服。
综上,该结构基本达到中震不屈服水准。
3. 抗规大震弹塑性时程分析
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层间位移角:1/109,满足1/50限值要求。
框架柱:中度损伤,砼受压区,6度区需要抗震设计吗?_44
框架梁:中度损伤,受拉钢筋,6度区需要抗震设计吗?_45,基本相当于IO阶段。
结构在大震下基本处于弹性状态,满足大震不屈服要求。
4. 对比分析
按前面分析,抗规小震设计满足了中震不屈服验算,就达到了美标低延性框架的要求,即对于该混凝土框架,即可设计成抗规等同于美标的高延性框架,也可以设计成美标的低延性框架。设计成后者的好处是在不增加梁柱纵筋和箍筋的情况下,可不采用梁柱端箍筋加密等一系列抗震构造措施,而只需按非抗震进行构造即可达到本项目的抗震目的。
5. 结论
1) 混凝土框架,美标可采用低延性、中等延性、高延性三种框架进行设计,抗规采用相当于美标的高延性框架进行设计;
2) 高烈度区,应用高延性-低承载力设计理念,宜采用高延性框架进行抗震设计;低烈度区,应用低延性-高承载力设计理念,宜采用低延性框架进行抗震设计;
3) 抗规仅采用延性框架进行抗震设计,在低烈度区可能会造成构造措施的过度采用;
4) 本项目位于6度区,Ⅱ类场地,大震弹塑性时程分析表明结构基本处于弹性状态,可按弹性设计,而不必采用抗震构造措施。

附:抗震等级解析
由前面的讨论可知,对于砼框架结构,抗规的设计方法等同于美标的高延性框架(SMF),这类框架的抗震设计遵循能力设计原理,最重要的一个指标是强柱弱梁,即通过梁的塑性耗能达到吸收地震能量的目的,通过强柱弱梁保证结构大震不倒。下面我们对中美的强柱弱梁设计方法进行对比分析。
美标的强柱弱梁设计,基于ACI318-19第18.7.3.2条。
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式(18.7.3.2)为抗弯能力计算公式,其含义为按实配钢筋计算的柱的抗弯能力不小于梁的抗弯能力的1.2倍。这个实际超过的0.2倍的抗弯能力为柱在梁端截面屈服后保持在弹性范围留出了余地。
再看抗规(GB50011-2010(2016版)),第6.2.2条强柱弱梁计算公式。
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抗规式(6.2.2-2)与美标式(18.7.3.2)一致,不同之处为式(6.2.2-2)柱的弯矩为计算值,但两式的结果是一样的。抗规将此式应用于一级框架,保证了该类结构强柱弱梁的实现。但对于其它抗震等级,抗规按式(6.2.2-1)进行强柱弱梁计算。该式为抗弯需求计算公式,梁的弯矩为内力而不是承载力,它以一个超强系数6度区需要抗震设计吗?_48拟达到强柱弱梁的目的。严格的讲,由于计算值和实配钢筋的差异,式(6.2.2-1)和(6.2.2-2)没有明确的对应关系。考虑到在构建超强系数6度区需要抗震设计吗?_49时规范力图使一、二级情况下两式等同,那么必然得到下面的推论:对于三、四级框架,6度区需要抗震设计吗?_50值偏小,不能保证强柱弱梁的实现。
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表6.1.2为抗规的框架抗震等级分类。可以看出,三、四级框架对应着低烈度6、7度区。根据前面的讨论,6度区地震通常不起控制作用,因而7度区的砼框架是目前抗规的洼地。如果取一、二级6度区需要抗震设计吗?_52的平均值1.6与三级的1.3作比较,前者按20%超强考虑,则后者的超强为(1.2-1.6/1.3)=0,即7度区的三级框架完全没有实现强柱弱梁。

明知三、四级框架做不出强柱弱梁,规范为什么这样作呢(其实我就此问题问过抗规的前辈),或者说规范的用意如何呢?这还是要回到30年前89规范的年代,以当时中国的经济水平,采取这种抓大放小的处理方法是可以理解的,这就好像乙类建筑只加强构造措施不提高地震力的做法如出一辙。然而,目前中国国力已有长足的提升,强柱弱梁的计算方法也应回到正确的轨道上来。修改的方法很简单,取消抗震等级(国外规范没有抗震等级),按公式(6.2.2-2)进行强柱弱梁验算。
写到这,大家突然发现:
1. 不仅是强柱弱梁计算公式,抗规所有具有“强弱”含义的能力设计法计算公式,包括强剪弱弯(6.2.4-1)、(6.2.5-1)、(6.2.8-1)、强节点弱杆件(D.1.1-1)的公式,都存在这一共性问题。而取消抗震等级,恢复“强弱”计算公式的本来面目,是解决这一问题的必由之路;
2. 抗震等级概念,作为极具中国特色的抗震理念,保证了建筑工程最基本的抗震能力。伴随着过去30年中国走过温饱阶段的重要发展历程,抗震等级作为抗规最重要的概念没有之一,为建筑工程的地震安全性起到了保驾护航的作用。随着中国国力的提升,走入小康水平发展快车道,抗震设计思想也要接轨,抗震设计方法也要回归。能力设计法,能力要够!
革命尚未成功,同志仍需努力
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