中美抗震设计规范地震作用主要参数比较和转换
中美抗震设计规范地震作用主要参数比较和转换
严奉婷 张炎
(武汉锅炉股份有限公司 湖北 武汉 430205)
摘  要：本文从概念上分析了中国、美国抗震设计规范的不同，提出关于影响地震作用的部分因素（阻尼比，场地类别，周期，设计地震动参数等）在中美规范中的转换，为今后国际项目抗震设计提供参考。
关键词：抗震设计；设计地震动参数；场地类别；转换；比较
Comparison and Conversion of main parameters between Chinese codes and USA codes in calculating seismic loads
Yan Fengting Zhang Yan
(Wuhan Boiler Company Limited, Wuhan, Hubei, 430205)
Abstract This paper presents a conceptive comparison of the seismic code among the seismic design codes of China and USA. It presents the conversion of main parameters (damping, site classification, period, parameters of ground motion etc.) in calculating seismic loads. Hope to provide a little help for the seismic design in the future.
Keywords：seismic design; parameters of ground motion; site classification;
conversion; comparison
由于电力市场的国际化，对于需要走向国际市场的国内锅炉行业来说，各个地区会根据不同规范提出相应的地质条件，如何转换为设计规范的相应地质条件成了十分实际的问题。本文就影响地震作用计算的因素如重要性系数、场地类别、地震动参数、周期等进行了中、美的比较，并给出相应的转换。
1. 各国抗震规范的基本介绍：
1.1. 中国：GB50011-2010《建筑抗震设计规范》
设防水准
三水准： 多遇地震 (小震，50年内超越概率约63.2％的地震烈度，重现期50年）；
              基本烈度（中震，50年内超越概率约10％的地震烈度，重现期475年）；
                罕遇地震（大震，50年内超越概率约2～3％的地震烈度，重现期2474～1640年）。
基准地震
GB 18306-2001《中国地震动参数区划图》中的地震基本烈度
设防目标
三水准的设防目标：小震不坏，中震可修，大震不倒。
设计方法
通过两阶段设计，即承载力验算阶段和弹塑性变形验算阶段来实现上述三个水准的设防目标:
小震下内力分析时假定结构完全弹性，按弹性设计；对甲类建筑、位于高烈度区和场地条件较差的建筑、超过一定高度的高层建筑、特别不规则的建筑、采用隔震和消能减震设计的结构等按照“大震不倒”要求进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算；
采用相应抗震措施, 保证中震下结构在部分屈服后仍然能通过塑性耗能来承担地震作用, 使其满足设计要求。
1.2. 美国：ASCE/SEI 7-05《minimum design loads for buildings and other structures》
ANSI/AISC 341-05《 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings》
ASCE/SEI 7是一个针对各种结构形式的荷载规范，除规定了直接作用（如永久荷载和可变荷载）的取值规定外，还规定了间接作用（如地震作用）的取值规定，包括抗震设防目标、场地特性、设计地震作用、地震响应计算方法、结构体系与概念设计等抗震设计方面的内容。ANSI/AISC 341-05规定了结构构件抗震承载力验算和抗震构造规定等具体的抗震设计内容。
设防水准
单一水准：MCE（最大考虑地震，50年内超越概率约2％的地震烈度，重现期2474年）
基准地震
美国地质调查局（Untied Stated Geological Survey, USGS）给出了短周期（T=0.2s）和1s周期阻尼比为0.05的地震地面运动最大加速度等值线图（也称为地震区划图）：MCE。
设防目标
对于50年超越概率为5～10%的设计地震，应使建筑在震中与震后保持预期功能，并且结构的损伤是可修的；对于50年超越概率为2%的最大考虑地震，应使结构倒塌的可能性较低。
设计方法
地震作用计算分析采用弹塑性反应谱理论，用设计地震（MCE*2/3）进行抗震承载力和变形验算，允许结构在进入非弹性工作阶段。
以设计地震来计算地震作用，通过结构反应调整系数（Response Modification Coefficient）R将弹塑性变形下的内力折算到弹性状态下的内力进行弹性计算，验算承载力和弹性状态下的位移；将该位移放大Cd 来验算弹塑性变形下结构的刚度要求以及作P-分析；对于特殊要求的结构采用弹塑性时程分析或push-over方法保证结构在大震下不倒塌。
2. 抗震设防标准的比较
中国：GB 50011-2001规定，所有建筑的抗震设防类别和抗震设防标准应符合现行国家标准GB 50223-2008《建筑工程抗震设防类别标准》的要求。根据GB50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》分为甲类（特殊设防类）、乙类（重点设防类）、丙类（标准设防类）、丁类（适度设防类）四个抗震设防类别。各抗震设防类别对应不同的抗震设防标准要求。规范规定火力发电厂生产建筑锅炉钢结构属乙类建筑。
美国：按建筑用途分类（I，II，III，IV）和设计地震动参数（SDS5.2级地震什么概念或SD1），确定建筑物的抗震设防类别，分为A、B、C、D、E、F，共6类，A类要求满足最基本的抗震措施要求； B类和C类要求满足一般性的抗震措施要求，一般只需按照静力方法计算地震作用（基底剪力法），结构延性要求较低； D、E、F类要求满足严格的抗震措施要求，并要求按照动力分析方法进行地震作用计算（如振型分解反应谱法等），结构延性要求较高。规定在紧急情况下必须维持供电的电站锅炉钢结构为类建筑，其他电站锅炉钢结构为III类建筑。
3. 阻尼比：
中国：锅炉钢结构在多遇地震下的阻尼比：对于单机容量不大于200MW的悬挂锅炉阻尼比可采用0.035；对于大于200MW的悬挂锅炉阻尼比可采用0.02；罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。基准反应谱中使用的阻尼比为0.05，在地震影响系数曲线中作调整。
美国：MCE中使用的阻尼比为0.05，在设计反应谱中没有考虑阻尼比的影响，而是在强度折减系数R中考虑阻尼比的影响。 结构反应调整系数R是对结构延性性能和其超过设计强度后的性能的定量体现，主要根据类似结构在以往地震中的表现，通过经验确定。R较高意味着结构延性要求较高，相应的设计地震作用的折减也较多。
4. 建筑的重要性：
中国： GB50011-2010《建筑抗震设计规范》指出，根据地震作用的特点、抗震设计的现状以及抗震重要性分类与《统一标准》中安全等级的差异，重要性系数对抗震设计的实际意义不大，不考虑结构重要性系数。
美国：ASCE/SEI 7-05，table1-1： IV类建筑的结构重要性系数1.5，III类建筑的结构重要性系数I＝1.25。
5. 场地类别的转化
5.1. 中美规范场地类别划分标准
中国执行GB50011-2010：规范指出按地表以下20m深度范围内岩土层的等效剪切波速Vs20和场地覆盖层厚度将场地类别划分为4类（（I0，I1），，，）。
美国执行ASCE/SEI7-05：指出以表层30m内的等效剪切波速Vs30为主，同时参考标惯击数，不排水剪强度等指标将场地分为6类（A，B，C，D，E，F）。
由于本论文主要针对如何在工程中的运用，仅对常见场地进行比较。对于中国规范中饱和砂土和饱和粉土的液化问题，美国规范中的F类场地土,不在分析范围内。
5.2. 中美规范场地类别的换算
现根据场地分类的主要参数等效剪切波速来进行场地类别的转化，两个等效波速之间的转化参考lu hongshan的论文《CHARACTERIZATION OF DIFFERENT SITE CATEGORY METHOD ON STRONG GROUND MOTION》给出。
5.2.1. 场地类别——中国规范向美国规范转换（表1）
中国规范（GB50011-2010）
→
美国规范（ASCE/SEI7-05）
I0
→
Vs20≥1500m/s，A
Vs20<1500m/s，B
I1
→
Vs20≥760m/s，B
Vs20<760m/s，C
→
Vs20≥330m/s，C
Vs20<330m/s，D
→
Vs20≥160m/s，D
Vs20<160m/s，E
→
E
Vs20―――地表以下20m深度范围内岩土层的等效剪切波速
5.2.2. 场地类别——美国规范向中国规范转换（表2）
美国规范（ASCE/SEI7-05）
→
中国规范（GB50011-2010）
A
→
I0
B
→
Vs30≥760m/s,I0
Vs30<760m/s,I1
C
→
Vs30≥510m/s，I1
Vs30<510m/s，
D
→
Vs30≥260m/s，
Vs30<260m/s，
E
→
Vs30≥150m/s，
Vs30<150m/s，
Vs30―――地表以下30m深度范围内岩土层的等效剪切波速
6. 场地设计特征周期及长周期
6.1. 场地特征周期
我们知道，场地类别划分的根本目的是确定场地的设计特征周期（沿袭中国规范，将它记为Tg）。地震影响系数的特征周期，不仅与场地类别有关，而且还与设计地震分组有关，可更好地反映震级大小、震中距和场地条件的影响。
中国：根据场地类别和设计地震分组查表。
表5：特征周期值
设计地震分组
场地类别
I0
I1
II
III
IV
第一组
0.20
0.25
0.35
0.45
0.65
第二组
0.25
0.30
0.40
0.55
0.70
第三组
0.30
0.35
0.45
0.65
0.90
计算罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s。
美国：，根据场地类别和S1，Ss查表求出Fa和Fv，算出Ts＝Tg。
6.2. 长周期过渡周期TL
美国NEHRP2003规范中的长周期过渡周期TL根据震级关系依次为VII度4s，VIII度6s。
7. 地震动参数的换算
7.1. 中国规范和美国规范地震动参数的换算依据：
7.1.1. 中国规范中采用的基准地震是基本烈度（50年超越概率是10％），美国的基准地震是最大考虑地震（50年超越概率是2％）。两者地震间通过，或转换；
7.1.2. 中国规范中反应谱加速度是地面峰值加速度，美国规范反应谱加速度是结构上的响应加速度，两者相差一个结构影响系数；
7.1.3. 中国规范设计谱中考虑为II类场地，美国规范设计谱中考虑为B类场地。需要对场地进行转换；
7.1.4. 中美规范中基准阻尼比均为0.05，不需要转换；
7.1.5. 两国的设计反应谱曲线类似，曲线均为等加速度、等速度和等位移三个阶段，其中等加速度和等速度的交点对应的周期为场地设计特征周期Tg。
7.2. 中国规范向美国规范的转换
中国规范向美国规范地震动参数的换算关系如下: 
                                                                                                        式1
其中Ss，S1，Fa和Fv为美国规范中的参数，Ss，S1为美国规范ASCE中最大考虑地震下、B类场地短周期和1S对应的结构响应加速度，2.5为结构影响系数，Fa和Fv为场地参数。Acc和Tg为中国规范中的参数，ACC为与基本烈度相对应的地震地面运动峰值加速度。Tg为场地反应谱特征周期。为2500年重现期（50年超越概率2％）与475年重现期（超越概率10％）对应的峰值加速度的比值。

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