中美抗震設(shè)計(jì)規(guī)范地震作用主要參數(shù)比較和轉(zhuǎn)換

1、中美抗震設(shè)計(jì)規(guī)范地震作用主要參數(shù)比較和轉(zhuǎn)換嚴(yán)奉婷張炎（武漢鍋爐股份有限公司湖北武漢430205）摘要：本文從概念上分析了中國(guó)、美國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的不同，提出關(guān)于影響地震作用的部分因素（阻尼比，場(chǎng)地類別，周期，設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)等）在中美規(guī)范中的轉(zhuǎn)換，為今后國(guó)際項(xiàng)目抗震設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：抗震設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)；場(chǎng)地類別；轉(zhuǎn)換；比較COMPARISONANDCONVERSIONOFMAINPARAMETERSBETWEENCHINESECODESANDUSACODESINCALCULATINGSEISMICLOADSYanFengtingZhangYan（WuhanBoilerCompanyLim

2、ited,Wuhan,Hubei,430205）AbstractThispaperpresentsaconceptivecomparisonoftheseismiccodeamongtheseismicdesigncodesofChinaandUSA.Itpresentstheconversionofmainparameters（damping,siteclassification,period,parametersofgroundmotionetc.）incalculatingseismicloads.Hopetoprovidealittlehelpfortheseismicdesignin

3、thefuture.Keywords:seismicdesign;parametersofgroundmotion;siteclassification;conversion;comparison由于電力市場(chǎng)的國(guó)際化，對(duì)于需要走向國(guó)際市場(chǎng)的國(guó)內(nèi)鍋爐行業(yè)來說，各個(gè)地區(qū)會(huì)根據(jù)不同規(guī)范提出相應(yīng)的地質(zhì)條件，如何轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)規(guī)范的相應(yīng)地質(zhì)條件成了十分實(shí)際的問題。本文就影響地震作用計(jì)算的因素如重要性系數(shù)、場(chǎng)地類別、地震動(dòng)參數(shù)、周期等進(jìn)行了中、美的比較，并給出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。1,各國(guó)抗震規(guī)范的基本介紹：1.1, 中國(guó)：GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)防水準(zhǔn)三水準(zhǔn)：多遇地震（小震，50年內(nèi)超越概率約63.

4、2%的地震烈度，重現(xiàn)期50年）；基本烈度（中震，50年內(nèi)超越概率約10%的地震烈度，重現(xiàn)期475年）；罕遇地震（大震，50年內(nèi)超越概率約23%的地震烈度，重現(xiàn)期24741640年）?；鶞?zhǔn)地震GB18306-2001中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖中的地震基本烈度設(shè)防目標(biāo)三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)：小震不壞，中震可修，大震不倒。設(shè)計(jì)方法通過兩階段設(shè)計(jì)，即承載力驗(yàn)算階段和彈塑性變形算階段來實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)：小震下內(nèi)力分析時(shí)假定結(jié)構(gòu)完全彈性，按彈性設(shè)計(jì)；對(duì)甲類建筑、位于高烈度區(qū)和場(chǎng)地條件較差的建筑、超過一定高度的高層建筑、特別不規(guī)則的建筑、采用隔震和消能減震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)等按照大震不倒”要求進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑

5、性變形驗(yàn)算；采用相應(yīng)抗震措施，保證中震下結(jié)構(gòu)在部分屈服后仍然能通過塑性耗能來承擔(dān)地震作用，使其滿足設(shè)計(jì)要求。1.2, 美國(guó)：ASCE/SEI7-05«minimumdesignloadsforbuildingsandotherstructures»ANSI/AISC341-05«SeismicProvisionsforStructuralSteelBuildings»ASCE/SEI7是一個(gè)針對(duì)各種結(jié)構(gòu)形式的荷載規(guī)范，除規(guī)定了直接作用（如永久荷載和可變荷載）的取值規(guī)定外，還規(guī)定了間接作用（如地震作用）的取值規(guī)定，包括抗震設(shè)防目標(biāo)、場(chǎng)地特性、設(shè)計(jì)地震作用、

6、地震響應(yīng)計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)體系與概念設(shè)計(jì)等抗震設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容。ANSI/AISC341-05規(guī)定了結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算和抗震構(gòu)造規(guī)定等具體的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容。設(shè)防水準(zhǔn)單一水準(zhǔn)：MCE（最大考慮地震，50年內(nèi)超越概率約2%的地震烈度，重現(xiàn)期2474年）基準(zhǔn)地震美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（UntiedStatedGeologicalSurvey,USGS）給出了短周期（T=0.2s）和1s周期阻尼比為0.05的地震地面運(yùn)動(dòng)最大加速度等值線圖（也稱為地震區(qū)劃圖）：MCE。設(shè)防目標(biāo)對(duì)丁50年超越概率為510%的設(shè)計(jì)地震，應(yīng)使建筑在震中與震后保持預(yù)期功能，并且結(jié)構(gòu)的損傷是可修的；對(duì)于50年超越概率為2%的最大考慮地震，應(yīng)

7、使結(jié)構(gòu)倒塌的可能性較低。設(shè)計(jì)方法地震作用計(jì)算分析采用彈塑性反應(yīng)譜理論，用設(shè)計(jì)地震（MCE*2/3）進(jìn)行抗震承載力和變形驗(yàn)算，允許結(jié)構(gòu)在進(jìn)入非彈性工作階段。以設(shè)計(jì)地震來計(jì)算地震作用，通過結(jié)構(gòu)反應(yīng)調(diào)整系數(shù)（ResponseModificationCoefficient）R將彈塑性變形下的內(nèi)力折算到彈性狀態(tài)下的內(nèi)力進(jìn)行彈性計(jì)算，驗(yàn)算承載力和彈性狀態(tài)下的位移；將該位移放大Cd來驗(yàn)算彈塑性變形下結(jié)構(gòu)的剛度要求以及作P-分析；對(duì)于特殊要求的結(jié)構(gòu)采用彈塑性時(shí)程分析或push-over方法保證結(jié)構(gòu)在大震下不倒塌。2 .抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的比較中國(guó)：GB50011-2001規(guī)定，所有建筑的抗震設(shè)防類別和抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)

8、符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50223-2008建筑工程抗震設(shè)防類別標(biāo)準(zhǔn)的要求。根據(jù)GB50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)分為甲類（特殊設(shè)防類）、乙類（重點(diǎn)設(shè)防類）、丙類（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類）、丁類（適度設(shè)防類）四個(gè)抗震設(shè)防類別。各抗震設(shè)防類別對(duì)應(yīng)不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求。規(guī)范規(guī)定火力發(fā)電廠生產(chǎn)建筑鍋爐鋼結(jié)構(gòu)屬乙類建筑。美國(guó)：按建筑用途分類（I,II,III,IV）和設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)（Sds或Sdi）,確定建筑物的抗震設(shè)防類別，分為A、B、C、D、E、F,共6類，A類要求滿足最基本的抗震措施要求；B類和C類要求滿足一般性的抗震措施要求，一般只需按照靜力方法計(jì)算地震作用（基底剪力法），結(jié)構(gòu)延性要求較低；D

9、、E、F類要求滿足嚴(yán)格的抗震措施要求，并要求按照動(dòng)力分析方法進(jìn)行地震作用計(jì)算（如振型分解反應(yīng)譜法等），結(jié)構(gòu)延性要求較高。規(guī)定在緊急情況下必須維持供電的電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)為IV類建筑，其他電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)為III類建筑。3 .阻尼比：中國(guó)：鍋爐鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比：對(duì)于單機(jī)容量不大于200MW的懸掛鍋爐阻尼比可采用0.035;對(duì)于大于200MW的懸掛鍋爐阻尼比可采用0.02;罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。基準(zhǔn)反應(yīng)譜中使用的阻尼比為0.05,在地震影響系數(shù)曲線中作調(diào)整。美國(guó)：MCE中使用的阻尼比為0.05,在設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中沒有考慮阻尼比的影響，而是在強(qiáng)度折減系數(shù)R中考慮阻尼比的影響。結(jié)構(gòu)反

10、應(yīng)調(diào)整系數(shù)R是對(duì)結(jié)構(gòu)延性性能和其超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度后的性能的定量體現(xiàn)，主要根據(jù)類似結(jié)構(gòu)在以往地震中的表現(xiàn)，通過經(jīng)驗(yàn)確定。R較高意味著結(jié)構(gòu)延性要求較高，相應(yīng)的設(shè)計(jì)地震作用的折減也較多。4 .建筑的重要性：中國(guó)：GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范指出，根據(jù)地震作用的特點(diǎn)、抗震設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀以及抗震重要性分類與統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中安全等級(jí)的差異，重要性系數(shù)對(duì)抗震設(shè)計(jì)的實(shí)際意義不大，不考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。美國(guó)：ASCE/SEI7-05,table1-1:IV類建筑的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)11.5,III類建筑的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)I=1.25。5 .場(chǎng)地類別的轉(zhuǎn)化5.1, 中美規(guī)范場(chǎng)地類別劃分標(biāo)準(zhǔn)中國(guó)執(zhí)行GB50011-2010

11、:規(guī)范指出按地表以下20m深度范圍內(nèi)巖土層的等效剪切波速Vs20和場(chǎng)地覆蓋層厚度將場(chǎng)地類別劃分為4類（I（I。，I。，II,III,IV）。美國(guó)執(zhí)行ASCE/SEI7-05:指出以表層30m內(nèi)的等效剪切波速Vs30為主，同時(shí)參考標(biāo)慣擊數(shù)，不排水剪強(qiáng)度等指標(biāo)將場(chǎng)地分為6類（A,B,C,D,E,F）。由于本論文主要針對(duì)如何在工程中的運(yùn)用，僅對(duì)常見場(chǎng)地進(jìn)行比較。對(duì)于中國(guó)規(guī)范中飽和砂土和飽和粉土的液化問題，美國(guó)規(guī)范中的F類場(chǎng)地土，不在分析范圍內(nèi)。5.2, 中美規(guī)范場(chǎng)地類別的換算現(xiàn)根據(jù)場(chǎng)地分類的主要參數(shù)等效剪切波速來進(jìn)行場(chǎng)地類別的轉(zhuǎn)化，兩個(gè)等效波速之間的轉(zhuǎn)化參考LUHONGSHAN的論文«CH

12、ARACTERIZATIONOFDIFFERENTSITECATEGORYMETHODONSTRONGGROUNDMOTION»給出。5.2.1. 場(chǎng)地類別一一中國(guó)規(guī)范向美國(guó)規(guī)范轉(zhuǎn)換（表1）中國(guó)規(guī)范（GB50011-2010）美國(guó)規(guī)范(ASCE/SEI7-05)II0Vs20>1500m/sAVs20<1500m/s,BI1Vs20>760m/sBVs20<760m/s,CIIVs20>330m/sCVs20<330m/s,DIIIVs20>160m/sDVs20<160m/s,EIVEVs20地表以下20m深度范圍內(nèi)巖土層的等效剪切波

13、速5.2.2.場(chǎng)地類別一一美國(guó)規(guī)范向中國(guó)規(guī)范轉(zhuǎn)換（表2）美國(guó)規(guī)范(ASCE/SEI7-05)中國(guó)規(guī)范（GB50011-2010）AI0BVs30>760m/s,0Vs3«760m/s,I1CVs30>510m/sI1Vs3«510m/s,IIDVs30>260m/sIIVs30<260m/s,IIIEVs30>150m/sIIIVs30<150m/s,IVVs30地表以下30m深度范圍內(nèi)巖土層的等效剪切波速6 .場(chǎng)地設(shè)計(jì)特征周期及長(zhǎng)周期6.1, 場(chǎng)地特征周期我們知道，場(chǎng)地類別劃分的根本目的是確定場(chǎng)地的設(shè)計(jì)特征周期（沿襲中國(guó)規(guī)范，將它記為T

14、g）。地震影響系數(shù)的特征周期，不僅與場(chǎng)地類別有關(guān)，而且還與設(shè)計(jì)地震分組有關(guān)，可更好地反映震級(jí)大小、震中距和場(chǎng)地條件的影響。中國(guó)：根據(jù)場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組查表。表5:特征周期值I0場(chǎng)地類別IVI1IIIII第一組50.450.65第二組0.250.300.400.550.70第三組0.300.350.450.650.90計(jì)算罕遇地震作用時(shí)，美國(guó)：TSdiFvS1sSdsFaS特征周期應(yīng)增加,根據(jù)場(chǎng)地類別和0.05s。Si,Ss查表求出Fa和Fv,算出Ts=Tg。6.2, 長(zhǎng)周期過渡周期Tl美國(guó)NEHRP2003規(guī)范中的長(zhǎng)周期過渡周期Tl根據(jù)震級(jí)關(guān)系依次為VII度4s,VI

15、II度6s。7 .地震動(dòng)參數(shù)的換算7.1, 中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)的換算依據(jù):7.1.1. 中國(guó)規(guī)范中采用的基準(zhǔn)地震是基本烈度（50年超越概率是10%）,美國(guó)的基準(zhǔn)地震是最大考慮地震（50年超越概率是2%）。兩者地震間通過CN，或us轉(zhuǎn)換；7.1.2. 中國(guó)規(guī)范中反應(yīng)譜加速度是地面峰值加速度，美國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜加速度是結(jié)構(gòu)上的響應(yīng)加速度，兩者相差一個(gè)結(jié)構(gòu)影響系數(shù)；7.1.3. 中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)譜中考慮為II類場(chǎng)地，美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)譜中考慮為B類場(chǎng)地。需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行轉(zhuǎn)換；7.1.4. 中美規(guī)范中基準(zhǔn)阻尼比均為0.05,不需要轉(zhuǎn)換；7.1.5. 兩國(guó)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線類似，曲線均為等加速度、等速度和等位移

16、三個(gè)階段，其中等加速度和等速度的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期為場(chǎng)地設(shè)計(jì)特征周期Tg。7.2, 中國(guó)規(guī)范向美國(guó)規(guī)范的轉(zhuǎn)換中國(guó)規(guī)范向美國(guó)規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)的換算關(guān)系如下：Ss2.5CNAc/FaCNCCaS2.5CNAccTg/Fv其中Ss,S1,Fa和Fv為美國(guó)規(guī)范中的參數(shù)，Ss,S1為美國(guó)規(guī)范ASCE中最大考慮地震下、B類場(chǎng)地短周期和1S對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度，2.5為結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，F(xiàn)a和Fv為場(chǎng)地參數(shù)。Acc和Tg為中國(guó)規(guī)范中的參數(shù)，Acc為與基本烈度相對(duì)應(yīng)的地震地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度。Tg為場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期。CN為2500年重現(xiàn)期（50年超越概率2%）與475年重現(xiàn)期（超越概率10%）對(duì)應(yīng)的峰值加速度的比值。表

17、6：各重現(xiàn)期峰值加速度的比值丫CN50重現(xiàn)期（年）6(0.05g)7度(0.1g)7度(0.15g)8:(0.2g)8:(0.25g)9:0.4g63.2%500.350.350.370.350.370.3510%4751.001.001.001.001.001.002.5%1975-2.512.312.01.71.52%24742.52.972.692.251.841.58具體轉(zhuǎn)換步驟為：1,假定Fa=1,Fv=1,求出相應(yīng)的Si、Ss,2,根據(jù)求出的Si,Ss查出相應(yīng)的Fa,Fv,求出第二次的Si,Ss,3,重復(fù)2直到前后兩次的Ss和Si的誤差小于0.5%。例題1:Vse=200,覆蓋層中

18、國(guó)規(guī)范：8度（0.2g）,第三組，II類場(chǎng)地（場(chǎng)地地層為稍密中砂,厚度為10m）,要求美國(guó)規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)。A>,場(chǎng)地?fù)Q算：a)20m深度的等效剪切波速：Vs20=20/(10/200+10/500)=285m/sb)查5.2.1條款表，Vs20<330m/s,對(duì)應(yīng)美國(guó)規(guī)范D類場(chǎng)地。B>,查表6:千n=2.25,Acc=0.2g,Tg=0.45,假設(shè)Fa=1,Fv=1,代入式1Ss=1.125g,S1=0.506gC>,D類場(chǎng)地,Ss=1.125g,S1=0.506g,查表(ASCE/SEI7-05,table11.4-1、11.4-2),Fa=1.05,Fv=1.5,代

19、入式1Ss=1.071g,S1=0.338gD>,Ss=1.071g,S1=0.338g,查表(ASCE/SEI7-05,Fv=1.724,代入式1Ss=1.049g,S1=0.294gtable11.4-1、11.4-2),Fa=1.072,E>,Ss=1.049g,S1=0.294g,查表(ASCE/SEI7-05,Fv=1.812,代入式1Ss=1.042g,S1=0.279g,table11.4-1、11.4-2),Fa=1.08,F>,Ss=1.042g,S1=0.279g,查表(ASCE/SEI7-05,Fv=1.842,代入式1Ss=1.039g,S1=0.27

20、5g,table11.4-1、11.4-2),Fa=1.083,G>,Ss=1.039g,S1=0.275g,查表(ASCE/SEI7-05,table11.4-1、11.4-2),Fa=1.084,Fv=1.85,代入式1Ss=1.038g,S1=0.274g,Ss1.0391.038ST-1.038-S10.2750.274'S-0.274-0.1%0.5%0.36%0.5%迭代結(jié)束所以，美國(guó)規(guī)范中需要的參數(shù)為Ss=1.038g,S1=0.274g,D類場(chǎng)地。7.3.美國(guó)規(guī)范向中國(guó)規(guī)范的轉(zhuǎn)換美國(guó)規(guī)范向中國(guó)規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)的換算關(guān)系如下ACCTgFaSs2.5usFvSiFaSs

21、1000金案)世置居法占03甥麻100010000100000重璘期（年）Li-i.拶金昭詢眄爾浩舊西高森圖1:美國(guó)部分城市標(biāo)準(zhǔn)化地震危險(xiǎn)性曲線US為2500年重現(xiàn)期(50年超越概率2%)的0.2S譜加速度與475年重現(xiàn)期(50年超越概率10%)的0.2s譜加速度的比值。該值可通過所在地區(qū)的經(jīng)度和緯度在http:/hazards中查至U,而地區(qū)的經(jīng)、緯度可通過百度或谷歌查詢。具體轉(zhuǎn)換步驟為：1,通過而地區(qū)的經(jīng)、緯度，運(yùn)行/hazards中NSHMP_HazardApp.jar程序或查表或查圖得到Ss,Si;2,場(chǎng)地類別轉(zhuǎn)換3,查表求得Fa,Fv,us4,可求出Acc,Tg。118.15,北緯34.04,查得例題2:按照ASCE7-05的地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，洛杉磯位于西經(jīng)Ss=2.122g,S1=0.722g,D類場(chǎng)地。求出對(duì)應(yīng)中國(guó)規(guī)范的參數(shù)。查表US=1.7,F