中美钢结构抗震设计规范比较讲座（武汉大学）.ppt

中美钢结构抗震设计规范比较讲座,武汉大学 侯建国 2010.8.12,美国钢结构协会aisc1923年制定了第一本以容许应力设计法(allowable stress design，简称asd)为设计准则的钢结构设计规范。 容许应力设计法作为钢结构设计的基础延用了相当长的时间，后历经多次修改，直至1961年，其基本格式及内容都已基本定型。,1.1美国钢结构设计规范的发展概况,1 美国钢结构设计规范及抗震设计标准体系的发展概况,1989年出版了最后一版asd设计规范aisc(1989)； 2001年对asd又进行了局部修订(aisc 335-89s1)。,由galambos、ellingwood、mac gregor.t和cornell等人发展的、以概率理论为基础的荷载准则，促使美国国家标准化协会(american national standards institute，ansi）制订了一本以概率理论为基础的国家标准ansi a 58.1-1982 “minimum design loads for buildings and other structures”。,它后来又以美国土木工程学会的标准7 (asce 7)出版发行，其最新版本为asce/sei 7-05 “minimum design loads for buildings and other structures”。,1986年，aisc的规范委员会(cos)根据ansi a 58.1-1982的规定，首次推出了以概率理论为基础的荷载抗力系数钢结构设计规范(load and resistance factor design，简称荷载抗力系数设计法lrfd)。,asce/sei 7-05是按概率极限状态设计原则和结构可靠度理论编制的，作为美国各种结构设计规范统一的概率设计准则和荷载取值依据（包括地震作用的取值标准）等，类似于我国的荷载规范，并包括了类似于我国抗震规范中的抗震设防标准、地震动参数及地震作用的取值标准等内容。,aisc的规范委员会在1986年继asd设计规范修订版后，推出了lrfd设计规范，作为与asd并行的设计规范，供设计人员选用。lrfd规范在1991年和1993年历经两次修订，其最新版本为1999年12月27日发布的第三版aisc(2000b）。,由于美国国内部分工程师对lrfd还不够熟悉，而另一些资深工程师对lrfd尚有不同看法，使asd设计法在美国仍较为流行，因而lrfd在较长时间内可能还难以完全取代asd。,aisc充分考虑了工程界的现状和实际需求，于2005年4月，由美国钢结构协会正式发布和出版了目前最新版的ansi/aisc 360-05specification for structural steel buildings，该规范融合了asd和lrfd两种设计方法的理念，可以说是一本同时包括两种设计方法的“统一”和“单一”的设计规范，设计人员可选择两种方法之一(asd或lrfd）进行设计。,应予说明的是，ansi/aisc 360-05仅涵盖了钢结构的静力设计，钢结构的抗震设计还应遵循钢结构抗震设计规范ansi/aisc 341-05 seismic provisions for structural steel buildings的规定。ansi/aisc 341-05的抗震设计原则和抗震设防标准主要依据asce/sei 7-05确定，为钢结构或钢-混凝土组合结构的抗震设计提出了最低的抗震设防标准。,美国工程结构抗震设计的标准体系大体上分为国家标准、协会标准及地方标准（洲或地区的标准）。美国工程结构抗震设计标准体系的发展历程大体上经历了初创、发展、统一等几个发展阶段。,1.2 美国工程结构抗震设计的标准体系介绍,1925年加州发生的santa barbara地震促成了美国第一个带有建筑结构抗震设计内容的规范ubc“uniform building code”（统一建筑规范）于1927年出版，ubc主要用于美国西部各州。,这一阶段的地方性工程结构抗震设计规范除了上述的ubc之外，又相继出现了nbc“national building code”（国家建筑规范）和sbc“standard building code”（标准建筑规范）nbc主要用于美国东北部各州；sbc主要用于美国中南部各州。,20世纪末，美国人看到了将抗震规范统一起来的必要。1995年，ubc、nbc与sbc三本规范编制机构成立了国际规范协会icc（international code council），开始推动建筑结构设计规范的统一。1997年，seaoc推出了最新版的ubc。,2000年，以1997 nehrp provision为基础的ibc 2000规范正式发布实施，取代了ubc、sbc和nbc等规范，从而使美国的抗震设计规范达到了统一。 ibc每3年修订一次，目前最新版本是ibc 2009。可以把ibc视为一个规范门户，由它通向各个专门规范。在抗震设计方面，ibc大多引用了属于国家标准层面的asce/sei 7-05 minimum design loads for buildings and other structures（建筑物和其他结构最小设计荷载）中的建议性条文。,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，至于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，asce 7则援引到其他专门的规范，如混凝土结构抗震设计还要求符合aci 318规范的规定；钢结构抗震设计还要求符合ansi/aisc 341-05“seismic provisions for structural steel buildings”（建筑钢结构抗震设计规范）的规定。,asce/sei 7-05是按概率极限状态设计原则和结构可靠度理论编制的，统一了美国各种结构设计规范的基本设计原则和荷载取值标准（包括地震作用的取值标准）及荷载效应的组合原则和计算公式、荷载分项系数及组合系数的取值规定等，类似于我国的荷载规范，并包括了类似于我国抗震规范中的抗震设防标准、地震动参数及地震作用的取值标准等内容。,本次讲座基于从中美钢结构抗震设计规定的差异性的比较展开，其间列出美国asce/sei 7-05等规范中的一些重要抗震设计参数、公式及适用范围的规定，供设计人员在应用这些规范时参考。,比较中所参考的主要规范和标准包括： 1、asce/sei 7-05 “minimum design loads for buildings and other structures”； 2、ansi/aisc 341-05 “seismic provisions for structural steel buildings”； 3、ansi/aisc 360-05 “specification for structural steel buildings”； 4、gb 50011-2001建筑抗震设计规范（2008年版）； 5、gb 50017-2003 钢结构设计规范。,2 中美钢结构抗震设计方法的比较,2.1 抗震设防目标的比较,2.1.1 gb 50011-2001的抗震设防目标,三水准设防目标和二阶段设计步骤： 三水准设防目标： （1） 当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理即可继续使用“小震不坏”； （2）当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用“中震可修”； （3）当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏“大震不倒”。,三水准的地震作用水平，按三个不同超越概率（或重现期）来区分： （1）多遇地震（小震）：50年的超越概率为63.2%，重现期为50年； （2）设防烈度地震（基本烈度地震，中震）：50年的超越概率为10%，重现期为475年； （3）罕遇地震（大震）：50年的超越概率为2%3%，重现期为24751641年。 根据统计分析，小震烈度约比基本烈度低1.55度，大震烈度约比基本烈度高1度左右。 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。,2.1.2 asce/sei 7-05的抗震设防目标,（1）设防目标：通过最小化地震风险，来为具有考虑保护公众健康、安全、财产功能与使用要求的建筑物提供最低设计标准。针对设计地震等级，改善储存大量危险材料的重要设施与结构的性能，使其在震中和震后保持其功能。,（2）实现方法：美国规范通过对结构考虑两种强度等级的地震作用，“设计地震”和“最大考虑地震”，来实现结构的抗震目标。 1）“最大考虑地震”对应于地震作用区划图上50年超越概率为2的罕遇地震。从超越概率的角度来看，基本上对应于我国规范的“大震”水准； 2）“设计地震”加速度为“最大考虑地震”的2/3。从超越概率的角度来看，“设计地震”强度水准大致与我国规范的“中震”水准相当。,asce/sei 7-05的抗震设防目标大致可以归纳为相当于二水准的设防目标，即对于50年超越概率为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。,2.2 抗震设防依据的比较,2.2.1 gb 50011-2001抗震设防依据,gb 50011-2001抗震设防的主要依据为gb 18306-2001中国地震动参数区划图中的地震基本烈度（或与设计基本地震加速度值对应的烈度值）。 所谓“设计基本地震加速度值”是指50年设计基准期超越概率10%的地震加速度设计取值；已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。,gb 50011-2001将抗震设防烈度值、设计基本地震加速度值与中国地震动参数区划图的地震动峰值加速度值，利用表2-1的对应关系予以联系和协调。,表2-1中的设计基本地震加速度的取值与中国地震动参数区划图所规定的“地震动峰值加速度”相当，只是在0.10g与0.20g之间及0.20g与0.40g之间分别增加了0.15g、0.30g的区域，这两个区分别与7度及8度地区相当。,工程界大多接受地面运动最大加速度的大小对结构反应起主要影响的观点，抗震规范中通常把烈度指标用地震系数k=a/g（a为地面运动峰值加速度，g为重力加速度）表达。因此，表2-1中设计基本地震加速度中g前的系数亦称为对应于抗震设防烈度的地震系数。,2.2.2 asce/sei 7-05抗震设防依据,asce/sei 7-05直接利用美国地质调查局（untied stated geological survey, usgs）给出地震地面运动最大加速度等值线图（也称为地震区划图）作为抗震设防依据。 美国地震区划图给出了短周期（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（参见图2-1）。,图2-1 asce/sei 7-05地震区划图示例（部分）,设计时，可根据建筑物所在地，在地震区划图上查的相应的地震反应谱加速度值。 gb 50011-2001抗震设防烈度（设计基本地震加速度值）与asce/sei 7-05短周期反应谱加速度ss及1s周期反应谱加速度s1等地震动参数之间的对应关系见表2-2表2-3，供参考。,注：由于gb 50011-2001的ii类场地同时与asce/sei 7-05 的c类或d类场地相对应，故表2-2中iic表示gb 50011-2001的ii类场地中相当于asce/sei 7-05 c类场地的部分，表2-3中iid表示gb 50011-2001的ii类场地中相当于asce/sei 7-05 d类场地的部分。,2.3 抗震设防标准的比较,2.3.1 gb 50011-2001的抗震设防标准,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。 gb 50223-2008规定，建筑工程应分为以下四个抗震设防类别： （1）特殊设防类（甲类）：指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。,（2）重点设防类（乙类）：指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。 （3）标准设防类（丙类）：指大量的除1、2、4款以外按标准要求设防的建筑。 （4）适度设防类（丁类）：指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑。,gb 50223-2008规定，各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，见表2-4。,2.3.2 asce/sei 7-05的抗震设防标准,（1）建筑用途分类（occupancy category）：i类、ii类、iii类、iv类共4种，参见表2-5。 （2）按建筑用途分类和设计地震动参数（sds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，分类标准参见表2-6和表2-7。,asce/sei 7-05根据不同结构的建筑用途分类（occupancy category），规定了相应的抗震重要性系数i的取值，其作用是提高重要的和具有危险性的建筑或结构的安全性。抗震重要性系数取值见表2-8，在地震作用的计算中要用到该参数。,asce/sei 7-05根据不同的抗震设防类别，给出了不同的抗震设防标准，并作为结构体系可以采取的地震作用计算方法与抗震构造措施要求的依据，相关要求可以归纳为三个层次： a类：满足最基本的抗震措施要求； b类和c类：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：满足严格的抗震措施要求，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。,2.4 地震作用的计算原则和方法的比较,2.4.1 gb 50011-2001地震作用的计算原则和方法,中国规范按中震烈度(50年超越概率10)对全国进行地震危害程度划分，然后折减大约155度至小震(50年超越概率632)水平计算地震作用，进行结构构件的抗震承载力验算和弹性变形验算，必要时还要计算罕遇地震（大震）的地震作用，进行弹塑性变形验算。,gb 50011-2001规定，各类建筑结构的抗震计算，应采用下列方法： （1）高度不超过40m以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。 （2）除（1）款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。,（3）特别不规则的建筑、甲类建筑和表2-9所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。,（4）计算罕遇地震下结构的变形，可采用简化的弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法。,2.4.2 asce/sei 7-05地震作用的计算原则和方法,（1）美国规范“最大考虑地震”ss的50年超越概率为2，地震重现期为2475年，这与中国规范的大震重现期相当。 （2）设计时，需将“最大考虑地震”地面运动加速度乘以2/3，折减至“设计地震”水平进行抗震设计计算。其地震水平对应的50年超越概率为510，其中美国西部强震地区接近5，中东部弱震地区约为10，这与中国规范的中震水平大致相当。,（3）最后根据不同结构的延性，引入结构反应调整系数r，再次对地震作用进行折减，并以此地震作用效应进行抗震设计计算。 （4）对于竖向地震作用，一般情况下可按0.2sdsd（d为恒荷载标准值的效应）计算；当sds小于或等于0.125g时，或采用式（2-1）进行荷载效应组合时，可以不考虑竖向地震作用。 u=0.9d + 1.0e + 1.6h （2-1）,2.4.3 中美规范地震作用计算方法适用范围的比较,中美规范地震作用计算方法适用范围的对比见表2-10。,2.5 场地分类的比较,gb 50011-2001以及asce/sei 7-05均考虑了场地条件对地震作用的影响。分类时，gb 50011-2001考虑土层平均剪切波速与场地土覆盖深度，将场地土分为i类iv类；asce/sei 7-05考虑平均剪切波速、平均标准贯入锤击数以及平均不排水剪切强度等参数，将场地土分为a类f类（共6类）。表2-11给出中美规范抗震设计场地分类规定对照表。,根据具体的分类标准，现将gb 50011-2001以及asce/sei 7-05的场地分类规定总结于表2-12进行比较。,由表2-12可以看出： （1）gb 50011-2001场地分类为i类的场地与asce/sei 7-05场地分类为a、b、c类的场地相近； （2）gb 50011-2001场地分类为ii类的场地与asce/sei 7-05场地分类为c、d类的场地相近； （3）gb 50011-2001场地分类为iii类的场地与asce/sei 7-05场地分类为d类的场地相近； （4）gb 50011-2001场地分类为iv类的场地与asce/sei 7-05场地分类为e类的场地相近。,2.6 抗震设计反应谱的比较,2.6.1 gb 50011-2001的抗震设计反应谱,gb 50011-2001规范采用的抗震设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出，并规定建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。 地震影响系数，是多次地震作用下不同周期t，相同阻尼比的理想简化的单质点体系的结构体系加速度与重力加速度之比。它是两项的乘积，即地震系数k（地震动峰值加速度与重力加速度之比）和结构体系加速度的动力系数（结构反应加速度与地震动最大加速度之比），即，（t）=sa（t）=k （t），sa（t）为加速度设计反应谱，k =a/g，为地震动峰值加速度，（t）为动力系数。,水平地震影响系数最大值应按表2-13采用；特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表2-14采用，计算8、9度罕遇地震时，特征周期应增加0.05s。对于周期大于6.0s的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究；对于已编制抗震设防区划的城市，应允许按批准的设计地震动参数采用相应的地震影响系数。,gb 50011-2001给出的水平地震影响系数是取阻尼比为0.05，利用动力系数和地震系数k确定的。按二阶段设计要求，第一阶段进行结构抗震承载力与弹性变形验算时采用多遇烈度地震，其k值相当于抗震设防烈度（基本烈度）所对应k值的1/2.8。第二阶段进行结构弹塑性变形验算时采用罕遇烈度地震，其k值相当于抗震设防烈度（基本烈度）所对应k值的1.52.0倍（烈度越高，k值越小）。由此可推得gb 50011-2001规范各设计阶段的max值。,gb 50011-2001抗震规范规定的地震影响系数曲线见图2-2。,除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05，地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按1.0采用，形状系数应符合下列规定： （1）直线上升段，周期小于0.1s的区段。 （2）水平段，自0.1s至特征周期区段，应取最大值 （max）。 （3）曲线下降段，自特征周期至5倍特征周期区段，衰减指数应取0.9。 （4）直线下降段，自5倍特征周期至6s区段，下降斜率调整系数应取0.02。,2.6.2 asce/sei 7-05的抗震设计反应谱,asce/sei 7-05直接给出了设计地震加速度曲线的抗震设计反应谱见图2-3。,美国规范抗震设计反应谱的应用：首先从asce/sei 7-05给出的地震地面运动最大加速度等值线图中查出短周期和1s周期的加速度值（ss和s1）；其次，考虑不同的场地分类，利用场地系数fa、fv对该值进行修正，fa、fv的关取值见表2-15表2-16；最后，对该值乘以“2/3”的系数，将“最大考虑地震”下的地震反应谱加速度转换到设计地震水准下的地震反应谱加速度。,具体的修正要求如下： （1）从地震地面运动最大加速度等值线图中，查得最大考虑地震下的短周期和1s周期加速度值ss和s1。 （2）利用场地系数fa、fv进行修正，得到最大考虑地震下短周期和1s周期的反应谱加速度参数sms、sm1： sms=fass （2-2） sm1=fvs1 （2-3） 进行上述变换的原因是asce/sei 7-05中给出的地震地面运动最大加速度只适用于b类场地，对于其他场地情况需要引入场地系数fa或fv进行调整。,（3）乘以“2/3”的调整系数，得到设计地震水准下的反应谱加速度sds、sd1： sds=（2/3）sms=（2/3）fass （2-4） sd1=（2/3）sm1=（2/3）fvs1 （2-5） 进行上述变换的原因是asce/sei 7-05中的地震地面运动最大加速度等值线图是根据50年超越概率为2%的地震给出的地面运动加速度最大值，但asce/sei 7-05规定的设计地震为50年超越概率为10%的地震，因此，抗震设计时，需要对asce/sei 7-05给出的地震地面运动最大加速度等值线图的加速度值进行折减，即要乘以（2/3）的系数，从而得到asce/sei 7-05规定的设计地震条件下的设计反应谱加速度。,在形式上，asce/sei 7-05的抗震设计反应谱与gb 50011-2001的抗震设计反应谱曲线类似，同样分为四个阶段： （1）上升段，当周期t小于t0时，设计反应谱加速度sa应按式（2-6）计算： sa=sds（0.4+0.6t/t0） （2-6） （2）水平段，当周期t大于等于t0，小于等于ts时，设计反应谱加速度sa应取为sds； （3）下降段之一，当周期t大于等于ts，小于等于tl时，设计反应谱加速度sa应按式（2-14）计算： sa=sd1/t （2-7） （4）下降段之二，当周期t大于tl时，设计反应谱加速度sa应按式2-15计算： sa=sd1tl/t2 （2-8）,结构基本周期t，应通过考虑结构特性和变形特点后采用恰当的分析方法得到。asce/sei 7-05规定结构的基本周期t不应超过表2-17给出的计算周期（cu）的上限，同时结构的近似基本周期ta可按式（2-9）计算。asce/sei 7-05同时规定在大多数条件下可以采用近似的基本周期ta代替结构的基本周期t： （2-9） 其中，hn结构从底部到最高处的高度，单位ft；系数ct和x参见表2-18。,2.6.3 中美规范抗震设计反应谱的比较,抗震设计反应谱是计算地震作用的重要依据，gb 50011-2001采用的设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出，asce/sei 7-05采用的设计反应谱以设计地震地面运动加速度曲线的形式给出。 需要说明的是，虽然gb 50011-2001以及asce/sei 7-05抗震设计反应谱的形式比较相似，但由于gb 50011-2001的抗震设计反应谱采用的是经过调整后的相当于“小震”条件下的地震影响系数曲线，而asce/sei 7-05的抗震设计反应谱采用的是相当于我国“中震”条件下的设计地震加速度反应谱曲线，在进行反应谱加速度值比较时，应注意统一比较标准。,（1）反应谱曲线基本规定的比较 为便于对反应谱曲线的基本规定进行比较，现将gb 50011-2001与asce/sei 7-05规范抗震设计反应谱所考虑的各种因素总结于表2-19。,由表2-19可以看出，gb 50011-2001以及asce/sei 7-05抗震设计反应谱曲线具有相同的特征，都是由直线上升段、水平段和下降段组成，但差异也很明显。具体表现在： 反应谱最长周期。 gb 50011-2001抗震设计反应谱规定的最长周期为6s，对于超高层建筑、大跨桥梁、海洋平台以及大型储油罐等自振周期有可能超过6s的结构，gb 50011-2001规定其地震影响系数应专门研究。 asce/sei 7-05给出了长周期限值tl。, 特征周期。 gb 50011-2001的水平段起始周期取为定值0.1s，终止周期tg根据设计地震分组与场地类别确定。 asce/sei 7-05的水平段起始周期t0和终止周期ts都随着场地影响系数fa、fv以及地震动参数的取值ss、s1的变化而变化。, 设计反应谱曲线下降段。 反应谱曲线下降段与反应谱加速度、阻尼比及场地类别有关。gb 50011-2001采用衰减指数考虑这种关系，但衰减指数却只与阻尼比有关；asce/sei 7-05的衰减指数为常数1.0，但其提供了与场地类型有关的1s周期反应谱加速度设计值，以考虑反应谱下降段的衰减过程。,（2）场地分类对反应谱影响的比较,地震时场地的最大地面运动加速度与场地类别有关，通过地类别对抗震设计反应谱影响的比较示意图（图2-4）可以看出：, gb 50011-2001规范只考虑了场地类别对特征周期的影响，而未考虑场地类型对反应谱加速度最大值的影响，因此在相同抗震设防烈度条件下，gb 50011-2001的抗震设计反应谱只是随场地类型从i类到iv类的变化，反应谱曲线的平台宽度逐渐增大。, asce/sei 7-05采用如下的方法考虑不同的场地类型对反应谱加速度最大值的影响：以b类场地的反应谱加速度为基准，用该加速度值乘以一个场地系数（根据不同的场地分类以及地面运动加速度最大值ss确定），以考虑不同场地类型的影响，针对不同类型的场地，不仅反应谱曲线的平台宽度不同，而且反应谱加速度最大值也会随着场地类型的改变而变化。可见，asce/sei 7-05在考虑场地类型对抗震设计反应谱的影响方面，比gb 50011-2001更为全面。,（3）反应谱值的比较 为量化地比较gb 50011-2001与asce/sei 7-05抗震设计反应谱的差异，考虑中等场地类型，阻尼比为0.05的条件，并参考表2-2给出的中国抗震设防烈度与asce/sei 7-05中地震地面运动最大加速度值的对应关系，对两本规范的抗震设计反应谱值进行比较，并采用matlab软件，作出不同抗震设防烈度（或地震地面运动最大加速度）条件下，gb 50011-2001与asce/sei 7-05抗震设计反应谱的比较图，如图2-5图2-9所示，比较条件见表2-20。,通过上述比较可以看出： 对于中等场地类型，阻尼比为0.05的条件，gb 50011-2001与asce/sei 7-05的反应谱峰值均随着抗震设防烈度（或地震地面运动最大加速度）的提高而增加。在各种设防烈度（或地震地面运动最大加速度）条件下，gb 50011-2001规范的反应谱峰值均低于asce/sei 7-05的反应谱峰值（偏低约55.6%15.3%），反应谱峰值的差距随着抗震设防烈度的提高而逐渐缩小，见表2-21。, 由于gb 50011-2001的抗震设计反应谱的纵坐标为无量纲的地震影响系数，而asce/sei 7-05的抗震设计反应谱的纵坐标为设计反应谱加速度，在进行比较时，统一将反应谱的纵坐标调整为反应谱加速度，单位为g； asce/sei 7-05在第22章中直接给出了tl区划图，按地理位置大致分为4s、6s、8s、12s以及16s，在本次比较中tl取其中位数，即tl=8s。,需要说明的是： gb 50011-2001的设计反应谱是考虑多遇地震（50年超越概率63.2%）条件下的反应谱，而asce/sei 7-05的设计反应谱是考虑设计地震（50年超越概率10%）条件下的反应谱，因此在比较中，需要将gb 50011-2001的反应谱值进行调整（即纵坐标取gb 50011-2001的基本烈度地震条件下的加速度取值），以asce/sei 7-05设计地震条件下的反应谱为基准，保证比较起点一致。, 在各种设防烈度（或地震地面运动最大加速度）条件下，gb 50011-2001的反应谱平台段长度略长于asce/sei 7-05的反应谱平台段长度，差距随设防烈度的提高逐渐缩小，见表2-21。, 在各种设防烈度（或地震地面运动最大加速度）条件下，在短周期段，gb 50011-2001的反应谱值均小于asce/sei 7-05 的反应谱值，随着周期的增大，由于gb 50011-2001反应谱下降指数较小，使得gb 50011-2001的反应谱值在中长周期段逐渐接近并超过asce/sei 7-05 的反应谱值。,2.7 结构抗震设计的原则和方法的比较,中美规范均是采用的概率极限状态设计原则和分项系数设计表达式进行抗震设计。但应注意到与gb 50011-2001采用两阶段设计步骤来实现三水准的设防目标不同，asce/sei 7-05规范只针对设计地震（相当于我国的中震）条件，采用单一阶段设计步骤实现其设防目标，考虑结构的弹塑性性能（通过引入结构反应调整系数r体现结构的延性，该系数主要通过经验，根据不同结构类型的延性要求确定），进行截面抗震承载力验算和抗震变形验算。,（1） gb 50011-2001结构抗震分析的原则和方法 gb 50011-2001采用两阶段设计步骤来实现三水准的设防目标： 1）第一阶段设计为小震下的截面抗震承载力验算，必要时验算小震下的弹性变形，即取第一水准的地震动参数，计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，按分项系数设计表达式进行结构构件的截面抗震承载力验算，这样既满足了在第一水准下具有必要的承载力可靠度，又满足了第二水准下损坏可修的目标；,2.7.1 结构抗震分析的原则和方法的比较,2）第二阶段设计为大震下的弹塑性变形验算。对于大多数结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设防要求；对于有特殊要求建筑、地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，除应进行第一阶段设计外，还应进行结构薄弱部位的弹塑性变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准设防要求。 gb 50011-2001关于结构抗震分析的原则和方法的具体规定如下： 1）除本规范特别规定者外，建筑结构应进行多遇地震作用下的内力和变形分析，此时，可假定结构与构件处于弹性,工作状态，内力和变形分析可采用线性静态计算方法或线性动力方法。 多遇地震作用下的内力和变形分析是gb 50011-2001对结构地震反应、截面抗震承载力验算和变形验算最基本要求。 不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应按本规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析（即非线性分析）。此时，可根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法。 考虑到非线性分析的难度较大，gb 50011-2001只限于对特别不规则并具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏，特,别是有严重的变形集中可能导致地震倒塌的结构，应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。 gb 50011-2001推荐了两种非线性分析方法：静力的非线性分析（推覆分析）和动力非线性分析（弹塑性时程分析）。静力的非线性分析是：沿结构高度施加按一定形式分布的模拟地震作用的等效侧力，并从小到大逐步增加侧力的强度，使结构由弹性工作状态逐步进入弹塑性工作状态，最终达到并超过规定的弹塑性位移。这是目前较为实用的简化弹塑性分析技术，比动力非线性分析节省计算工作量，但也有一定使用局限性和适用性，对计算结果需要工程经验判断。,2）动力非线性分析，即弹塑性时程分析，是较为严格的分析方法，需要较好的计算机软件和很好的工程经验判断才能得到有用的结果，是难度较大的一种方法。gb 50011-2001还允许采用简化的弹塑性分析技术，如钢筋混凝土框架等的弹塑性分析简化方法。 （2） asce/sei 7-05结构抗震分析的原则和方法 asce/sei 7-05规定结构抗震设计采用单一阶段设计法，主要针对设计地震进行抗震验算。 抗震分析采用弹塑性反应谱理论，通过结构反应调整系数（response modification coetficient）r考虑不同结构类型,的延性性能，假定结构处于弹塑性工作状态，内力和变形分析可采用线性静力计算方法、线性动力计算方法或非线性动力计算方法；对于抗震设防类别为d、e、f类，表2-10规定的其他情况的结构不应采用线性静力计算方法进行内力和变形分析。 除了根据结构体系类型本身的延性性能区分相应的结构反应调整系数r值外，如承重墙体体系、框架体系、抗弯框架体系、双重结构体系、框架-剪力墙结构体系，asce/sei 7-05还对同一结构类型设定了几个不同的延性等级：“普通（ordinary）”、“中等（intermediate）”、“特殊（special）”由不同的设计,参数和抗震措施保证此三个等级结构的延性性能依次递增，三者的结构反应调整系数r依次增大，设计地震作用依次降低。 抗震设计时，设计者可以选用不同的延性等级，对于强震区（相当于我国8 度半与9 度地区）只能使用“特殊”等级，对中震区（约相当于我国7 度至8度地区）可以选用“特殊”或“中等”等级，对低震区（相当于我国6、7度地区）可以三者任选。 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。 作为示例，表2-22给出asce/sei 7-05中主要与钢结构有关的c类结构体系的结构反应调整系数r。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。 gb 50011-2001与asce/sei 7-05在结构抗震分析原则方面的最大差别是所考虑的地震作用条件不同，gb 50011-2001分别考虑的是“小震”条件下与“大震”条件下的结构抗震分析，而asce/sei 7-05考虑的是在设计地震（相当于我国的中震）条件下的结构抗震分析。,（1）gb 50011-2001的重力荷载取值及组合值系数 gb 50011-2001的重力荷载取值及组合值系数见表2-23。,2.7.2 重力荷载取值及组合值系数的比较,（2）asce/sei 7-05的重力荷载取值及组合值系数 asce/sei 7-05的重力荷载取值及组合值系数见表2-24。,由表2-23与表2-24可以看出，gb 50011-2001的重力荷载取值水平比asce/sei 7-05略大。,（1）gb 50011-2001规定，结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合，应按下式计算： s=gsge+ehsehk+evsevk+wwswk （2-10） 式中，s结构构件的地震作用效应组合设计值； g重力荷载分项系数，一般情况一般情况应采用 1.2，当重力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于1.0；,2.7.3 地震作用效应组合的比较,eh、ev分别为水平和竖向地震作用分项系数，应按表2- 27 采用； w风荷载分项系数，应采用1.4； sge重力荷载代表值的效应，有吊车时，尚应包括悬吊物重 力标准值的效应； sehk水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数 或调整系数； sevk竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数 或调整系数； swk风荷载标准值的效应； w风荷载组合值系数，一般结构取0.0，风荷载起控制作用 的高层建筑应采用0.2。,gb 50011-2001给出的需要计算竖向地震作用的条件是： 抗震设防烈度为9度时的高层建筑；抗震设防烈度为8度和9度时的大跨度和长悬臂结构。 gb 50011-2001的条文说明中指出：在设防烈度的地震作用下，结构构件承载力的可靠指标是负值，难于按gb,50068-2001分析，gb 50011-2001第一阶段的抗震设计取相当于众值烈度下的弹性地震作用作为额定指标，此时的设计表达式可按gb 50068-2001处理。 关于地震作用分项系数，gb 50011-2001的条文说明中指出，在众值烈度下的地震作用，应视为可变作用而不是偶然作用。这样，根据gb 50068-2001确定直接作用（荷载）分项系数的方法，通过综合比较，gb 50011-2001对水平地震作用，确定eh=1.3，至于竖向地震作用分项系数，则参照水平地震作用，也取ev=1.3。当竖向与水平地震作用同时考虑时，根据加速度峰值记录和反应谱的分析，二,者的组合比为1：0.4，故此时eh=1.3，ev=0.41.30.5。 （2）asce/sei 7-05规定，对于地震作用效应组合，按照荷载抗力系数设计法进行设计时，考虑恒荷载对结构不利的情况，应按下式计算： u=1.2d + 1.0e + l + 0.2s （2-11） 考虑恒荷载对结构有利的情况，应按下式计算： u=0.9d + 1.0e + 1.6h （2-12）,其中，u所需强度（荷载效应组合值）； d恒荷载标准值的效应； l活荷载标准值的效应； s雪荷载标准值的效应； h侧向土压力或侧向水压力的效应； e地震荷载标准值的效应。 当按式（2-11）计算时取e=eh+ev，当按照式（2-12）计算时取e=eh-ev；eh为水平地震作用效应，ev为竖向地震作用效应；eh=qe，为可靠性系数，qe为水平地震作用效应（根据设计基底剪力v计算）；ev=0.2sdsd，sds为短周期设计反应谱,加速度参数，根据asce/sei 7-05给出的抗震设计反应谱计算，当sds小于或等于0.125时，或采用式（2-12）进行荷载效应组合时，可以不考虑竖向地震作用。 asce/sei 7-05关于可靠性系数的规定如下： 可靠性系数是考虑结构体系赘余性和可靠性的系数，在以下情况应取为1.0： 抗震设防类别为b类和c类的结构； 侧移计算以及考虑p-效应时； 非结构构件的设计； 非建筑类结构的设计；, 考虑地震力放大系数的连接组件的接头设计； 要求采用地震力放大系数的接头设计； 计算楼层水平分布力时； 效能减震结构体系的设计。 对于抗震设防类别为d、e、f类的结构，一般情况下应取为1.3，但以下两类情况可取为1.0： 每一个楼层都需要抵抗超过35%的基底剪力的情况； 结构所有楼层的平面规则，并且在任一楼层的任一方向的抗侧力体系至少有两个开间都需要抵抗超过35%的基底剪力的情况。,与中国规范相比，在地震作用效应组合方面的主要差别是： 美国规范在计算地震力时，水平地震作用和竖向地震作用总是同时考虑的。而中国规范只有8度和9度时的大跨结构、长悬臂结构、烟囱和类似高耸结构以及9度时的高层建筑，才考虑竖向地震作用。 美国规范还引入了考虑结构体系赘余性和可靠性的可靠性系数。地震作用分项系数则随的变化而变化。,（1） gb 50011-2001采用概率极限状态设计原则，按分项系数设计表达式进行设计。 gb 50011-2001截面的抗震承载力验算针对小震条件（50年超越概率为63.2%的地震）采用概率极限状态设计原则，按分项系数设计表达式进行设计： sr/re （2-13） 式中：s结构构件的地震作用效应组合设计值； r结构构件承载力设计值； re承载力抗震调整系数，除gb 50011-2001另有,2.7.3 截面抗震承载力验算的比较,规定外，应按表2-26采用。当仅计算竖向地震作用时，各类结构构件承载力抗震调整系数均宜采用1.0。,gb 50011-2001的条文说明中指出：结构在设防烈度下的抗震验算根本上应该是弹塑性变形验算，但为减少计算工作量并符合设计习惯，对大部分结构，将变形验算转换为众值烈度地震作用下构件承载力验算的形式来表现。按照gb 50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准的原则，89规范与78规范在众值烈度下有基本相同的可靠指标，gb 50011-2001略有提高。基于此前提，在确定地震作用分项系数的同时，则可得到与抗力标准值rk相应的最优抗力分项系数，并进一步转换为抗震的抗力函数（即抗震承载力设计值rde），使抗力分项系数取1.0或不出现。,现阶段大部分结构构件截面抗震承载力验算时，采用了各有关规范的承载力设计值rd，因此，抗震设计的抗力分项系数，就相应地变为承载力设计值的抗震调整系数re，即re=rd/rde或rde=rd/re。 （2）asi/aisc 341-05按照美国钢结构设计规范ansi/aisc 360-05的规定，既可采用荷载抗力系数设计法lrfd，也可采用容许应力设计法asd。lrfd法与中国规范的相同，也是采用概率极限状态设计原则，按分项系数设计表达式进行设计；asd法为传统的单一安全系数的容许应力设计法，asd与lrfd的安全度设置水平大体相同，设计人员可在两种方法中选择其一进行设计，但不能混用。,1）ansi/aisc 360-05的设计表达式 lrfd： 设计强度需要强度 （2-14） 或 rnul （2-15） asd： 容许强度需要强度 （2-16） 或 rnua （2-17） 其中，为抗力系数；ul为考虑荷载分项系数后的荷载效应组合设计值，即需要强度；为安全系数；ua为利用asd法确定的荷载组合计算得到的需要强度。rn为名义强度。有关及的取值如表2-27所示。 ansi/aisc 360-05建立了同类构件的强度折减系数（asd）与抗力分项系数（lrfd）之间的关系：,（2-18）,1）lrfd与asd的目标可靠指标 通过可靠度校准分析，lrfd与asd对应的目标可靠指标的要求见表2-28。,2）ansi/aisc 360-05的荷载组合 根据asce/sei 7-05的规定，ansi/aisc 360-05采用的荷载组合见表2-29,3）lrfd与asd的安全度设置水平的比较 以轴心受拉构件为例加以说明。用lrfd设计，抗力系数=0.9，有： 1.2d+1.6l=0.9rn （2-19） 或 1.33d+1.78l=rn （lrfd） （2-20） 用asd设计，轴心受拉构件的安全系数为1.67，得： （2-21） 或 1.67d+1.67l=rn （asd） （2-22） 可得：