中日建筑抗震设计标准对比及建筑抗震设计对策

中日建筑抗震设计标准对比及建筑抗震设计对策邓小华重庆市设计院

教授级高级工程师第二批赴日建筑抗震设计/鉴定加固学员2011-6-211“夺命的是建筑物，而不是地震”2011-6-212主要内容地震对策中日建筑设计标准的对比对日本抗震设计的认识和体会日本311大地震及抗海啸设计2011-6-213第一部分：地震对策2011-6-214地震对策（一）•

地震对策：七大对策——地震监测对策、地震预报对策、工程抗震对策、社会防灾对策、救灾对策、恢复重建对策、平息恐慌对策。•

两大基础：一是对于地震本身的运动特征及其所造成的直接破坏的了解，即地震科学另一个是人与社会对地震灾害的反应，即地震社会学2011-6-215地震对策（二）•

地震监测对策：是地震部门为给地震预报提供基本的地震信息而布设测震、前兆观测网络及信息传输系统并使

之合理化、高效能所采取的措施。•

地震预报对策：是政府和地震部门对地震预报意见的决策及其处理方法。其核心是一次地震预报意见应不应该发布、怎样发布。一方面要根据地震预报研究的现状和预报的主要依据对预报可能获得成功的程度作出估计；另一方面必须根据该地区经济、人口、环境条件等对预报发布与否可能产生的社会影响和效果作充分估计，在各种利害因素中把握平衡，寻求可能的最佳方案。62011-6-21地震对策（三）•

工程抗震对策：是对提高建筑物的抗震能力，以求减少人员伤亡和财产损失而采取的结构性抗震措施。根据规定的原则，对新建工程按抗

震设防标准进行设计，对己有建筑物中低于抗震设防标准的

部分进行加固。其核心问题是合理解决抗震安全与经济之间的矛盾，取得投资效益。•

社会防灾对策：是政府为使个人、团体，政府各部门在灾害面前采取适当的协调行动所制定的方针、政策、措施。其核心是地震立法。2011-6-217地震对策（四）•

救灾对策：是在强烈地震以后早期对灾区迅速实施救援、控制灾情、防止续发性灾害曼延的紧急措施，其目的是最大限度地减少伤亡与损失，这依赖于震前的恰当准备、震时的应变能力以及高效能的组织指挥。•

恢复重建对策：是在震后晚期恢复灾区正常经济社会生活、完善城市生命线工程，进而根据基本烈度评定和地震小区划确定重建家园规划的方针、政策和措施。2011-6-218地震对策（五）•

平息恐慌对策：是在没有发生地震的迹象，而由地震谣言或地震误传引起社会恐慌的情况下，由政府和地震部门进行紧急平息以及平时预防的方针、措施。从某种意义上讲，及时平息这类事件实际上也就是一次成功的地震预报。•

必须特别重视重点城市、重大工程设施和高技术中心的防震抗震工作。2011-6-219第二部分：中日建筑设计标准的对比中国和日本建筑抗震设计标准制订的历程中国抗震规范的基本规定中国抗震设计的思路、方法与步骤日本抗震设计的原则、和方法中国的设防烈度与日本的震度日本设计地震力的思路和地震作用的计算日本的结构设计流程中日抗震设计法的比较——包括地震影响系数、地震水平力及楼层水平剪力分布、设计内力、梁柱墙的抗弯抗剪承载力比较2011-6-2110中国建筑抗震设计标准制订的历程•

1978年：《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11-78）基于唐山大地震，采用基地剪力法•

1989年：《建筑抗震设计规范》（GBJ11-89）增加震源距的影响（近震、远震）•

2001年：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）•

2008年：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001，2008年版）汶川地震后基于抗震概念设计的修编•

2011年：《建筑抗震设计规范》（GB50011-2011）2011-6-2111日本抗震设计标准制订的历程（一）日本的建筑抗震设计标准大致经历了三个阶段。第一阶段：抗震设计基准的导入（抗震设计不完善的建筑物在地震中的受损）始于1923年关东大地震后，为基于静态地震烈度的允许应力设计——根据静态地震烈度的容许力度设计（弹性设计）。1924

修订市区建筑物法导入抗震设计基准。K=0.1

设计水平震度容许应力度法：（容许应力度=材料强度的1/2）2011-6-2112日本抗震设计标准制订的历程（二）1950年实施建筑基准法，采用抗震设计基准设计方法。K=0.2

设计水平震度,容许应力基本等于材料强度。（向第二期过渡时期）1964年新泻地震和1968年十胜近海地震后，认识到考虑最终强度、延性、非线性地震反应等的必要性，1971年修订了建筑基准法实施令钢筋构造规定——考虑延性，加强钢筋间隔规定1977年，对既有钢筋混凝土结构的建筑物制定了抗震鉴定标准与修复（加固）设计指南。2011-6-2113日本抗震设计标准制订的历程（三）•

第二阶段：抗震诊断基准・抗震修复指针的制定（既有建筑）•

抗震设计基准的修订（新建筑物）（有抗震设计的建筑物因地震引起的机能障碍）•

1978年宫城县近海地震后，于1981年修订了建筑基准法与实施令（新抗震设计法），考虑了最终强度、延性、非线性地震反应等因素。•

1995年兵库县南部地震（坂神大地震）后，对既有不满足抗震要求的建筑物，颁布了促进抗震修复（加固）的法律。2011-6-2114日本抗震设计标准制订的历程（四）•

第三阶段：性能设计法（性能依存工学）导入抗震设计（估计的地震受损）•

1998年，根据性能化设计的损坏界限和安全界限，修订了建筑基准法和实施令；•

2000年实施了修订建筑基准法（1998）；•

2006年实施促进修订抗震修复的法律（2005）；•

2007年实施修订建筑基准法（2006）2011-6-2115中国抗震规范的基本规定（一）•

用三个不同概率水准和两阶段设计体现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的基本设计原则。•

以抗震设防烈度为抗震设计的基本依据，引入“设计地震分组”，体现地震震级、震中距的影响。•

不同类型的结构需采用不同的地震作用计算方法，并利用“地震作用效应调整系数”，体现某些抗震概念设计的要求。•

按照建筑结构设计统一标准的原则，通过“多遇地震”条件下的概率可靠度分析，建立了结构构件截面抗震承载力验算的多分项系数的设计表达式。2011-6-2116中国抗震规范的基本规定（二）•

把抗震计算和抗震措施作为不可分割的组成部分，强调通过概念设计，协调各项抗震措施，实现“大震不倒”。•

砌体结构需设臵水平和竖向的延性构件形成墙体的约束，以防止倒塌。•

钢筋混凝土结构需确定其“抗震等级”，从而采取相应的计算和构造措施；对框架结构还要求控制“薄弱层弹塑性变形”，通过第二阶段的设计防止倒塌。•

装配式结构需设臵完整的支撑系统，采取良好的连接构造，确保其整体性。2011-6-2117中国的设防烈度（一）中国的地震烈度表（MSK）2011-6-2118中国的设防烈度（二）•

小震：众值烈度，第一水准烈度，50年超越概率63.2%，约50年一遇。•

中震：基本烈度，第二水准烈度，50年超越概率10%，约475年一遇。•

大震：第三水准烈度，50年超越概率2~3%，约1642年~2475年一遇设防烈度与地震加速度的对应关系烈度677强88强9地震动加速度

0.05g

0.10g

0.15g

0.20g

0.30g

0.40g2011-6-2119中国的设防烈度（三）各水准地震加速度最大值（gal）烈

度多遇地震基本地震677强88强918355570

110

14050

100

150

200

300

400罕遇地震

125

220

300

400

530

6202011-6-2120中国抗震设计的思路•

2阶段3水准设计•

小震（多遇地震，比基本烈度低1.5度左右）时的安全性按弹性理论，通过构件的承载力验算，保证其安全性•

中震（基本烈度）时的安全性通过概念设计和抗震构造措施，保证其安全性•

大震（罕遇地震，比基本烈度高1度左右）时的安全性一般情况下通过概念设计和抗震构造措施，保证其安全性有必要时需进行弹塑性分析（验算此时的层间变位）验证其安全性2011-6-2121中国抗震设计的方法与步骤•

根据地区设防烈度和建筑物设防类别确定建筑物设防烈度•

决定设计地震加速度反应谱（地震影响系数曲线）烈度、地震分组、场地土类别•

计算地震荷载以及层间水平剪力•

验算构件抗震承载力•

抗震变形验算基底剪力法、振型分解法、时程分析法•

检验抗震构造措施根据不同的抗震等级，采取相应的抗震措施2011-6-2122日本抗震设计的原则•

建筑物在使用期限内能够承受偶然发生的中等强度的地震,并保证建筑无损坏;并且让建筑物在使用期限内遇到极少发生的强地震时保证不坍塌,并不会危及生命，“小震不坏，大震不倒”。•

依据结构系统,房屋面积,高度等方面的差异,建筑物应当满足一个或多个结构要求。•

根据结构要求的顺序形成了一个设计流程。•

建筑物应当遵从建筑物基本法强制法案,国土大臣知照,基础设施和交通法,建筑结构协会规定等的相关结构规定。2011-6-2123日本的震度（一）日本的震度表2011-6-2124日本的震度（二）震度与地震加速度的关系震

度455.566.57地震动加速度

0.034

0.107

0.191g

0.339

0.603

1.072ggggg烈度与震度的关系烈度677强88强9震度

4.34

4.94

5.29

5.54

5.89

6.142011-6-2125中国的设防烈度与日本的震度2011-6-2126日本建筑物的安全性与分类•

第一号建筑物：高度超过60m的建筑物，即超高层建筑物；•

第二号建筑物：高度低于60m建筑物中的大规模建筑物（高度一般指31m以上）；•

第三号建筑物：高度低于60m建筑物中的中规模建筑物；•

第四号建筑物：以上一号至三号以外的小规模建筑物，无需进行结构计算。2011-6-2127日本的抗震设计方法•

60m以下的建筑物：

容许应力法或保有耐力计算法（1981年）

极限耐力计算法，即性能设计法（2000年）

能量平衡法（2005年）•

60m以上的建筑物：

弹塑性时程解析法

水准1地震（地震速度25cm/s）下层间位移角≤1/200

水准2地震（地震速度50cm/s）下层间位移角≤1/100

水准3地震（地震速度75cm/s）下层间位移角≤1/502011-6-2128日本地震作用的计算•

地震作用按加速度反应谱和速度谱设计。•

地震加速度设计标准小震：地震加速度约80gal，建筑物加速度反应约0.2G大震：地震加速度约400gal，建筑物加速度反应约1.0G•

对于大震情况下的输入地震动，并非一定要求对建筑物进行弹性设计，只是要求建筑物为满足延性应保持的水平承载力。小震、大震均应进行结构分析（计算）2011-6-2129日本设计地震力的思路•

抗震设计规定为2个阶段，地震力规定为2个等级•

一次设计：少有发生的中度地震动产生的地震力容许工作应力计算抗中小程度地震动不毁坏维持功能•

二次设计：极少发生的最高级地震动产生的地震力保持水平承载能力计算抗大的地震动不毁坏确保生命安全最高级是中度的５倍2011-6-2130地震作用设计反应谱2011-6-2131日本地震力估算（一）1）地面部分的地震力—

２）地下部分的地震力—楼层剪力系数的定义k≧

0.1(1-H/40)

ZCi

=ZRt

AiCoZ：地震地区系数（1.0～0.7）Z：地震地区系数（1.0～0.7）Rt：振动特性系数H：地下部分离地基面的深度规定中度地震的地震力Ai：表示地震楼层剪力系数纵向分布的系数Co：标准剪力系数，0.2以上（中度地震）1.0以上（大地震）2011-6-2132日本地震力估算（二）•

振动特性系数Rt——考虑固有周期和地基•

T：建筑物的设计一次固有周期，钢筋混凝土结构T=0.02H～1.2秒(H=60m)•

Tc：根据建筑物基础底部正下方地基的种类而定的数值•

第1种（坚硬）0.4秒；第２种（普通）0.6秒；第３种（柔软）0.8秒2011-6-2133日本地震力估算（三）地震楼层剪力系数的纵向分布系数Ai——考虑建筑物的摇晃方式Ai=

f（T,wi）T：建筑物设计一次固有周期，钢筋混凝土结构T=0.02H～1.2秒(H=60m)wi：建筑物的各层重量2011-6-2134日本的结构设计流程(一）2011-6-2135日本的结构设计流程(二）结构计算方法的选择极限强度计算的流程2011-6-21容许工作应力计算的流程36日本的结构设计流程(三）2011-6-2137日本的结构设计流程(四）2011-6-2138中日抗震设计法的比较（一）——地震影响系数曲线比较（1）比较对象建筑物4层（总高度13.5米）8层（总高度26.7米）12层（总高度39.9米）底层层高3600mm其他层高3300mm楼层建筑面积1000m2单位重量12kN/m22011-6-2139中日抗震设计法的比较（一）——地震影响系数曲线比较（2）多遇地震比较条件（场地特征周期尽可能一致）中国3类场地（Tg

＝0.45-0.65

秒）日本二类场地（Tg＝0.60

秒）2011-6-2140中日抗震设计法的比较（一）——地震影响系数曲线比较（3）罕遇地震2011-6-2141中日抗震设计法的比较（一）——地震影响系数曲线比较（4）对比结果短周期范围内（

40米以下的规整建筑物），日本的大震时地震影响系数值在中国的8度和8度强区的罕遇地震影响系数值之间。周期较长时，日本的大震时地震影响系数值大于中国8度强区的罕遇地震影响系数值。2011-6-2142中日抗震设计法的比较（二）——楼层水平剪力分布比较（1）比较对象建筑物4层钢筋混凝土框架结构8层钢筋混凝土框架结构底层层高3600mm其他层高3300mm楼层建筑面积1000m2单位重量12kN/m22011-6-2143中日抗震设计法的比较（二）——楼层水平剪力分布比较（2）多遇地震2011-6-2144中日抗震设计法的比较（二）——楼层水平剪力分布比较（3）罕遇地震2011-6-2145中日抗震设计法的比较（二）——楼层水平剪力分布比较（4）对比结果按代表重量计算，日本规范的楼层水平剪力与中国8度强区的楼层水平剪力相近。按总重量计算，则与中国8度区的楼层水平剪力相近。层数越高，按日本规范得到的顶层楼层水平剪力将超过中国8度强区的楼层水平剪力。上述结果对多遇地震和罕遇地震均适合。2011-6-2146中日抗震设计法的比较（三）——地震水平力分布比较（1）多遇地震2011-6-2147中日抗震设计法的比较（三）——地震水平力分布比较（2）罕遇地震2011-6-2148中日抗震设计法的比较（三）——地震水平力分布比较（3）12层建筑的比较（多遇地震,总重量）2011-6-2149中日抗震设计法的比较（三）——地震水平力分布比较（4）对比结果按日本规范的地震水平力与中国规范的结果差异较大。在8度强地区，在顶层附近这种差异可高达20%左右。用推倒分析进行罕遇地震下的变形验算时，应适当考虑这种差异的影响。2011-6-2150中日抗震设计法的比较（四）——设计内力的比较（1）构件项目中国10规范日本现行规范

M

Mccb弯矩设计值

Mc

M

M

GEM

1.2

Mccua剪力设计值底层弯矩vcnV

min

V

VaGVGEM

M

/

HbctcV柱M

/

Hcy

nM

/

HbtV

1.2

Mcuacuan扩大系数

1.7，1.5，1.3，1.2角柱剪力扩大系数1.102011-6-2151中日抗震设计法的比较（四）——设计内力的比较（2）构件梁项目中国10规范日本现行规范弯矩设计值M

1.2M

1.3MM

M

MbGEcGEnvbbbGb

V

V

M

l

M

r

/l

V剪力设计值弯矩设计值

min

VVEGV

1.1

M

l

M

r

/l

VVGMa

/HEcynbuabuanGbM

1.2M

1.3MM

M

MwGEcG抗震V

1.2V

1.3V

VwGE墙

剪力设计值

V

V

VMV

1.11.2V

1.3V

GEwuaGEMw2011-6-2152中日抗震设计法的比较（五）——强度指标的比较日本的混凝土设计抗压标准强度FC表示直径100mm高度200mm的圆柱体试件的抗压强度，大致为调和强度的平均值减去1.73倍标准偏差（保证率大致为96%）。其值大约为中国150mm立方体强度的0.82倍。日本的钢筋的屈服强度FY大致为强度平均值减去2倍标准偏差（保证率在97.73%以上），与中国的标准强度大致相同。抗震极限承载力计算时混凝土设计强度的比较2011-6-2153中日抗震设计法的比较（五）——梁的抗弯承载力比较2011-6-2154中日抗震设计法的比较（五）——梁的抗剪承载力比较（1）中国多遇地震时一般框架梁集中荷载下的框架梁日本的规定小震时大震时2011-6-2155中日抗震设计法的比较（五）——梁的抗剪承载力比较（2）中国多遇地震时日本小地震时中国规范的取值比日本规范的取值较大2011-6-2156中日抗震设计法的比较（五）——梁的抗剪承载力比较（3）2011-6-2157中日抗震设计法的比较（五）——柱的抗弯承载力比较（1）中国多遇地震时日本小地震时•

假设混凝土和钢筋均为弹性材料•

假设平截面假定成立•

求解并画出柱断面的轴力-弯矩相关曲线•

利用轴力-弯矩相关曲线求解需要的钢筋2011-6-2158中日抗震设计法的比较（五）——柱的抗弯承载力比较（2）日本大震时2011-6-2159中日抗震设计法的比较（五）——柱的抗弯承载力比较（3）2011-6-2160中日抗震设计法的比较（五）——柱的抗剪承载力比较中国多遇地震时日本小地震时•

日本小地震时没有考虑轴压的正面效应•

不容许柱在地震荷载下产生斜裂缝•

低估箍筋的抗剪效应日本大地震时2011-6-2161中日抗震设计法的比较（五）——剪力墙的抗弯承载力比较日本大震时2011-6-2162中日抗震设计法的比较（五）——剪力墙的斜截面承载力比较（1）中国多遇地震时日本小地震时，无边框柱b

剪力墙墙肢厚度d剪力墙腹板长度Ft混凝土抗拉设计强度日本小地震时，不考虑轴力以及横向钢筋的效应2011-6-2163中日抗震设计法的比较（五）——剪力墙的斜截面承载力比较（2）日本大震时2011-6-2164第三部分对日本抗震设计的认识和体会2011-6-2165对日本抗震设计的认识和体会（一）1.较为完备的防灾减灾、救灾体系

政府主导下的科学防灾减灾、救灾体系的建立

抗震对策的流程化

全民防灾、救灾意识的建立

重视对未成年人的保护2.技术体系的建立和不断完善

科学面对自然灾害——正确认知自然灾害，科学面对

政府对基础研究的重视和投入

企业对科研的重视和投入——科技创新是企业的生命力

产、学、研的紧密结合——使科学技术迅速的转化为生产力2011-6-2166对日本抗震设计的认识和体会（二）3.技术流程的科学化

技术标准较为完备——结合实际灾害，不断调整技术标准

技术标准针对性强，结合实际——根据建筑的类别，采取不同的技术手段（包括设计、鉴定、加固等），目标明确，手段简化4.两国的抗震设防原则有所差异

中国的抗震设计原则是“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

日本的抗震设计原则是“小震（相当于我国的中震）不坏，大震不倒”。

我国与日本在建筑物抗震安全性与分类有所差异，这也是国家发展过程中的必然现象。随着我国经济实力的不断提升，也必将向日本一样，建造抗震性能更好、更安全的建筑。2011-6-2167对日本抗震设计的认识和体会（三）5.相比中国的设计规范，日本的抗震设计方法多样化，实用性和针对性更强，有利于技术人员创新。6.设计地震力的思路清晰，概念明确。7.在设计中贯穿性能化设计思想，综合考虑建筑物的重要性、功能维持、对财产的保护、修复的经济性以及对使用者产生的心理伤害等综合因素。我国基于抗震性能化设计刚起步，可以更多的借鉴日本经验。2011-6-2168对日本抗震设计的认识和体会（四）8.中日双方技术标准的相同点和差异

从双方标准来看，抗震设计的原理基本一致。

由于国情不同，设计原则的有差异，使结构设计的结果不同。9.日本的房屋抗震已从单纯的结构抗震逐步发展为抗震、隔震、利用耗能构件减震相结合的方式，普遍采用减震、隔震技术。由于技术的提升，使建筑物的多样性和结构的安全性同时得到保证。一些重要的建筑和几乎所有的超高层建筑均采用了减震、隔震技术。2011-6-2169对日本抗震设计的认识和体会（五）10.日本重视抗震概念设计，分析手段多样化，地震波的选取科学化，并强调计算结果与试验结果的对比；重视长周期地震对超高层建筑的不利影响。这些做法值得我们在今后规范的制定及结构设计中学习和借鉴。11.在结构分析中，许多计算可通过人工（手算）完成。这对于设计人员判定计算机分析结果的正确性十分重要，可更好的避免计算机分析的黑盒子现象。2011-6-2170对日本抗震设计的认识和体会（六）12.框架结构体系在超高层建筑中的广泛应用是日本目前结构设计的一个特点。这与我国超高层建筑中采用最多的钢筋混凝土核心筒体系有所不同。值得我们反思和借鉴。

与剪力墙结构相比，框架结构建筑的实际情况和规范规定的侧向强度差异更小，因为框架结构建筑的抗震强度评估比剪力墙建筑更准确。因此其安全性更容易通过设计得以保证。

对于延性有限的低层建筑物，剪力墙往往厚实，并起到重要作用，差异会更大。

框架结构更容易与隔震、减震结合，减小地震作用；更容易实现建筑的多样化。2011-6-2171第四部分日本311大地震及抗海啸设计2011-6-2172日本311大地震——地震的基本情况（1）•

震中：日本本州东海岸附近海域——三陆冲(牡鹿半岛的东南偏东约130km付近（北纬38.1,东经142.6）•

震源深度：24公里•

强度：M9.0•

极震区震度：7度•

类型：前震——主震（3月9日在该地区发生了7.3级地震，和这次地震相距40公里左右）•

余震：M7.0以上3次，M6.0以上50次，M5.0以上252次（截止3.23）•

破坏性：巨大•

伤亡情况：死15457人，失踪7676人，伤5389人。受灾约40万人（截止6.17日）•

次生灾害：海啸、核泄漏、火灾2011-6-2173日本311大地震——地震的基本情况（2）•

建筑物得损坏：住宅：全坏112541户；损坏严重91442户；局部损坏355332户非住宅损坏：31024栋火灾损坏：249栋淹没房屋：8311户•

其它损坏：道路3559处；桥梁77处；滑坡197处；决堤4处；铁轨：29处•

水灾面积：561平方公里2011-6-2174日本311大地震——地震的基本情况（3）前震、主震及7级以上余震2011-6-2175日本311大地震——地震的基本情况（4）311主震的震度分布311茨城县冲余震的震度分布2011-6-2176日本311大地震——地震的基本情况（5）407余震的震度分布411余震的震度分布2011-6-2177日本311大地震——地震的基本情况（6）•

海啸浪高：宫古8.5m以上；大船渡8.0m以上；石卷7.6m以上；相马9.3m以上2011-6-2178日本311大地震——地震的基本情况（7）2011-6-2179日本311大地震——部分地震和海啸灾害（1）2011-6-2180日本311大地震——部分地震和海啸灾害（2）2011-6-2181日本311大地震——部分地震和海啸灾害（3）2011-6-2182日本311大地震——海啸的高度计算•

海啸的高度2011