【中美规范RC剪力墙结构抗震设计对比分析11000字（论文）】

中美规范RC剪力墙结构抗震设计对比分析目录TOC\o"1-3"\h\u1556中美规范RC剪力墙结构抗震设计对比分析 1297721.1抗震设计方法对比 1140091.1.1整体设计思想 1209031.1.2荷载效应组合 3322361.1.3场地类别 4222371.1.4地震作用-延性准则 6296941.1.5地震动参数对应关系 784951.1.6设计反应谱 9221611.1.7基底剪力计算及分配 11244391.2抗震设计算例分析 15270931.2.1工程概况 15150971.2.2地震作用计算结果对比 1762801.2.3抗震设计结果对比 19265881.3小结 26根据不同国家抗震规范进行结构设计并比较结构抗震性能的差异，能更直观、综合地反映两国规范抗震设计的差异，但目前对中美规范中抗震设计的对比研究多集中在条文比较方面，如比较两国的抗震设防目标、地震作用计算方法、梁柱构件的截面承载力计算方法以及构造措施等，对整体结构尤其是量大面广的RC剪力墙结构的抗震性能对比研究较少。本章以RC剪力墙结构作为研究对象，首先从抗震设计方法出发，通过对比中美规范整体设计思想、荷载效应组合、场地类别、设计反应谱以及基底剪力计算方法的差异，分析了中美规范地震作用-延性准则和地震动参数对应关系。利用Etabs分别按照中美规范设计了RC剪力墙结构，研究了两结构弹性地震响应和剪力墙配筋结果的差异并分析了产生差异的原因，为改进我国RC剪力墙结构抗震设计方法提供参考。1.1抗震设计方法对比1.1.1整体设计思想《抗规》采用三水准设防目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的某种具体化。根据我国华北、西北和西南地区对建筑工程有影响的地震发生概率的统计分析，50年内超越概率约为63%的地震烈度为对应于统计“众值”的烈度，中国规范取为第一水准烈度，称为“多遇地震”，重现期为50年；50年内超越概率约10%的地震烈度，即1990中国地震动参数区划图规定的“地震基本烈度”或中国地震动参数区划图规定的峰值加速度所对应的烈度，《抗规》取为第二水准烈度，称为“设防地震”，重现期为475年；50年超越概率2%~3%的地震烈度，《抗规》取为第三水准烈度，称为“罕遇地震”，重现期为1600~2400年。为实现上述三个水准的设防目标，中国规范采用二阶段设计方法：第一阶段是构件承载力验算，即取第一水准的地震动参数计算结构在弹性地震作用下的标准值及相应的地震作用效应，基于《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068[59]规定的分项系数设计表达式进行构件的截面承载力验算，使其可靠度水平同《工业与民用建筑抗震设计规范》TJ11-78[60]基本相当。第二阶段是弹塑性变形验算，对地震时易倒塌结构、有明显薄弱层的不规则结构和有专门要求的结构，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施以实现第三水准的设防要求。ASCE7-16定义50年超越概率2%的地震为“最大考虑地震”（MaximumConsideredEarthquake），取其烈度的2/3（即“设计地震”）作为设防水准，仅在这一水准下进行构件承载力和弹塑性变形验算来实现“结构不倒”的设防目标。在对结构进行弹性分析时，应根据结构形式的不同将结构受到的地震作用分别除以反应谱修正系数（ResponseModificationCoefficient）R来考虑结构延性对削弱地震作用的贡献从而得到设计内力，进而进行构件设计，并对弹性分析得到的位移乘以位移放大系数（DeflectionAmplificationFactor）Cd进行结构变形验算。为直观反映两国设防水准和目标的异同，将两国规范内容列于表1.1同时中美规范均根据重现期的不同对抗震设防水准进行了划分，见图1.1。通过对比可知，美国规范的设计地震相当于中国规范的设防地震，最大考虑地震相当于中国规范的罕遇地震。表1.1中美规范抗震设防水准和设防目标对比国家中国美国设防水准第一水准：50年超越概率为63%的多遇地震水准，重现期50年。第二水准：50年超越概率为10%的设防地震水准，重现期475年。第三水准：50年超越概率为2%~3%的罕遇地震水准，重现期1600~2400年。第一水准：“最大考虑地震”乘以2/3得到的“设计地震”，重现期475年。第二水准：50年超越概率为2%的“最大考虑地震”，重现期2400年。设防目标小震不坏：结构处于弹性阶段，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用。中震可修：允许结构达到或超过屈服极限，但结构的非弹性变形仍在可修复的范围内。大震不倒：结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌。允许部分构件进入塑性阶段，其余构件应处于弹性阶段。控制塑性变形，防止结构在大震作用下发生倒塌或发生危及生命的严重破坏。图1.1中美规范抗震设防水准划分1.1.2荷载效应组合本文仅考虑水平地震作用对结构的影响，且不考虑风荷载，参考《高规》5.6.3条和5.6.4条的规定，同时考虑《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018的最新规定将持久设计状况和短暂设计状况下的恒载、活载作用分项系数分别提高至1.3和1.5，得到中国规范的荷载效应组合见式（3-1）：（3-1）式中：D、L分别表示恒载和活载的作用效应，E表示地震作用效应。美国规范ASCE7-16给出的荷载效应组合见式（3-2）：（3-2）式中的地震作用效应E根据结构类型的不同应进行不同程度的放大，同时E还跟短周期设计地震谱加速度SDS有关，本文参考文献[61]，将美国规范地震作用效应E的分项系数取为1.0。通过对比可以看出，中美规范的荷载组合形式基本相同，仅部分荷载系数有所差别：中国规范的活载效应L的分项系数小于美国规范，地震作用效应E的分项系数大于美国规范。1.1.3场地类别（1）中国规范GB50011-2010中国规范规定，建筑的场地类别，应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分为四类，如表1.2所示，其中Ⅰ类分为Ⅰ0、Ⅰ1两个亚类。当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值处于表中所列场地类别的分界线附近时，应允许按插值方法确定地震作用计算所用的特征周期。土层的等效剪切波速按式（3-3）和（3-4）计算：（3-3）（3-4）式中：υse为土层等效剪切波速（m/s）；d0为计算深度，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；t为剪切波在地面至计算深度之间的传播时间（s）；di为计算深度范围内第i土层的厚度（m）；υsi为计算深度范围内第i土层的剪切波速（m/s）；n为计算深度范围内土层的分层数。表1.2中国规范GB50011-2010场地分类岩石的剪切波速或土的等效剪切波速（m/s）场地类别Ⅰ0Ⅰ1ⅡⅢⅣυs>8000800≥υs>5000500≥υse>250<5≥5250≥υse>150<33~50>50υse≤150<33~1515~80>80注：υs是岩石的剪切波速。（2）美国规范ASCE7-16美国规范根据土的等效剪切波速、标准贯入锤击数和不排水剪切强度将场地类别划分为六类，如表1.3所示。表1.3美国规范ASCE7-16场地分类场地类别等效剪切波速vs（m/s）标准贯入锤击数（/m）不排水剪切强度（kPa）A硬基岩vs>1500B基岩760<vs≤1500C致密土层和软基岩360<vs≤760>50>100D坚硬土层180≤vs≤36015≤≤5050≤≤100E软土层vs<180<15<50F1）地震作用下容易失效或震陷的土层；2）泥岩或富含有机质的粘土层（土层厚度大于3m；3）高塑性粘土层（土层厚度>7.6m且塑性指标PI>75）；4）非常厚的软/中硬度的粘土层（土层厚度>37m）且剪切强度<50kPa。土层的等效剪切波速按式（3-5）计算：（3-5）式中：vs为土的等效剪切波速（ft/s），di为100ft（30m）内第i个土层的厚度（ft）；vsi为100ft（30m）内第i个土层的剪切波速（ft/m）。分别根据中美规范计算同一场地环境下的场地类别，以此来确定两国规范场地类别的对应关系，场地的土层资料见表1.4。表1.4场地土层信息土层底部深度（m）土层厚度（m）岩土类型剪切波速（m/s）1.01.0杂填土1806.01.0粉土24012.06.0细砂31030.018.0砾砂520在用中国规范计算土层等效剪切波速时，计算深度d0取覆盖层厚度和20m两者的较小值；在用美国规范计算土层等效剪切波速时，计算深度d0取定值30m。中国规范：美国规范：查表1.2和1.3可知，同一场地环境下，中国规范的场地类别为Ⅱ类，对应的美国规范场地类别为C类。这个结果与罗开海[62]、吕红山等[63]等学者的结论基本一致。其他场地类别的对应关系见表1.5。表1.5中美规范场地对应关系规范场地对应关系中国规范Ⅰ0ⅡⅢⅥ美国规范A、BCDE1.1.4地震作用-延性准则美国规范ASCE7-16考虑结构延性耗能的差异，将同一结构体系下的结构细分为一般（Ordinary）、中等（Intermediate）和特殊（Special）三个等级，由结构的抗震设计类别（SeismicdesignCategory）和建筑高度（StructuralHeight）决定。其中，地震风险较大的高层结构属于特殊结构（SpecialStructure），而风险较小且高度较低的结构属于一般结构（OrdinaryStructure），中等结构（IntermediateStructure）的风险位于两者之间。在进行结构设计时，首先将设计反应谱除以反应谱修正系数R得到弹性设计反应谱进行构件设计并得到结构弹性层间位移角，之后用计算出的结构弹性层间位移角乘以变形放大系数Cd进行结构变形验算，不同结构体系R和Cd的具体取值见表1.6。表1.6美国规范反应谱修正系数R和变形放大系数Cd结构体系反应谱修正系数R变形放大系数Cd框架结构一般32.5中等54.5特殊85.5剪力墙结构一般65特殊75.5中国规范未明确给出地震作用降低系数，但文献[49]指出，设防地震和多遇地震的地面运动加速度比值即为隐含的地震作用降低系数，见表1.7。表1.7中国规范地震作用降低系数项目7度（0.1g）7度（0.15g）8度（0.2g）8度（0.3g）9度设防地震98147196294392多遇地震355570110140比值2.802.672.802.672.80通过对比可知，中国规范地震作用降低系数与结构延性无关，且在各地震烈度下相差较小，均为2.67或2.80；美国规范的地震作用降低系数考虑了结构延性的差异，即对于延性较好的结构允许降低设计地震作用来进行弹性设计，这种做法不仅能降低材料成本，也对结构本身的抗震性能进行了全面的考虑，更能体现针对性设计，值得借鉴。1.1.5地震动参数对应关系水平地震作用直接影响结构的抗震设计，而设计反应谱则直接影响水平地震作用的计算结果。由1.1.1节的初步分析可知，由于中美两国整体抗震设计思想存在差异，因此用来确定设计反应谱的地震动参数存在诸多不同。如何建立中美两国地震动参数的对应关系从而确定对应的设计反应谱，使之既能符合中美两国的规范要求，又能保证设计出的中美剪力墙结构具有可比性，这是在进行结构设计之前必须要讨论的问题。对于此问题，前人在进行中美规范对比时进行了许多研究，综合来看有以下两种思路：第一种是以罗开海[10]为代表的“统一地震危险性”方法。首先，假定中国罕遇地震与美国MCE的危险性是一致的，并通过等效剪切波速的计算认为中国Ⅱ类场地与美国C、D类场地具有对应关系，之后，根据中国大震和美国MCE的重现期相等将二者峰值加速度统一起来，基于中国规范地震动参数确定对应的美国规范地震动参数，从而建立中美两国地震动参数的对应关系，如表1.8所示。表1.8中美规范地震动参数转换关系（g）参数名称7度（0.10g）7度（0.15g）8度（0.20g）8度（0.30g）9度SS0.651.011.131.381.58S1（第一组）0.160.220.250.330.39S1（第二组）0.180.260.300.390.48S1（第三组）0.210.300.350.460.55计算公式如下：（3-6）（3-7）式中：SS、S1分别为MCE下周期为0.2s和1s的反应谱加速度；γCN为重现期调整系数，如表1.9所示；Acc为中国规范中与基本烈度相对应的基本地面运动峰值加速度；Tg为中国规范中与地震分组相对应的Ⅱ类场地反应谱特征周期；Fa、Fv是美国规范中与场地类别有关的调整系数，分别见表1.10和表1.11。这种方法虽然通过将中国大震和美国MCE的峰值加速度统一至相同水平来体现两国地震作用的一致性，但仍存在以下问题：首先，这种方法仅适用于中国Ⅱ类场地与美国C、D类场地的对比，对于其他场地类别并不适用；其次，计算公式中的Fa、Fv与SS、S1是藕联的，需要通过迭代求解，这样就会导致计算结果存在一定误差；同时，利用这种方法求得的美国规范地震动参数并不是基于规范给定的地震区划图得到的，故换算结果的工程意义需要进一步讨论。第二种是以胡妤[41]、李梦珂[43]、肖从真[47]等为代表的“统一自然条件”方法。首先，按照相同的场地剪切波速分别确定中美规范的场地类别；其次，基于中国大震与美国MCE的超越概率相同，认为此时两国地震作用水平一致，分别计算中美地震作用。在计算中国地震作用时，根据中国区划图确定地震动参数并采用50年内超越概率为63%的弹性反应谱作为设计反应谱；在计算美国地震作用时，根据美国区划图确定地震动参数，以MCE的2/3作为设计反应谱并除以反应谱修正系数（ResponseModificationCoefficient）R进行折减，同时保证与中国规范设计反应谱的差距较小。这种方法虽未直接将地震动参数一一对应，但反应谱的确定过程严格按照两国规范的地震区划进行，具有一定工程意义。综上所述，本文采用第二种方法，分别根据中美地震区划图确定地震动参数和设计反应谱，并严格按照中美规范进行水平地震作用计算和配筋设计。表1.9重现期调整系数γCN重现期（年）7度（0.10g）7度（0.15g）8度（0.20g）8度（0.30g）9度500.350.370.350.370.354751.001.001.001.001.0019752.512.312.001.701.5025002.972.692.251.841.58表1.10场地影响系数Fa场地类别短周期最大考虑地震反应谱加速度SSSS≤0.25SS=0.5SS=0.75SS=1.0SS=1.25SS≥1.5A0.80.80.80.80.80.8B0.90.90.90.90.90.9C1.31.31.21.21.21.2D1.61.41.21.11.01.0E2.41.71.31.21.21.2F单独讨论，见ASCE7-16第11.4.8节表1.11场地影响系数Fv场地类别短周期最大考虑地震反应谱加速度S1S1≤0.1S1=0.2S1=0.3S1=0.4S1=0.5S1≥0.6A0.80.80.80.80.80.8B0.80.80.80.80.80.8C1.51.51.51.51.51.4D2.42.22.01.91.81.7E2.41.71.31.21.21.2F单独讨论，见ASCE7-16第11.4.8节1.1.6设计反应谱（1）中国规范GB50011-2010中国规范的设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出，反映了多遇地震下的地震作用，如图1.2所示。图1.2中国规范设计反应谱水平地震影响系数最大值αmax按表1.12采用，特征周期Tg应根据场地类别和设计地震分组按表1.13采用。参数γ、η1、η2分别按式（3-8）~（3-10）计算：（3-8）（3-9）（3-10）式中：γ为曲线下降段的衰减指数；η1为直线下降段的下降斜率调整系数，小于0时取0；η2为阻尼调整系数，当小于0.55时取0.55；ζ为阻尼比。表1.12水平地震影响系数最大值地震影响6度7度8度9度多遇地震0.040.08（0.12）0.16（0.24）0.32罕遇地震0.280.50（0.72）0.90（1.20）1.40表1.13特征周期值（s）设计地震分组场地类别Ⅰ0Ⅰ1ⅡⅢⅣ第一组0.200.250.350.450.65第二组0.250.300.400.550.75第三组0.300.350.450.650.90（2）美国规范ASCE7-16美国规范的设计反应谱以谱加速度曲线的形式给出，反映了“设计地震”（相当于中国规范的设防地震）下的地震作用，如图1.3所示。图1.3美国规范设计反应谱图中，TL为长周期段过渡周期，按美国规范ASCE7-16图22-14至图22-17选用；SDS、SD1分别为短周期和周期为1s时的设计地震反应谱加速度，T0、Ts为反应谱平台段起始周期和结束周期，分别按式（3-11）~（3-14）计算：（3-11）（3-12）（3-13）（3-14）式中：SMS、SM1分别为短周期和周期为1s时的最大考虑地震反应谱加速度；Fa、Fv是与场地类别有关的调整系数，分别见表1.10和表1.11；SS、S1分别为与地震区划有关的反应谱加速度，根据实际工程的地震区划查美国规范ASCE7-16图22-1~图22-8确定。以中国规范8度（0.3g）和对应的美国规范西海岸地区（SS=1.5、S1=0.6）为例。按照中国规范计算水平地震作用时，采用50年超越概率为63%的多遇地震反应谱，如图1.4（a）中的红色图线所示，其他两条分别为相应于50年内超越概率分别为10%和2%的设防地震及罕遇地震的反应谱。按照美国规范计算水平地震作用时采用设计地震反应谱（相当于MCE的2/3），但考虑到结构的延性和重要性等级，在计算时需再除以R/Ie对设计反应谱进行折减，其中，R为与结构延性有关的反应谱修正系数（查ASCE7-16表12.2-1取R=6），Ie为结构重要性等级（查ASCE7-16表1.5-2取Ie=1.00）。得到的反应谱如图1.4（b）中的红色图线所示。（a）中国规范（b）美国规范图1.4中美规范反应谱1.1.7基底剪力计算及分配（1）中国规范GB50011-2010中国规范规定，对于高度不超过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，其他建筑结构宜采用振型分解反应谱法。采用底部剪力法计算基底剪力时各楼层可仅取一个自由度，按下式计算：（3-15）式中：FEk为结构总水平地震作用标准值；α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数，按表1.12取值；Geq为结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可取总重力荷载代表值的85%。重力荷载代表值取结构、构配件重力荷载标准值与各可变荷载组合值之和，各可变荷载的组合值系数见下表。表1.14中国规范荷载组合值系数可变荷载种类组合值系数雪荷载0.5屋面积灰荷载0.5屋面活荷载不计入按实际情况计算的楼面活荷载1.0按等效均布荷载计算的楼面活荷载藏书阁、档案库0.8其他民用建筑0.5起重机悬吊物重力硬钩吊车0.3软钩吊车不计入采用振型分解反应谱法计算基底剪力时按下式计算：（3-16）（3-17）式中：Fji为j振型i质点的水平地震作用标准值；αj为相应于j振型自振周期的地震影响系数，按图1.3确定；Xji为j振型i质点的水平相对位移；γj为j振型的参与系数。在算得基底剪力后按下式进行分配：（3-18）（3-19）式中：Fi为质点i的水平地震作用标准值；Gi、Gj分别为集中于质点i、j的重力荷载代表值；Hi、Hj分别为质点i、j的计算高度；δn为顶部附加地震作用系数，按表1.15取值；ΔFn为顶部附加水平地震作用。表1.15顶部附加地震作用系数Tg（s）T1>1.4TgT1≤1.4TgTg≤0.350.08T1+0.070.00.35<Tg≤0.550.08T1+0.01Tg>0.550.08T1-0.02（2）美国规范ASCE7-16与中国规范相似，美国规范根据建筑抗震类别、结构体系、动力特性和结构规则性等选用底部剪力法和振型分解反应谱法。同时ASCE7-16还规定，若用振型分解反应谱法得到的基底剪力Vt小于底部剪力法得到的基底剪力V的85%，则应取基底剪力为0.85V。采用底部剪力法计算基底剪力时按下式计算：（3-20）式中，Cs为地震影响系数，由周期为0.2s的设计反应谱加速度SDS、反应谱修正系数R和结构重要性参数Ie共同决定，按式（3-21）计算；W为结构的等效地震重力荷载，包括结构自重和表1.16中其他配件重量。（3-21）Cs不应大于：forT≤TL（3-22）forT>TL（3-23）且不应小于：（3-24）对于S1≥0.6g的结构，Cs也不能小于：（3-25）对于结构的自振周期T，一般不超过计算周期上限系数Cu和近似基本周期Ta的乘积，Cu的取值见表1.17，Ta按下式计算：（3-26）式中，hn为结构的高度，参数Ct和x的取值见表1.18。表1.16美国规范荷载组合值系数荷载类型组合值系数贮藏区域荷载≥0.25隔板荷载（≥0.48kN/m2）1.00永久设备荷载1.00屋面雪压Pf>1.44kN/m20.20屋顶花园及类似区域的景观及其他材料重力荷载1.00表1.17计算周期上限系数CuSD1≤0.10.150.20.3≥0.4Cu1.71.61.51.41.4表1.18周期估算参数Ct和x结构体系Ctx钢框架0.7240.8混凝土框架0.04660.9钢偏心支撑框架0.07310.75钢防屈曲支撑框架0.07310.75其他结构体系0.04880.75采用振型分解反应谱法计算基底剪力时，计算公式与式（3-16）、（3-17）相同，但式中的地震影响系数α应按图1.3确定。求得基底剪力后，各楼层侧向剪力按下式进行分配：（3-27）（3-28）式中，V为设计基底剪力；wx、wi分别为第x层和第i层的重力荷载代表值；hx、hi分别为第x层和第i层的计算高度；k为与结构自振周期有关的系数：结构自振周期不超过0.5s时k=1，结构自振周期超过2.5s时k=2，结构自振周期介于0.5s和2.5s之间时按线性插值取用。1.2抗震设计算例分析1.2.1工程概况本文拟进行中国7度（0.15g）和8度（0.3g）剪力墙结构与美国具有相应地震动水平剪力墙结构在单向地震作用下的设计对比。因此，根据中国规范分别设计如图1.5和图1.6所示的剪力墙结构CH-1和CH-2，其中，CH-1的抗震设防烈度取7度（0.15g），CH-2取8度（0.3g），CH-1在CH-2的基础上进行开洞处理，洞口尺寸1.0m×2.6m。两结构均为Ⅱ类场地，结构抗震等级为二级，设计地震分组为第二组，层高1.3m，结构总高度66.6m（20层）。剪力墙、连梁及楼板的混凝土等级为C30（抗压强度设计值为14.3Mpa，弹性模量为1.0×104MPa），剪力墙、连梁的纵筋及箍筋为HRB400（屈服强度设计值为360Mpa）。楼面恒载为3kN/m2，楼面活载为2kN/m2。按照美国规范对上述方案进行了再设计。为保证两国设计方案具有可比性，美国规范剪力墙结构US-1和US-2的平面布置与按中国规范设计的保持一致，剪力墙、连梁及楼板的混凝土强度为3000psi（抗压强度设计值fc′为20.7MPa，弹性模量为2.6×104MPa），剪力墙、连梁的纵筋及箍筋为Grade40（屈服强度设计值为414MPa），荷载取值同中国规范，设计基本信息见表1.19。按照美国规范确定反应谱参数：US-1和US-2的地震区划定于美国西海岸加利福尼亚地区，地震动参数见表1.20。中美规范剪力墙结构设计反应谱对比见图1.7。表1.19中美规范剪力墙结构基本信息构件参数中国规范美国规范CH-1CH-2US-1US-2剪力墙混凝土C303000psi分布钢筋HRB400Grade40约束边缘构件纵筋HRB400Grade40箍筋厚度300300连梁混凝土C303000psi纵筋HRB400Grade40箍筋截面尺寸300×700300×700表1.20美国规范剪力墙结构地震动参数/g模型SsS1FaFvRIeCdUS-11.50.61.01.361.05US-21.00.4图1.5平立面示意图-7度（0.15g）图1.6平立面示意图-8度（0.3g）图1.7中美规范剪力墙结构设计反应谱对比1.2.2地震作用计算结果对比以上述中美规范剪力墙结构模型的中间一品为例，利用Etabs对其进行抗震分析和配筋设计。考虑到本文设计的剪力墙结构高度超过40m，故按中国规范进行设计时采用振型分解反应谱法计算设计基底剪力；根据美国规范ASCE7-16的规定，结构的设计基底剪力Vt不应小于用振型分解反应谱法计算的基底剪力V1和用底部剪力法计算的基底剪力V2的85%，即Vt≥{V1,0.85V2}，按此方法确定美国规范剪力墙结构的设计基底剪力。两国剪力墙结构的前5阶周期和质量参与系数、基底剪力见表1.21。当设防烈度为7度（0.15g）时，US-1的基底剪力为159.46kN，CH-1的基底剪力为156.91kN，US-1比CH-1约高2%；当设防烈度为8度（0.3g）时，CH-2的基底剪力为409.55kN，US-2的基底剪力为366.39kN，CH-2比US-2约高12%。两国剪力墙结构层间位移角和层间剪力的分布如图1.8和图1.9所示。其中，中国规范的层间位移角限值为1/1000；美国规范的层间位移角为弹性位移乘以位移放大系数Cd=5，规范限值为1/50。CH-1和CH-2的最大层间位移角分别为1/1805和1/1107，均符合中国规范的设计要求；US-1和US-2的弹性最大位移分别为1/1497和1/862，分别是CH-1和CH-2的1.21和1.28倍，放大后的最大位移分别为1/299和1/172，均符合美国规范的设计要求。CH-1和US-1的层间剪力沿楼层的分布基本一致；CH-2和US-2的底部层间剪力相差较大，CH-2比US-2高约12%，随着楼层上升，两结构的层间剪力差距逐渐减小，顶层基本一致。表1.21振型分解反应谱法计算结果计算参数中国规范美国规范CH-1CH-2US-1US-2周期1阶1.461.1911.4991.3822阶0.3670.2830.3460.3293阶0.1690.1280.1580.1494阶0.1030.0780.0970.095阶0.0710.0520.0680.061质量参与系数（累计）1阶0.6810.6730.66930.67272阶0.8510.8540.85710.85443阶0.9050.9050.90980.9054阶0.9340.9320.93740.93235阶0.9520.9490.95420.9493基底剪力V/kN156.91409.55159.46366.39最大层间位移角1/18051/11071/1497（放大前）1/862（放大前）1/299（放大后）1/172（放大后）图1.8层间位移角分布图1.9层间剪力分布1.2.3抗震设计结果对比利用Etabs对上述中美规范剪力墙结构进行配筋设计，具体配筋信息见表1.22和表1.23，具体配筋图见图1.10~1.13，配筋示意图如图1.14和图1.15。（1）7度（0.15g）算例对比由表1.22可知，CH-1的边缘构件长度lc按构造要求统一取为400mm，底部加强部位1~2层的纵筋面积按构造要求取为960mm2，3~20层的纵筋面积按构造要求取为720mm2，水平、竖向分布钢筋配筋率按构造要求统一取为0.25%。US-1的首层剪力墙边缘构件长度为400mm，与CH-1一致，纵筋面积Ac为614mm2，比CH-1约低36%，竖向分布钢筋面积Aw为920mm2，是CH-1的6.13倍；US-1的2层剪力墙边缘构件长度为350mm，比CH-1小12.5%，纵筋面积为430mm2，比CH-2约低55.2%，竖向分布钢筋面积为799mm2，是CH-1的5.33倍；US-1的3层剪力墙边缘构件长度为300mm，比CH-1小25%，纵筋面积为280mm2，比CH-2约低61.1%，竖向分布钢筋面积为654mm2，是CH-1的4.36倍；US-1的4~5层剪力墙边缘构件长度为250mm，比CH-1小37.5%，纵筋面积为188mm2，比CH-2约低71.9%，竖向分布钢筋面积为564mm2，是CH-1的1.76倍；US-1的6~10层剪力墙边缘构件长度为200mm，比CH-1小50%，纵筋面积为150mm2，比CH-2约低79.2%，竖向分布钢筋面积为600mm2，是CH-1的4倍；US-1的11~20层剪力墙未布置边缘构件。统计所有楼层的竖向钢筋面积：CH-1的边缘构件纵筋面积Ac和竖向分布钢筋面积Av分别为14880mm2和3000mm2，US-1的边缘构件纵筋面积Ac和竖向分布钢筋面积Av分别为2450mm2和14001mm2，CH-1的竖向钢筋总面积比US-1多约8.0%。两结构的水平分布钢筋面积一致。整体而言，按7度（0.15g）设计的中美规范剪力墙结构钢筋用量相差不大。（2）8度（0.3g）算例对比由表1.23可知，CH-2的边缘构件长度lc按构造要求取为400mm，US-2沿楼层高度分别取不同值，整体而言，US-2的lc明显大于CH-2。两者差异可以这样解释：首先，由2.2.1节的分析可知，中国规范剪力墙的墙肢长度lc与剪力墙轴压比有关，而CH-2的剪力墙轴压比小于高规第7.2.14条要求的可不设置约束边缘构件的最大轴压比，因此按高规第7.2.16条取lc=400mm；US-2的lc按式（2-4）计算，由于每层剪力墙的相对受压区高度c不同且沿楼层高度呈下大上小的趋势，因此底层的lc最大为900mm，而8~9层的lc为417mm。同时，根据美国规范ACI318-19第18.10.6.4条规定，当剪力墙端部压应力σ<0.15fc′时可不设置边缘构件，故US-2的10~20层仅沿墙肢截面均匀布置分布钢筋。CH-2的边缘构件纵筋面积Ac大于US-2，可以这样解释：一方面，由1.1.4节的分析可知，中国规范8度（0.3g）的地震力降低系数为2.80，小于美国规范的6.0，导致CH-2的水平地震作用大于US-2；另一方面，由1.1.2节分析可知，中国规范的地震荷载组合系数为1.3，大于美国规范的1.0，最终导致CH-2和US-2两者水平地震作用的差距被扩大，从宏观上看，CH-2的边缘构件需要更多纵筋来抵抗地震作用。1~4层内CH-2与US-2的配筋差距逐渐减小，根据高规第7.2.14条构造要求规定，CH-25~20层的Ac取为720mm2，而US-2的10~20层不需设置边缘构件，故两结构的边缘构件在10~20层内的纵筋面积相差较大。除此之外，根据2.1.2节的分析可知，按中国规范计算构件正截面承载力时，如考虑地震作用应对承载力除以小于1的抗震调整系数γRE进行放大，而美国规范则是对承载力乘以小于1的强度折减系数ϕ进行缩小，这就导致两结构纵筋差距进一步缩小。CH-2和US-2的墙体水平分布钢筋面积Aw一致：CH-2按《高规》第7.2.17条规定配筋率取为0.25%，US-2按ACI318-19第18.10.2.1条规定同样取配筋率为0.25%。其次，对于墙体竖向分布钢筋面积Av，CH-2按《高规》第7.2.17条规定取配筋率为0.25%；US-2的Av由承载力确定，1~4层的Av是CH-2的1.54~1.71倍，5~9层是CH-2的1.01~1.20倍，10~20层是CH-2的1.36倍。统计所有楼层的竖向钢筋面积：CH-2的边缘构件纵筋面积Ac和竖向分布钢筋面积Av分别为18580mm2和33000mm2，US-2的边缘构件纵筋面积Ac和竖向分布钢筋面积A