论文部分内容阅读
【摘要】本文从建筑设计方面考虑，通过对比国外的相关抗震规范条文与中国抗震设计规范（GB5001l-2001），发现我国规范中存在的一些问题，汇总并提出了一些可以参考国外抗震设计规范来弥补我国规范的建议。
【关键词】中国抗震规范；问题
我国抗震设计规范（GB50011-2001）在其指导设计人员对我国建筑结构进行抗震设计时存在部分问题。多年来，我国不断发生的地震造成了国家和人民财产损失和伤亡。被埋在倒塌的废墟下生命为数众多，一直刺痛着我国建筑结构设计人员的心。为了让建筑能够保障人民生命安全，在灾难来临时与死神抢夺救援时间，争取救援机会，参考国外建筑抗震设计规范来补充和完善我国建筑抗震规范是有积极意义的。
1、抗震设防目标
我国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）从经济方面设定的“三个水准”设计目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，美国规范（IBC2006）从生命安全方面明确提出所有建筑设计的最低目标：在结构受地震作用时保护生命安全。
美国规范的出发点更注重人的生命安全，更加人性化。而我国规范更倾向于最经济的原则。当设计人员以生命安全为设计目标时，所有关键决策的问题和各种限制条件就有优先性，他们以生命安全为首要条件，而最经济的原则作为次之。中美规范的设计原则看似接近，但对设计人员而言，美国规范会更清楚结构在地震时非弹性的表现，就会采取具体的延性构造措施。而正是这些延性构造措施在地震时保护人的生命，为救援和逃生提供了相对充足的时间。
2、抗震设防分类和设防标准
中国抗震规范规定建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类4个抗震设防类别。规范要求甲类建筑设计地震作用和抗震措施都应高于本地区抗震设防烈度的要求，乙类建筑地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求，但抗震措施应相应提高。从规定来看，医院，消防以及紧急指挥中心应归于乙类建筑。大部分学校应归于丙类建筑。
美国规范规定所有的建筑物必须有一个居住类别，这个类别在风、雪、洪水和地震等荷载规范中都有应用。IBC2006的地震荷载规范规定每个建筑都按居住类别确定一个重要系数。Ⅳ类建筑的重要系数是1.5，Ⅲ类是1.25，I类和Ⅱ类是1.0。建筑结构的地震水平荷载与重要系数成正比。
由此得出结论：对于不能算作重大建筑工程的医院、学校、消防站等建筑，如果按中国规范计算，其抗震设计与临近的民用商用建筑相同。而如果按照美国统一规范计算，这些建筑的抗震设计是临近的民用商用建筑的1.25或1.5倍。
3、建筑结构的规则性
中国规范和美国规范都对规则与不规则结构做了定量的划分，并规定了不应在抗震结构中采用严重不规则的设计方案。IBC2006规定结构的每个垂直方向都必须算出一个赘余系数，这个系数的大小取决于结构是否有多道抗震防线。对于拥有多道抗震防线，结构布置均匀对称的结构，冗余系数=1.0。而对于拥有抗震防线较少或不均匀布置的结构，赘余系数=1.3。
由此得出结论：美国IBC规范中提出的赘余系数概念，被用来在荷载组合中乘以地震作用，这就进一步提高了不规则结构在地震作用下保证生命安全的能力。而加州特别规范中关于结构规则性的一些强制规定也避免了房屋倒塌和人员伤亡。
4、建筑结构传力途径
我国抗震规范规定结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传力途径。但是没有详细说明应怎样保证合理的传力途径。IBC2006中规定：楼盖与楼板必须按照指定的楼盖设计横向力当作抗剪和抗弯构件来设计。抗剪即像剪力墙一样计算和设置抗剪配筋，抗弯即像深梁一样计算弯矩，设置上弦与下弦配筋来抵抗弯矩。地震横向力由收藏单元从楼盖传递给竖向抗震构件。这些收藏单元和相关的链接必须按照乘以超载系数的设计力来计算，也就是说收藏单元在设计地震下保持弹性以保证横向力的有效传递。在剪力墙与楼盖的浇筑连接处，必须计算剪摩擦以保证剪力的传递。对于结构基础而言，必须计算推翻效应。对于结构承重墙，必须计算其垂直于墙面方向的外向力，验算墙与楼盖的锚固以保证承重墙在地震时持续承重，避免楼盖倒塌。
由此得出结论：在IBC2006中有具体的条例和计算公式来保证设计横向力能被传递到建筑的基础。随着我国抗震经验的增加，建议下一版规范可对于保证传力途径的合理性给出具体的相关公式。
5、砌体结构抗震设计与构造措施
砌体结构是中国学校常用的结构体系，特别常见的是无筋砌体剪力墙与混凝土构造柱圈梁的结合。抗震规范规定了砌体抗震墙、混凝土构造柱和圈梁的设计与构造措施。IBC2006的砌体结构设计基本引用砌体结构规范ACI530。该规范的抗震章节规定了5种砌体抗震墙结构体系及其应用范围。这5种体系是：（1）无筋砌体墙结构，（2）有构造措施的无筋砌体，（3）普通配筋砌体墙，（4）中型配筋砌体墙，（5）特殊配筋砌体墙。特殊配筋砌体墙要求墙内有一定数量的均匀的水平和竖向配筋，竖向配筋的最大间距不超过48英寸（1.22m），并且不超过三分之一的墙宽或墙高。另外墙顶和洞口处都应有加强钢筋。
比较中国和美国砌体抗震规范，最基本的一条是设计剪力。美国规范应用延性设计原则，将中震下的设计荷载用延性系数R来折减到弹性阶段。对于砌体结构，延性系数 取在1.5～5之间。有构造措施的无筋砌体延性系数仅为2。这也就是说设计剪力要比延性好的结构体系要高得多。中国规范应用小震作用作为弹性設计剪力，所有的结构体系都相同。对于砌体结构应用小震作用并不能保证在中震或大震下的安全表现。
由此得出结论：混凝土构造柱圈梁对无筋砌体墙提供的延性也许并不与其设计剪力相匹配。如果我国规范下一版能对这一点加以考虑，应该能提高砌体结构在中震和大震时的抗震表现。
总结：
综上所述，中国抗震规范比较详细的规定了建筑结构抗震设计的原则与各类结构设计的条规。按照规范设计施工的建筑应能保证小震不坏，大致能够预期中震可修，但对于大震不倒的设计目标在汶川地震中没有全部得到实现。本文仅从中外的抗震规范对比来重点探讨国外规范可以参考之处，众所周知任何设计规范都是从实践和教训中得到提高和完善。中国抗震规范也是基于地震震害的教训和经验的总结，还有待完善和提高。另外中国规范较早的版本考虑早期经济投入因素较重，其后的版本对经济考虑也较重。建议随着经济水平的提升，修订抗震规范考虑的侧重点应从经济因素转向生命安全因素，尽量保证人民生命安全的需求。
【关键词】中国抗震规范；问题
我国抗震设计规范（GB50011-2001）在其指导设计人员对我国建筑结构进行抗震设计时存在部分问题。多年来，我国不断发生的地震造成了国家和人民财产损失和伤亡。被埋在倒塌的废墟下生命为数众多，一直刺痛着我国建筑结构设计人员的心。为了让建筑能够保障人民生命安全，在灾难来临时与死神抢夺救援时间，争取救援机会，参考国外建筑抗震设计规范来补充和完善我国建筑抗震规范是有积极意义的。
1、抗震设防目标
我国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）从经济方面设定的“三个水准”设计目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，美国规范（IBC2006）从生命安全方面明确提出所有建筑设计的最低目标：在结构受地震作用时保护生命安全。
美国规范的出发点更注重人的生命安全，更加人性化。而我国规范更倾向于最经济的原则。当设计人员以生命安全为设计目标时，所有关键决策的问题和各种限制条件就有优先性，他们以生命安全为首要条件，而最经济的原则作为次之。中美规范的设计原则看似接近，但对设计人员而言，美国规范会更清楚结构在地震时非弹性的表现，就会采取具体的延性构造措施。而正是这些延性构造措施在地震时保护人的生命，为救援和逃生提供了相对充足的时间。
2、抗震设防分类和设防标准
中国抗震规范规定建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类4个抗震设防类别。规范要求甲类建筑设计地震作用和抗震措施都应高于本地区抗震设防烈度的要求，乙类建筑地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求，但抗震措施应相应提高。从规定来看，医院，消防以及紧急指挥中心应归于乙类建筑。大部分学校应归于丙类建筑。
美国规范规定所有的建筑物必须有一个居住类别，这个类别在风、雪、洪水和地震等荷载规范中都有应用。IBC2006的地震荷载规范规定每个建筑都按居住类别确定一个重要系数。Ⅳ类建筑的重要系数是1.5，Ⅲ类是1.25，I类和Ⅱ类是1.0。建筑结构的地震水平荷载与重要系数成正比。
由此得出结论：对于不能算作重大建筑工程的医院、学校、消防站等建筑，如果按中国规范计算，其抗震设计与临近的民用商用建筑相同。而如果按照美国统一规范计算，这些建筑的抗震设计是临近的民用商用建筑的1.25或1.5倍。
3、建筑结构的规则性
中国规范和美国规范都对规则与不规则结构做了定量的划分，并规定了不应在抗震结构中采用严重不规则的设计方案。IBC2006规定结构的每个垂直方向都必须算出一个赘余系数，这个系数的大小取决于结构是否有多道抗震防线。对于拥有多道抗震防线，结构布置均匀对称的结构，冗余系数=1.0。而对于拥有抗震防线较少或不均匀布置的结构，赘余系数=1.3。
由此得出结论：美国IBC规范中提出的赘余系数概念，被用来在荷载组合中乘以地震作用，这就进一步提高了不规则结构在地震作用下保证生命安全的能力。而加州特别规范中关于结构规则性的一些强制规定也避免了房屋倒塌和人员伤亡。
4、建筑结构传力途径
我国抗震规范规定结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传力途径。但是没有详细说明应怎样保证合理的传力途径。IBC2006中规定：楼盖与楼板必须按照指定的楼盖设计横向力当作抗剪和抗弯构件来设计。抗剪即像剪力墙一样计算和设置抗剪配筋，抗弯即像深梁一样计算弯矩，设置上弦与下弦配筋来抵抗弯矩。地震横向力由收藏单元从楼盖传递给竖向抗震构件。这些收藏单元和相关的链接必须按照乘以超载系数的设计力来计算，也就是说收藏单元在设计地震下保持弹性以保证横向力的有效传递。在剪力墙与楼盖的浇筑连接处，必须计算剪摩擦以保证剪力的传递。对于结构基础而言，必须计算推翻效应。对于结构承重墙，必须计算其垂直于墙面方向的外向力，验算墙与楼盖的锚固以保证承重墙在地震时持续承重，避免楼盖倒塌。
由此得出结论：在IBC2006中有具体的条例和计算公式来保证设计横向力能被传递到建筑的基础。随着我国抗震经验的增加，建议下一版规范可对于保证传力途径的合理性给出具体的相关公式。
5、砌体结构抗震设计与构造措施
砌体结构是中国学校常用的结构体系，特别常见的是无筋砌体剪力墙与混凝土构造柱圈梁的结合。抗震规范规定了砌体抗震墙、混凝土构造柱和圈梁的设计与构造措施。IBC2006的砌体结构设计基本引用砌体结构规范ACI530。该规范的抗震章节规定了5种砌体抗震墙结构体系及其应用范围。这5种体系是：（1）无筋砌体墙结构，（2）有构造措施的无筋砌体，（3）普通配筋砌体墙，（4）中型配筋砌体墙，（5）特殊配筋砌体墙。特殊配筋砌体墙要求墙内有一定数量的均匀的水平和竖向配筋，竖向配筋的最大间距不超过48英寸（1.22m），并且不超过三分之一的墙宽或墙高。另外墙顶和洞口处都应有加强钢筋。
比较中国和美国砌体抗震规范，最基本的一条是设计剪力。美国规范应用延性设计原则，将中震下的设计荷载用延性系数R来折减到弹性阶段。对于砌体结构，延性系数 取在1.5～5之间。有构造措施的无筋砌体延性系数仅为2。这也就是说设计剪力要比延性好的结构体系要高得多。中国规范应用小震作用作为弹性設计剪力，所有的结构体系都相同。对于砌体结构应用小震作用并不能保证在中震或大震下的安全表现。
由此得出结论：混凝土构造柱圈梁对无筋砌体墙提供的延性也许并不与其设计剪力相匹配。如果我国规范下一版能对这一点加以考虑，应该能提高砌体结构在中震和大震时的抗震表现。
总结：
综上所述，中国抗震规范比较详细的规定了建筑结构抗震设计的原则与各类结构设计的条规。按照规范设计施工的建筑应能保证小震不坏，大致能够预期中震可修，但对于大震不倒的设计目标在汶川地震中没有全部得到实现。本文仅从中外的抗震规范对比来重点探讨国外规范可以参考之处，众所周知任何设计规范都是从实践和教训中得到提高和完善。中国抗震规范也是基于地震震害的教训和经验的总结，还有待完善和提高。另外中国规范较早的版本考虑早期经济投入因素较重，其后的版本对经济考虑也较重。建议随着经济水平的提升，修订抗震规范考虑的侧重点应从经济因素转向生命安全因素，尽量保证人民生命安全的需求。