中美抗震设计规范地震动参数的对比研究

摘要：根据中美抗震设计规范中地面运动加速度具有相同的物理意义，由结构动力学公式推导，得出美国规范中的有效峰值加速度（EPA）跟中国规范中的设计基本地震加速度相对应，推导出了美国规范短周期和1s周期谱反应加速度跟中国规范设计基本地震加速度、特征周期之间的换算关系，并进行了中美规范反应谱曲线对比。

关键词：中美抗震设计规范地震动参数有效峰值加速度（EPA）设计基本地震加速度 特征周期

中图分类号： TU973+.31 文献标识码： A

引言

目前世界各国的工程设计技术标准在设计理念、设计原则甚至设计要求等诸多方面均存在许多差别，而美国规范在许多地区应用广泛，比如非洲大部分国家没有自己的规范体系而采用美国规范，因此本文通过对比美国规范中的有效峰值加速度（EPA）跟中国规范中的设计基本地震加速度值，给出了两者之间的换算关系，并进行了中美规范反应谱曲线对比，为正确理解和应用美国规范起到抛砖引玉的作用。

中美地震动参数的对比

2.1 地震动参数定义

中国规范的设计基本地震加速度值，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，即具有概率意义的地震系数。地震系数为地面运动最大加速度值与重力加速度之比，即

（1）

—地震时地面运动加速度最大值。

美国规范的有效峰值加速度（EPA），由%5阻尼比的短周期谱反应加速度除以2.5得到，即

（2）

—%5阻尼比下，修正后的结构短周期设计谱反应加速度。

2.2 设计基本地震加速度和有效峰值加速度的对比

动力系数为地震作用下结构最大反应加速度与地面最大加速度之比，即

（3）

—结构最大反应加速度，在同一场地内跟结构自振周期有关。

地震影响系数（4）

由式（4）可知，地震影响系数就是地震时结构的最大反应加速度（以g为单位）。

由式（4）可得（5）

（6）

—不同自振周期结构的最大反应加速度；

—动力系数最大值。

图1 美国规范的反应谱曲线

由图1可知，。（7）

对比式（6）和式（2）可知，设计基本地震加速度和有效峰值加速度相当。

2.3 美国规范的最大动力系数

谱反应加速度曲线中，结构自振周期T＝0时为刚性体系，动力不放大，，根据式（5）和式（6）

（8）

美国规范反应谱曲线中，对于结构自振周期0≤T＜To，

（9）

当T＝0时， （10）

将式（10）、式（7）代入式（8）得

（11）

对比式（2）和式（11），得出式（2）中的2.5即为动力系数最大值。

2.4 中美地震动参数的换算

根据美国设计荷载规范（ASCE7-05），

（12）

（13）

—最大考虑地震下，%5阻尼比的结构短周期设计谱反应加速度系数；

—最大考虑地震下，%5阻尼比的结构1s周期设计谱反应加速度系数；

、—场地影响系数；

将式（12）代入式（2）得

（14）

图1中，，为修正后的结构1s周期设计谱反应加速度。Ts对应中国反应谱曲线征周期Tg，由此得出

（15）

根据式（14）、式（15）即可得出美国规范短周期、1s周期谱反应加速度跟中国规范设计基本地震加速度、场地特征周期之间的换算。

2.5 中美规范反应谱曲线对比

由美国设计荷载规范（ASCE7-05）可知，在实际计算地震作用效应时，图1的谱反应曲线需除以，R为结构反应修正系数，与结构的延性有关；I为结构重要性系数，与结构的使用功能分类有关。

例如：某钢筋混凝土框架结构，场地类别为D类，，，查规范得，，R＝3.0，I＝1.0。美国规范D类场地大致相当于中国规范Ⅱ类场地。对比中美规范反应谱曲线，可得到图2。

对于其他结构和场地类别，同理可作出类似反应谱曲线对比图。

图2中美规范反应谱曲线对比

结语

由上述分析可以看出：

（1）对于按美国规范给出短周期和1s周期谱反应加速度的地区，可以根据式（14）和式（15）换算得出中国规范对应的设计基本地震加速度值和特征周期。

（2）场地条件对地震动峰值加速度影响比较明显，不应忽略，美国规范则考虑了软弱场地对峰值加速度的放大作用。因此中国在以后的规范修订、地震区划、工程结构抗震工作中应考虑场地条件的影响，根据场地条件的不同对地震动峰值加速度予以适当调整。

参考文献

1 GB 50011-2010 建筑抗震设计规范 [S].

2 GB 18306-2001中国地震动参数区划图 [S].

3 ASCE7-05 Minimum Design Loads for buildings and other Structures [S].

4 郭继武. 建筑抗震设计[M]. 北京：高等教育出版社，1999.

5 薄景山，李秀领，李山有. 场地条件对地震动影响研究的若干进展[J]. 世界地震工程 2003 19(2).