3.11.1 2001规范提出了在建筑物内设置建筑物地震反应观测系统的要求。建筑物地震反应观测是发展地震工程和工程抗震科学的必要手段,我国过去限于基建资金,发展不快,这次在规范中予以规定,以促进其发展。
分类:3 基本规定
3.10 建筑抗震性能化设计
3.10.1 考虑当前技术和经济条件,慎重发展性能化目标设计方法,本条明确规定需要进行可行性论证。
性能化设计仍然是以现有的抗震科学水平和经济条件为前提的,一般需要综合考虑使用功能、设防烈度、结构的不规则程度和类型、结构发挥延性变形的能力、造价、震后的各种损失及修复难度等等因素。不同的抗震设防类别,其性能设计要求也有所不同。
鉴于目前强烈地震下结构非线性分析方法的计算模型及参数的选用尚存在不少经验因素,缺少从强震记录、设计施工资料到实际震害的验证,对结构性能的判断难以十分准确,因此在性能目标选用中宜偏于安全一些。
确有需要在处于发震断裂避让区域建造房屋,抗震性能化设计是可供选择的设计手段之一。
3.10.2 建筑的抗震性能化设计,立足于承载力和变形能力的综合考虑,具有很强的针对性和灵活性。针对具体工程的需要和可能,可以对整个结构,也可以对某些部位或关键构件,灵活运用各种措施达到预期的性能目标——着重提高抗震安全性或满足使用功能的专门要求。
例如,可以根据楼梯间作为“抗震安全岛”的要求,提出确保大震下能具有安全避难通道的具体目标和性能要求;可以针对特别不规则、复杂建筑结构的具体情况,对抗侧力结构的水平构件和竖向构件提出相应的性能目标,提高其整体或关键部位的抗震安全性;也可针对水平转换构件,为确保大震下自身及相关构件的安全而提出大震下的性能目标;地震时需要连续工作的机电设施,其相关部位的层间位移需满足规定层间位移限值的专门要求;其他情况,可对震后的残余变形提出满足设施检修后运行的位移要求,也可提出大震后可修复运行的位移要求。建筑构件采用与结构构件柔性连接,只要可靠拉结并留有足够的间隙,如玻璃幕墙与钢框之间预留变形缝隙,震害经验表明,幕墙在结构总体安全时可以满足大震后继续使用的要求。
3.10.3 我国的89规范提出了“小震不坏、中震可修和大震不倒”,明确要求大震下不发生危及生命的严重破坏即达到“生命安全”,就是属于一般情况的性能设计目标。本次修订所提出的性能化设计,要比本规范的一般情况较为明确,尽可能达到可操作性。
1 鉴于地震具有很大的不确定性,性能化设计需要估计各种水准的地震影响,包括考虑近场地震的影响。规范的地震水准是按50年设计基准期确定的。结构设计使用年限是国务院《建设工程质量管理条例》规定的在设计时考虑施工完成后正常使用、正常维护情况下不需要大修仍可完成预定功能的保修年限,国内外的一般建筑结构取50年。结构抗震设计的基准期是抗震规范确定地震作用取值时选用的统计时间参数,也取为50年,即地震发生的超越概率是按50年统计的,多遇地震的理论重现期50年,设防地震是475年,罕遇地震随烈度高度而有所区别,7度约1600年,9度约2400年。其地震加速度值,设防地震取本规范表3.2.2的“设计基本地震加速度值”,多遇地震、罕遇地震取本规范表5.1.2-2的“加速度时程最大值”。其水平地震影响系数最大值,多遇地震、罕遇地震按本规范表5.1.4-1取值,设防地震按本条规定取值,7度(0.15g)和8度(0.30g)分别在7、8度和8、9度之间内插取值。
对于设计使用年限不同于50年的结构,其地震作用需要作适当调整,取值经专门研究提出并按规定的权限批准后确定。当缺乏当地的相关资料时,可参考《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》CECS 160:2004的附录A,其调整系数的范围大体是:设计使用年限70年,取1.15~1.2;100年取1.3~1.4。
2 建筑结构遭遇各种水准的地震影响时,其可能的损坏状态和继续使用的可能,与89规范配套的《建筑地震破坏等级划分标准》(建设部90建抗字377号)已经明确划分了各类房屋(砖房、混凝土框架、底层框架砖房、单层工业厂房、单层空旷房屋等)的地震破坏分级和地震直接经济损失估计方法,总体上可分为下列五级,与此后国外标准的相关描述不完全相同:

注:1 个别指5%以下,部分指30%以下,多数指50%以上。
2 中等破坏的变形参考值,大致取规范弹性和弹塑性位移角限值的平均值,轻微损坏取1/2平均值。
参照上述等级划分,地震下可供选定的高于一般情况的预期性能目标可大致归纳如下:

3 实现上述性能目标,需要落实到具体设计指标,即各个地震水准下构件的承载力、变形和细部构造的指标。仅提高承载力时,安全性有相应提高,但使用上的变形要求不一定满足;仅提高变形能力,则结构在小震、中震下的损坏情况大致没有改变,但抗御大震倒塌的能力提高。因此,性能设计目标往往侧重于通过提高承载力推迟结构进入塑性工作阶段并减少塑性变形,必要时还需同时提高刚度以满足使用功能的变形要求,而变形能力的要求可根据结构及其构件在中震、大震下进入弹塑性的程度加以调整。
完好,即所有构件保持弹性状态:各种承载力设计值(拉、压、弯、剪、压弯、拉弯、稳定等)满足规范对抗震承载力的要求S<R/γRE,层间变形(以弯曲变形为主的结构宜扣除整体弯曲变形)满足规范多遇地震下的位移角限值[△ue]。这是各种预期性能目标在多遇地震下的基本要求——多遇地震下必须满足规范规定的承载力和弹性变形的要求。
基本完好,即构件基本保持弹性状态:各种承载力设计值基本满足规范对抗震承载力的要求S≤R/γRE(其中的效应S不含抗震等级的调整系数),层间变形可能略微超过弹性变形限值。
轻微损坏,即结构构件可能出现轻微的塑性变形,但不达到屈服状态,按材料标准值计算的承载力大于作用标准组合的效应。
中等破坏,结构构件出现明显的塑性变形,但控制在一般加固即恢复使用的范围。
接近严重破坏,结构关键的竖向构件出现明显的塑性变形,部分水平构件可能失效需要更换,经过大修加固后可恢复使用。
对性能1,结构构件在预期大震下仍基本处于弹性状态,则其细部构造仅需要满足最基本的构造要求,工程实例表明,采用隔震、减震技术或低烈度设防且风力很大时有可能实现;条件许可时,也可对某些关键构件提出这个性能目标。
对性能2,结构构件在中震下完好,在预期大震下可能屈服,其细部构造需满足低延性的要求。例如,某6度设防的核心筒-外框结构,其风力是小震的2.4倍,风载层间位移是小震的2.5倍。结构所有构件的承载力和层间位移均可满足中震(不计入风载效应组合)的设计要求;考虑水平构件在大震下损坏使刚度降低和阻尼加大,按等效线性化方法估算,竖向构件的最小极限承载力仍可满足大震下的验算要求。于是,结构总体上可达到性能2的要求。
对性能3,在中震下已有轻微塑性变形,大震下有明显的塑性变形,因而,其细部构造需要满足中等延性的构造要求。
对性能4,在中震下的损坏已大于性能3,结构总体的抗震承载力仅略高于一般情况,因而,其细部构造仍需满足高延性的要求。
3.10.4 本条规定了性能化设计时计算的注意事项。一般情况,应考虑构件在强烈地震下进入弹塑性工作阶段和重力二阶效应。鉴于目前的弹塑性参数、分析软件对构件裂缝的闭合状态和残余变形、结构自身阻尼系数、施工图中构件实际截面、配筋与计算书取值的差异等等的处理,还需要进一步研究和改进,当预期的弹塑性变形不大时,可用等效阻尼等模型简化估算。为了判断弹塑性计算结果的可靠程度,可借助于理想弹性假定的计算结果,从下列几方面进行综合分析:
1 结构弹塑性模型一般要比多遇地震下反应谱计算时的分析模型有所简化,但在弹性阶段的主要计算结果应与多遇地震分析模型的计算结果基本相同,两种模型的嵌固端、主要振动周期、振型和总地震作用应一致。弹塑性阶段,结构构件和整个结构实际具有的抵抗地震作用的承载力是客观存在的,在计算模型合理时,不因计算方法、输入地震波形的不同而改变。若计算得到的承载力明显异常,则计算方法或参数存在问题,需仔细复核、排除。
2 整个结构客观存在的、实际具有的最大受剪承载力(底部总剪力)应控制在合理的、经济上可接受的范围,不需要接近更不可能超过按同样阻尼比的理想弹性假定计算的大震剪力,如果弹塑性计算的结果超过,则该计算的承载力数据需认真检查、复核,判断其合理性。
3 进入弹塑性变形阶段的薄弱部位会出现一定程度的塑性变形集中,该楼层的层间位移(以弯曲变形为主的结构宜扣除整体弯曲变形)应大于按同样阻尼比的理想弹性假定计算的该部位大震的层间位移;如果明显小于此值,则该位移数据需认真检查、复核,判断其合理性。
4 薄弱部位可借助于上下相邻楼层或主要竖向构件的屈服强度系数(其计算方法参见本规范第5.5.2条的说明)的比较予以复核,不同的方法、不同的波形,尽管彼此计算的承载力、位移、进入塑性变形的程度差别较大,但发现的薄弱部位一般相同。
5 影响弹塑性位移计算结果的因素很多,现阶段,其计算值的离散性,与承载力计算的离散性相比较大。注意到常规设计中,考虑到小震弹性时程分析的波形数量较少,而且计算的位移多数明显小于反应谱法的计算结果,需要以反应谱法为基础进行对比分析;大震弹塑性时程分析时,由于阻尼的处理方法不够完善,波形数量也较少(建议尽可能增加数量,如不少于7条;数量较少时宜取包络),不宜直接把计算的弹塑性位移值视为结构实际弹塑性位移,同样需要借助小震的反应谱法计算结果进行分析。建议按下列方法确定其层间位移参考数值:用同一软件、同一波形进行弹性和弹塑性计算,得到同一波形、同一部位弹塑性位移(层间位移)与小震弹性位移(层间位移)的比值,然后将此比值取平均或包络值,再乘以反应谱法计算的该部位小震位移(层间位移),从而得到大震下该部位的弹塑性位移(层间位移)的参考值。
3.10.5 本条属于原则规定,其具体化,如结构、构件在中震下的性能化设计要求等,列于附录M中第M.1节。
3.9 结构材料与施工
3.9.1 抗震结构在材料选用、施工程序特别是材料代用上有其特殊的要求,主要是指减少材料的脆性和贯彻原设计意图。
3.9.2、3.9.3 本规范对结构材料的要求分为强制性和非强制性两种。
1 本次修订,将烧结黏土砖改为各种砖,适用范围更宽些。
2 对钢筋混凝土结构中的混凝土强度等级有所限制,这是因为高强度混凝土具有脆性性质,且随强度等级提高而增加,在抗震设计中应考虑此因素,根据现有的试验研究和工程经验,现阶段混凝土墙体的强度等级不宜超过C60;其他构件,9度时不宜超过C60,8度时不宜超过C70。当耐久性有要求时,混凝土的最低强度等级,应遵守有关的规定。
3 本次修订,对一、二、三级抗震等级的框架,规定其普通纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25,这是为了保证当构件某个部位出现塑性铰以后,塑性铰处有足够的转动能力与耗能能力;同时还规定了屈服强度实测值与标准值的比值,否则本规范为实现强柱弱梁、强剪弱弯所规定的内力调整将难以奏效。在2008年局部修订的基础上,要求框架梁、框架柱、框支梁、框支柱、板柱-抗震墙的柱,以及伸臂桁架的斜撑、楼梯的梯段等,纵向钢筋均应有足够的延性及钢筋伸长率的要求,是控制钢筋延性的重要性能指标。其取值依据产品标准《钢筋混凝土用钢 第2部分:热轧带肋钢筋》GB 1499.2-2007规定的钢筋抗震性能指标提出,凡钢筋产品标准中带E编号的钢筋,均属于符合抗震性能指标。本条的规定,是正规建筑用钢生产厂家的一般热轧钢筋均能达到的性能指标。从发展趋势考虑,不再推荐箍筋采用HPB235级钢筋;当然,现有生产的HPB235级钢筋仍可继续作为箍筋使用。
4 钢结构中所用的钢材,应保证抗拉强度、屈服强度、冲击韧性合格及硫、磷和碳含量的限制值。对高层钢结构,按黑色冶金工业标准《高层建筑结构用钢板》YB 4104-2000的规定选用。抗拉强度是实际上决定结构安全储备的关键,伸长率反映钢材能承受残余变形量的程度及塑性变形能力,钢材的屈服强度不宜过高,同时要求有明显的屈服台阶,伸长率应大于20%,以保证构件具有足够的塑性变形能力,冲击韧性是抗震结构的要求。当采用国外钢材时,亦应符合我国国家标准的要求。结构钢材的性能指标,按钢材产品标准《建筑结构用钢板》GB/T 19879-2005规定的性能指标,将分子、分母对换,改为屈服强度与抗拉强度的比值。
5 国家产品标准《碳素结构钢》GB/T 700中,Q235钢分为A、B、C、D四个等级,其中A级钢不要求任何冲击试验值,并只在用户要求时才进行冷弯试验,且不保证焊接要求的含碳量,故不建议采用。国家产品标准《低合金高强度结构钢》GB/T 1591中,Q345钢分为A、B、C、D、E五个等级,其中A级钢不保证冲击韧性要求和延性性能的基本要求,故亦不建议采用。
3.9.4 混凝土结构施工中,往往因缺乏设计规定的钢筋型号(规格)而采用另外型号(规格)的钢筋代替,此时应注意替代后的纵向钢筋的总承载力设计值不应高于原设计的纵向钢筋总承载力设计值,以免造成薄弱部位的转移,以及构件在有影响的部位发生混凝土的脆性破坏(混凝土压碎、剪切破坏等)。
除按照上述等承载力原则换算外,还应满足最小配筋率和钢筋间距等构造要求,并应注意由于钢筋的强度和直径改变会影响正常使用阶段的挠度和裂缝宽度。
本条在2008年局部修订时提升为强制性条文,以加强对施工质量的监督和控制,实现预期的抗震设防目标。
3.9.5 厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性,由于在焊缝附近常形成约束,焊接时容易引起层状撕裂。国家产品标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313将厚度方向的断面收缩率分为Z15、Z25、Z35三个等级,并规定了试件取材方法和试件尺寸等要求。本条规定钢结构采用的钢材,当钢材板厚大于或等于40mm时,至少应符合Z15级规定的受拉试件截面收缩率。
3.9.6 为确保砌体抗震墙与构造柱、底层框架柱的连接,以提高抗侧力砌体墙的变形能力,要求施工时先砌墙后浇筑。
本条在2008年局部修订提升为强制性条文。以加强对施工质量的监督和控制,实现预期的抗震设防目标。
3.9.7 本条是新增的,将2001规范第6.2.14条对施工的要求移此。抗震墙的水平施工缝处,由于混凝土结合不良,可能形成抗震薄弱部位。故规定一级抗震墙要进行水平施工缝处的受剪承载力验算。验算依据试验资料,考虑穿过施工缝处的钢筋处于复合受力状态,其强度采用0.6的折减系数,并考虑轴向压力的摩擦作用和轴向拉力的不利影响,计算公式如下:

3.8 隔震与消能减震设计
3.8.1 建筑结构采用隔震与消能减震设计是一种有效地减轻地震灾害的技术。
本次修订,取消了2001规范“主要用于高烈度设防”的规定。强调了这种技术在提高结构抗震性能上具有优势,可适用于对使用功能有较高或专门要求的建筑,即用于投资方愿意通过适当增加投资来提高抗震安全要求的建筑。
3.8.2 本条对建筑结构隔震设计和消能减震设计的设防目标提出了原则要求。采用隔震和消能减震设计方案,具有可能满足提高抗震性能要求的优势,故推荐其按较高的设防目标进行设计。
按本规范12章规定进行隔震设计,还不能做到在设防烈度下上部结构不受损坏或主体结构处于弹性工作阶段的要求,但与非隔震或非消能减震建筑相比,设防目标会有所提高,大体上是:当遭受多遇地震影响时,将基本不受损坏和影响使用功能;当遭受设防地震影响时,不需修理仍可继续使用;当遭受罕遇地震影响时,将不发生危及生命安全和丧失使用价值的破坏。
3.7 非结构构件
非结构构件包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备的支架等。建筑非结构构件在地震中的破坏允许大于结构构件,其抗震设防目标要低于本规范第1.0.1条的规定。非结构构件的地震破坏会影响安全和使用功能,需引起重视,应进行抗震设计。
建筑非结构构件一般指下列三类:①附属结构构件,如:女儿墙、高低跨封墙、雨篷等;②装饰物,如:贴面、顶棚、悬吊重物等;③围护墙和隔墙。处理好非结构构件和主体结构的关系,可防止附加灾害,减少损失。在第3.7.3条所列的非结构构件主要指在人流出入口、通道及重要设备附近的附属结构构件,其破坏往往伤人或砸坏设备,因此要求加强与主体结构的可靠锚固,在其他位置可以放宽要求。2008年局部修订时,明确增加作为疏散通道的楼梯间墙体的抗震安全性要求,提高对生命的保护。
砌体填充墙与框架或单层厂房柱的连接,影响整个结构的动力性能和抗震能力。两者之间的连接处理不同时,影响也不同。建议两者之间采用柔性连接或彼此脱开,可只考虑填充墙的重量而不计其刚度和强度的影响。砌体填充墙的不合理设置,例如:框架或厂房,柱间的填充墙不到顶,或房屋外墙在混凝土柱间局部高度砌墙,使这些柱子处于短柱状态,许多震害表明,这些短柱破坏很多,应予注意。
2008年局部修订时,第3.7.4条新增为强制性条文。强调围护墙、隔墙等非结构构件是否合理设置对主体结构的影响,以加强围护墙、隔墙等建筑非结构构件的抗震安全性,提高对生命的保护。
第3.7.6条提出了对幕墙、附属机械、电气设备系统支座和连接等需符合地震时对使用功能的要求。这里的使用要求,一般指设防地震。
3.6 结构分析
3.6.1 由于地震动的不确定性、地震的破坏作用、结构地震破坏机理的复杂性,以及结构计算模型的各种假定与实际情况的差异,迄今为止,依据所规定的地震作用进行结构抗震验算,不论计算理论和工具如何发展,计算怎样严格,计算的结果总还是一种比较粗略的估计,过分地追求数值上的精确是不必要的;然而,从工程的震害看,这样的抗震验算是有成效的,不可轻视。因此,本规范自1974年第一版以来,对抗震计算着重于把方法放在比较合理的基础上,不拘泥于细节,不追求过高的计算精度,力求简单易行,以线性的计算分析方法为基本方法,并反复强调按概念设计进行各种调整。本节列出一些原则性规定,继续保持和体现上述精神。
多遇地震作用下的内力和变形分析是本规范对结构地震反应、截面承载力验算和变形验算最基本的要求。按本规范第1.0.1条的规定,建筑物当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,主体结构不受损坏或不需修理可继续使用,与此相应,结构在多遇地震作用下的反应分析的方法,截面抗震验算(按照现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068的基本要求),以及层间弹性位移的验算,都是以线弹性理论为基础,因此,本条规定,当建筑结构进行多遇地震作用下的内力和变形分析时,可假定结构与构件处于弹性工作状态。
3.6.2 按本规范第1.0.1条的规定:当建筑物遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏,这也是本规范的基本要求。特别是建筑物的体型和抗侧力系统复杂时,将在结构的薄弱部位发生应力集中和弹塑性变形集中,严重时会导致重大的破坏甚至有倒塌的危险。因此本规范提出了检验结构抗震薄弱部位采用弹塑性(即非线性)分析方法的要求。
考虑到非线性分析的难度较大,规范只限于对不规则并具有明显薄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,应按本规范第5章具体规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。
本规范推荐了两种非线性分析方法:静力的非线性分析(推覆分析)和动力的非线性分析(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的弹塑性分析技术,比动力非线性分析节省计算工作量,但需要注意,静力非线性分析有一定的局限性和适用性,其计算结果需要工程经验判断。
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。规范还允许采用简化的弹塑性分析技术,如本规范第5章规定的钢筋混凝土框架等的弹塑性分析简化方法。
3.6.3 本条规定,框架结构和框架-抗震墙(支撑)结构在重力附加弯矩Ma与初始弯矩M0之比符合下式条件下,应考虑几何非线性,即重力二阶效应的影响。

上式规定是考虑重力二阶效应影响的下限,其上限则受弹性层间位移角限值控制。对混凝土结构,弹性位移角限值较小,上述稳定系数一般均在0.1以下,可不考虑弹性阶段重力二阶效应影响。
当在弹性分析时,作为简化方法,二阶效应的内力增大系数可取1/(1-θ)。
当在弹塑性分析时,宜采用考虑所有受轴向力的结构和构件的几何刚度的计算机程序进行重力二阶效应分析,亦可采用其他简化分析方法。
混凝土柱考虑多遇地震作用产生的重力二阶效应的内力时,不应与混凝土规范承载力计算时考虑的重力二阶效应重复。
砌体结构和混凝土墙结构,通常不需要考虑重力二阶效应。
3.6.4 刚性、半刚性、柔性横隔板分别指在平面内不考虑变形、考虑变形、不考虑刚度的楼、屋盖。
3.6.6 本条规定主要依据《建筑工程设计文件编制深度规定》,要求使用计算机进行结构抗震分析时,应对软件的功能有切实的了解,计算模型的选取必须符合结构的实际工作情况,计算软件的技术条件应符合本规范及有关标准的规定,设计时对所有计算结果应进行判别,确认其合理有效后方可在设计中应用。
2008年局部修订,注意到地震中楼梯的梯板具有斜撑的受力状态,增加了楼梯构件的计算要求:针对具体结构的不同,“考虑”的结果,楼梯构件的可能影响很大或不大,然后区别对待,楼梯构件自身应计算抗震,但并不要求一律参与整体结构的计算。
复杂结构指计算的力学模型十分复杂、难以找到完全符合实际工作状态的理想模型,只能依据各个软件自身的特点在力学模型上分别作某些程度不同的简化后才能运用该软件进行计算的结构。例如,多塔类结构,其计算模型可以是底部一个塔通过水平刚臂分成上部若干个不落地分塔的分叉结构,也可以用多个落地塔通过底部的低塔连成整个结构,还可以将底部按高塔分区分别归入相应的高塔中再按多个高塔进行联合计算,等等。因此本规范对这类复杂结构要求用多个相对恰当、合适的力学模型而不是截然不同不合理的模型进行比较计算。复杂结构应是计算模型复杂的结构,不同的力学模型还应属于不同的计算机程序。
3.5 结构体系
3.5.1 抗震结构体系要通过综合分析,采用合理而经济的结构类型。结构的地震反应同场地的频谱特性有密切关系,场地的地面运动特性又同地震震源机制、震级大小、震中的远近有关;建筑的重要性、装修的水准对结构的侧向变形大小有所限制,从而对结构选型提出要求;结构的选型又受结构材料和施工条件的制约以及经济条件的许可等。这是一个综合的技术经济问题,应周密加以考虑。
3.5.2、3.5.3 抗震结构体系要求受力明确、传力途径合理且传力路线不间断,使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现,对提高结构的抗震性能十分有利,是结构选型与布置结构抗侧力体系时首先考虑的因素之一。2001规范将结构体系的要求分为强制性和非强制性两类。第3.5.2条是属于强制性要求的内容。
多道防线对于结构在强震下的安全是很重要的。所谓多道防线的概念,通常指的是:
第一,整个抗震结构体系由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。如框架-抗震墙体系是由延性框架和抗震墙二个系统组成;双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成;框架-支撑框架体系由延性框架和支撑框架二个系统组成;框架-筒体体系由延性框架和筒体二个系统组成。
第二,抗震结构体系具有最大可能数量的内部、外部赘余度,有意识地建立起一系列分布的塑性屈服区,以使结构能吸收和耗散大量的地震能量,一旦破坏也易于修复。设计计算时,需考虑部分构件出现塑性变形后的内力重分布,使各个分体系所承担的地震作用的总和大于不考虑塑性内力重分布时的数值。
本次修订,按征求意见的结果,多道防线仍作为非强制性要求保留在第3.5.3条,但能够设置多道防线的结构类型,在相关章节中予以明确规定。
抗震薄弱层(部位)的概念,也是抗震设计中的重要概念,包括:
1 结构在强烈地震下不存在强度安全储备,构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值的分析)是判断薄弱层(部位)的基础;
2 要使楼层(部位)的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总体上保持一个相对均匀的变化,一旦楼层(或部位)的这个比例有突变时,会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中;
3 要防止在局部上加强而忽视整个结构各部位刚度、强度的协调;
4 在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位),使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移,这是提高结构总体抗震性能的有效手段。
考虑到有些建筑结构,横向抗侧力构件(如墙体)很多而纵向很少,在强烈地震中往往由于纵向的破坏导致整体倒塌,2001规范增加了结构两个主轴方向的动力特性(周期和振型)相近的抗震概念。
3.5.4 本条对各种不同材料的结构构件提出了改善其变形能力的原则和途径:
1 无筋砌体本身是脆性材料,只能利用约束条件(圈梁、构造柱、组合柱等来分割、包围)使砌体发生裂缝后不致崩塌和散落,地震时不致丧失对重力荷载的承载能力。
2 钢筋混凝土构件抗震性能与砌体相比是比较好的,但若处理不当,也会造成不可修复的脆性破坏。这种破坏包括:混凝土压碎、构件剪切破坏、钢筋锚固部分拉脱(粘结破坏),应力求避免;混凝土结构构件的尺寸控制,包括轴压比、截面长宽比,墙体高厚比、宽厚比等,当墙厚偏薄时,也有自身稳定问题。
3 提出了对预应力混凝土结构构件的要求。
4 钢结构杆件的压屈破坏(杆件失去稳定)或局部失稳也是一种脆性破坏,应予以防止。
5 针对预制混凝土板在强烈地震中容易脱落导致人员伤亡的震害,2008年局部修订增加了推荐采用现浇楼、屋盖,特别强调装配式楼、屋盖需加强整体性的基本要求。
3.5.5 本条指出了主体结构构件之间的连接应遵守的原则:通过连接的承载力来发挥各构件的承载力、变形能力,从而获得整个结构良好的抗震能力。
本条还提出了对预应力混凝土及钢结构构件的连接要求。
3.5.6 本条支撑系统指屋盖支撑。支撑系统的不完善,往往导致屋盖系统失稳倒塌,使厂房发生灾难性的震害,因此在支撑系统布置上应特别注意保证屋盖系统的整体稳定性。
3.4 建筑形体及其构件布置的规则性
3.4.1 合理的建筑形体和布置(configuration)在抗震设计中是头等重要的。提倡平、立面简单对称。因为震害表明,简单、对称的建筑在地震时较不容易破坏。而且道理也很清楚,简单、对称的结构容易估计其地震时的反应,容易采取抗震构造措施和进行细部处理。“规则”包含了对建筑的平、立面外形尺寸,抗侧力构件布置、质量分布,直至承载力分布等诸多因素的综合要求。“规则”的具体界限,随着结构类型的不同而异,需要建筑师和结构工程师互相配合,才能设计出抗震性能良好的建筑。
本条主要对建筑师设计的建筑方案的规则性提出了强制性要求。在2008年局部修订时,为提高建筑设计和结构设计的协调性,明确规定:首先,建筑形体和布置应依据抗震概念设计原则划分为规则与不规则两大类;对于具有不规则的建筑,针对其不规程的具体情况,明确提出不同的要求;强调应避免采用严重不规则的设计方案。
概念设计的定义见本规范第2.1.9条。规则性是其中的一个重要概念。
规则的建筑方案体现在体型(平面和立面的形状)简单,抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续、均匀,平面布置基本对称。即在平立面、竖向剖面或抗侧力体系上,没有明显的、实质的不连续(突变)。
规则与不规则的区分,本规范在第3.4.3条规定了一些定量的参考界限,但实际上引起建筑不规则的因素还有很多,特别是复杂的建筑体型,很难一一用若干简化的定量指标来划分不规则程度并规定限制范围,但是,有经验的、有抗震知识素养的建筑设计人员,应该对所设计的建筑的抗震性能有所估计,要区分不规则、特别不规则和严重不规则等不规则程度,避免采用抗震性能差的严重不规则的设计方案。
三种不规则程度的主要划分方法如下:
不规则,指的是超过表3.4.3-1和表3.4.3-2中一项及以上的不规则指标;
特别不规则,指具有较明显的抗震薄弱部位,可能引起不良后果者,其参考界限可参见《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》,通常有三类:其一,同时具有本规范表3.4.3所列六个主要不规则类型的三个或三个以上;其二,具有表1所列的一项不规则;其三,具有本规范表3.4.3所列两个方面的基本不规则且其中有一项接近表1的不规则指标。

对于特别不规则的建筑方案,只要不属于严重不规则,结构设计应采取比本规范第3.4.4条等的要求更加有效的措施。
严重不规则,指的是形体复杂,多项不规则指标超过本规范3.4.4条上限值或某一项大大超过规定值,具有现有技术和经济条件不能克服的严重的抗震薄弱环节,可能导致地震破坏的严重后果者。
3.4.2 本条要求建筑设计需特别重视其平、立、剖面及构件布置不规则对抗震性能的影响。
3.4.3、3.4.4 2001规范考虑了当时89规范和《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范》JGJ 3-91的相应规定,并参考了美国UBC(1997)日本BSL(1987年版)和欧洲规范8。上述五本规范对不规则结构的条文规定有以下三种方式:
1 规定了规则结构的准则,不规定不规则结构的相应设计规定,如89规范和《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范》JGJ 3-91。
2 对结构的不规则性作出限制,如日本BSL。
3 对规则与不规则结构作出了定量的划分,并规定了相应的设计计算要求,如美国UBC及欧洲规范8。
本规范基本上采用了第3种方式,但对容易避免或危害性较小的不规则问题未作规定。
对于结构扭转不规则,按刚性楼盖计算,当最大层间位移与其平均值的比值为1.2时,相当于一端为1.0,另一端为1.45;当比值1.5时,相当于一端为1.0,另一端为3。美国FEMA的NEHRP规定,限1.4。
对于较大错层,如超过梁高的错层,需按楼板开洞对待;当错层面积大于该层总面积30%时,则属于楼板局部不连续。楼板典型宽度按楼板外形的基本宽度计算。
上层缩进尺寸超过相邻下层对应尺寸的1/4,属于用尺寸衡量的刚度不规则的范畴。侧向刚度可取地震作用下的层剪力与层间位移之比值计算,刚度突变上限(如框支层)在有关章节规定。
除了表3.4.3所列的不规则,UBC的规定中,对平面不规则尚有抗侧力构件上下错位、与主轴斜交或不对称布置,对竖向不规则尚有相邻楼层质量比大于150%或竖向抗侧力构件在平面内收进的尺寸大于构件的长度(如棋盘式布置)等。
图1~图6为典型示例,以便理解本规范表3.4.3-1和表3.4.3-2中所列的不规则类型。



本规范3.4.3条1款的规定,主要针对钢筋混凝土和钢结构的多层和高层建筑所作的不规则性的限制,对砌体结构多层房屋和单层工业厂房的不规则性应符合本规范有关章节的专门规定。
2010年修订的变化如下:
1 明确规定表3.4.3所列的不规则类型是主要的而不是全部不规则,所列的指标是概念设计的参考性数值而不是严格的数值,使用时需要综合判断。明确规定按不规则类型的数量和程度,采取不同的抗震措施。不规则的程度和设计的上限控制,可根据设防烈度的高低适当调整。对于特别不规则的建筑结构要求专门研究和论证。
2 对于扭转不规则计算,需注意以下几点:
1)按国外的有关规定,楼盖周边两端位移不超过平均位移2倍的情况称为刚性楼盖,超过2倍则属于柔性楼盖。因此,这种“刚性楼盖”,并不是刚度无限大。计算扭转位移比时,楼盖刚度可按实际情况确定而不限于刚度无限大假定。
2)扭转位移比计算时,楼层的位移不采用各振型位移的CQC组合计算,按国外的规定明确改为取“给定水平力”计算,可避免有时CQC计算的最大位移出现在楼盖边缘的中部而不在角部,而且对无限刚楼盖、分块无限刚楼盖和弹性楼盖均可采用相同的计算方法处理;该水平力一般采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力,并考虑偶然偏心;结构楼层位移和层间位移控制值验算时,仍采用CQC的效应组合。
3)偶然偏心大小的取值,除采用该方向最大尺寸的5%外,也可考虑具体的平面形状和抗侧力构件的布置调整。
4)扭转不规则的判断,还可依据楼层质量中心和刚度中心的距离用偏心率的大小作为参考方法。
3 对于侧向刚度的不规则,建议根据结构特点采用合适的方法,包括楼层标高处产生单位位移所需要的水平力、结构层间位移角的变化等进行综合分析。
4 为避免水平转换构件在大震下失效,不连续的竖向构件传递到转换构件的小震地震内力应加大,借鉴美国IBC规定取2.5倍(分项系数为1.0),对增大系数作了调整。
本次局部修订,主要是进行文字性修改,以进一步明确扭转位移比的含义。
3.4.5 体型复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝。由于是否设置防震缝各有利弊,历来有不同的观点,总体倾向是:
1 可设缝、可不设缝时,不设缝。设置防震缝可使结构抗震分析模型较为简单,容易估计其地震作用和采取抗震措施,但需考虑扭转地震效应,并按本规范各章的规定确定缝宽,使防震缝两侧在预期的地震(如中震)下不发生碰撞或减轻碰撞引起的局部损坏。
2 当不设置防震缝时,结构分析模型复杂,连接处局部应力集中需要加强,而且需仔细估计地震扭转效应等可能导致的不利影响。
3.3 场地和地基
3.3.1 在抗震设计中,场地指具有相似的反应谱特征的房屋群体所在地,不仅仅是房屋基础下的地基土,其范围相当于厂区、居民点和自然村,在平坦地区面积一般不小于1km×1km。
地震造成建筑的破坏,除地震动直接引起结构破坏外,还有场地条件的原因,诸如:地震引起的地表错动与地裂,地基土的不均匀沉陷、滑坡和粉、砂土液化等。因此,选择有利于抗震的建筑场地,是减轻场地引起的地震灾害的第一道工序,抗震设防区的建筑工程宜选择有利的地段,应避开不利的地段并不在危险的地段建设。针对汶川地震的教训,2008年局部修订强调:严禁在危险地段建造甲、乙类建筑。还需要注意,按全文强制的《住宅设计规范》GB 50096,严禁在危险地段建造住宅,必须严格执行。
场地地段的划分,是在选择建筑场地的勘察阶段进行的,要根据地震活动情况和工程地质资料进行综合评价。本规范第4.1.1条给出划分建筑场地有利、一般、不利和危险地段的依据。
3.3.2、3.3.3 抗震构造措施不同于抗震措施,二者的区别见本规范第2.1.10条和第2.1.11条。历次大地震的经验表明,同样或相近的建筑,建造于Ⅰ类场地时震害较轻,建造于Ⅲ、Ⅳ类场地震害较重。
本规范对Ⅰ类场地,仅降低抗震构造措施,不降低抗震措施中的其他要求,如按概念设计要求的内力调整措施。对于丁类建筑,其抗震措施已降低,不再重复降低。
对Ⅲ、Ⅳ类场地,除各章有具体规定外,仅提高抗震构造措施,不提高抗震措施中的其他要求,如按概念设计要求的内力调整措施。
3.3.4 对同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基的要求,一般情况执行没有困难。在高层建筑中,当主楼和裙房不分缝的情况下难以满足时,需仔细分析不同地基在地震下变形的差异及上部结构各部分地震反应差异的影响,采取相应措施。
本次修订,对不同地基基础类型的要求,提出了较为明确的对策。
3.3.5 本条系在2008年局部修订时增加的,针对山区房屋选址和地基基础设计,提出明确的抗震要求。需注意:
1 有关山区建筑距边坡边缘的距离,参照《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002第5.4.1、第5.4.2条计算时,其边坡坡角需按地震烈度的高低修正——减去地震角,滑动力矩需计入水平地震和竖向地震产生的效应。
2 挡土结构抗震设计稳定验算时有关摩擦角的修正,指地震主动土压力按库伦理论计算时:土的重度除以地震角的余弦,填土的内摩擦角减去地震角,土对墙背的摩擦角增加地震角。
地震角的范围取1.5°~10°,取决于地下水位以上和以下,以及设防烈度的高低。可参见《建筑抗震鉴定标准》GB 50023-2009第4.2.9条。
3.2 地震影响
多年来地震经验表明,在宏观烈度相似的情况下,处在大震级、远震中距下的柔性建筑,其震害要比中、小震级近震中距的情况重得多;理论分析也发现,震中距不同时反应谱频谱特性并不相同。抗震设计时,对同样场地条件、同样烈度的地震,按震源机制、震级大小和震中距远近区别对待是必要的,建筑所受到的地震影响,需要采用设计地震动的强度及设计反应谱的特征周期来表征。
作为一种简化,89规范主要藉助于当时的地震烈度区划,引入了设计近震和设计远震,后者可能遭遇近、远两种地震影响,设防烈度为9度时只考虑近震的地震影响;在水平地震作用计算时,设计近、远震用两组地震影响系数α曲线表达,按远震的曲线设计就已包含两种地震用不利情况。
2001规范明确引入了“设计基本地震加速度”和“设计特征周期”,与当时的中国地震动参数区划(中国地震动峰值加速度区划图A1和中国地震动反应谱特征周期区划图B1)相匹配。
“设计基本地震加速度”是根据建设部1992年7月3日颁发的建标[1992]419号《关于统一抗震设计规范地面运动加速度设计取值的通知》而作出的。通知中有如下规定:
术语名称:设计基本地震加速度值。
定义:50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。
取值:7度0.10g,8度0.20g,9度0.40g。
本规范表3.2.2所列的设计基本地震加速度与抗震设防烈度的对应关系即来源于上述文件。其取值与《中国地震动参数区划图》GB 18306-2015附录A所规定的“地震动峰值加速度”相当:即在0.10g和0.20g之间有一个0.15g的区域,0.20g和0.40g之间有一个0.30g的区域,在这两个区域内建筑的抗震设计要求,除另有具体规定外,分别同7度和8度,在本规范表3.2.2中用括号内数值表示。本规范表3.2.2中还引入了与6度相当的设计基本地震加速度值0.05g。
“设计特征周期”即设计所用的地震影响系数的特征周期(Tg),简称特征周期。89规范规定,其取值根据设计近、远震和场地类别来确定,我国绝大多数地区只考虑设计近震,需要考虑设计远震的地区很少(约占县级城镇的5%)。2001规范将89规范的设计近震、远震改称设计地震分组,可更好体现震级和震中距的影响,建筑工程的设计地震分为三组。根据规范编制保持其规定延续性的要求和房屋建筑抗震设防决策,2001规范的设计地震的分组在《中国地震动参数区划图》GB 18306-2001附录B的基础上略作调整。2010年修订对各地的设计地震分组作了较大的调整,使之与《中国地震动参数区划图》GB 18306-2001一致。此次局部修订继续保持这一原则,按照《中国地震动参数区划图》GB 18306-2015附录B的规定确定设计地震分组。
为便于设计单位使用,本规范在附录A给出了县级及县级以上城镇(按民政部编2015行政区划简册,包括地级市的市辖区)的中心地区(如城关地区)的抗震设防烈度、设计基本地震加速度和所属的设计地震分组。0