中、美、欧抗震规范的钢结构设计对比

一直以来，抗震设计在高层结构设计中都占据着重要的地位。作为抗震设计规范的基础，抗震理论经历了静力理论、反应谱理论(弹性反应谱理论、弹塑性反应谱理论)、时程分析、基于性能设计等阶段^[1]。随着抗震规范逐渐成熟，实际工程逐渐国际化，对于使用不同抗震规范进行设计也提出了进一步的要求。美国抗震规范ASCE7^[2]，欧洲抗震规范EC8^[3]在国际上比较通用。对中美欧抗震规范进行比较研究，了解不同设计理论之间的差异，对于进行工程项目的抗震设计具有指导意义。

中国《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(简称抗规)基于“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防目标，采用小震下的弹性谱来进行抗震设计，同时严格控制小震下的结构弹性层间位移角。美国和欧洲规范直接针对设防地震来进行抗震设计^[5-7]，并且均考虑了结构延性对弹性反应谱的折减，如美国的响应修正系数R和欧洲的性能系数q。美欧不同之处在于，欧洲有“限制破坏要求”，表现在也需要对层间位移角进行控制。美国采取“使结构在地震下倒塌风险最小”的单一水准设防思想，没有与中国的小震弹性层间位移角相类似的限值要求，仅需要控制结构的弹塑性层间角。另外，我国《钢结构设计标准》GB50017-2017第17章（简称钢标17章）提供了钢结构抗震性能化设计方法。该方法同样是针对设防地震进行承载力抗震验算，通过性能系数Ω对水平设防地震作用进行了折减。

文献^[8]对GB50011与EC8在结构抗震设计时的安全性验算、内力计算和配筋量方面进行了对比研究，发现欧标对应的最小配筋率稍低于中国规范对应结果，说明考虑延性折减的抗震设计方法在经济性方面有一定优势。

本文选取9度区某高层钢结构住宅案例，采用中（抗规和钢标17章）、美、欧四种规范对项目分别进行抗震设计，重点对各规范模型的用钢量及性能指标进行对比分析，为国内钢结构抗震设计方法的发展提供参考。

西昌市某钢结构项目由多幢住宅单体和酒店组成，总建筑面积42.47万m²，选取其中典型的2号楼作为研究对象。2号楼为高层住宅，共32层，结构高度为101.73m，长35.8m，宽15.5m，采用钢框架-钢板剪力墙结构体系，结构示意图如图1所示。设防地震分组为第三组，设防烈度为9度(0.4g)，II类场地，特征周期为0.45s，考虑近场系数1.5，水平地震影响系数最大值为0.48。框架柱采用钢管混凝土柱，钢材牌号主要为Q355，局部受力较大位置采用Q390，上部楼层的管内混凝土为C45，下部楼层为C50。钢梁采用H型钢梁，钢板剪力墙为加劲钢板剪力墙形式，厚度6mm~10mm。

（a）轴测图                     （b）平面图

图1 结构示意图

四种规范模型的结构性能指标对比如表1~表3和图2所示。

表1 自振周期对比

表2 地震作用下的基底剪力对比

表3 地震作用下的最大层间位移角对比

图2 4种规范XY两向楼层剪力曲线

表4 用钢量对比

其中为SC_i为i模型的单方用钢量，为中国规范不考虑抗震的单方用钢量。相比抗规模型，采用美标、欧标和钢标17章可分别将抗震成本减少61%，32%和39%。

图3 地震波反应谱与规范反应谱对比

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，取各模型的弹塑性层间位移角限值为1/50。图4给出了罕遇地震作用下各模型的楼层X向、Y向弹塑性层间位移角分布曲线。表5给出了各模型的结构弹塑性层间位移角最大值。

图4 弹塑性层间位移角曲线对比

表5 中美两国规范弹塑性模型对应的层间位移角

(a) GB50011  (b) EC8   (c) ASCE7

图5 钢梁塑性铰分布图(ALTADANE-X) 

(a) GB50011   (b) EC8  (c) ASCE7

图6 钢管混凝土柱塑性铰分布图(ALTADANE-X)

(1) 以9度区某高层钢结构住宅为例，分别采用中（抗规和钢标17章）、美、欧四本抗震规范对结构进行设计，结果表明：美标、欧标以及钢标17章的设计方案比中国抗规方案有更好的经济性。美标的单方用钢量比抗规减少15%，欧标的单方用钢量比抗规减少9.5%，而在不考虑地震的情况下，单方用钢量将比考虑抗震时下降40%。钢标17章的设计方案效果与欧标相当。

(2) 对各模型进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析，优化后的美标和欧标模型对应的塑性铰出现时间早，并且在最终时刻的塑性铰分布区域相比抗规模型也要更广，同时美欧模型均能满足抗规的“大震不倒”要求，说明美标和欧标的抗震设计方法能够更好的利用结构延性来进行抗震。

(3) 通过分析各国规范之间的差异和本文的计算结果，美标和欧标模型用钢量下降的原因，主要是因为在确定地震作用时考虑了结构延性的影响，同时层间位移角限值也比抗规有较大放松。