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一文读懂美国规范抗震要点

        美国规范的抗震设防目标是:避免因结构倒塌、非结构部件或系统失效、有害物质的释放导致的严重伤害和生命损失;保护疏散通道畅通;避免重要设施功能损坏;并且在切实可行的情况下减少结构和非结构构件的维修费用。        采用建筑物50年内倒塌概率1%作为风险目标(Risk-targeted),以此标准绘制最大考虑地震MCER(Maximum Considered Earthquake)反应谱加速度等值线图,50年的超越概率是2%,重现期是2475年。       美国规范采用等效侧向力法(Equivalent Lateral Force)、模态反应谱法(Modal Response Spectrum)和地震时程分析法(Seismic Response History )进行结构抗震分析。等效侧向力法(ELF)和中国规范底部剪力法类似,仅选用结构的第一振型进行计算。       模态反应谱法(MRS)和中国规范振型分解反应谱法相同,采用多阶模态按照反应谱求出地震力,然后再进行组合计算。       抗震设防类别分为A、B、C、D、E、F六类,由风险等级和设计反应谱加速度共同来确定,见表1和表2所示。

表1 0.2s短周期抗震设防类别

0.2s短周期设计反应谱加速度SDS (g) 风险等级
Ⅰ或Ⅱ或Ⅲ
SDS﹤0.167 A A
0.167﹤SDS﹤0.33 B C
0.33﹤SDS﹤0.5 C D
SDS>0.5 D

D

表2 1.0s长周期抗震设防类别

1.0s短周期设计反应谱加速度SDL (g) 风险等级
Ⅰ或Ⅱ或Ⅲ
SDL﹤0.067 A A
0.067﹤SDL﹤0.133 B C
0.133﹤SDL﹤0.20 C D
SDL   >0.2 D D
1.0s长周期最大考虑地震反应谱加速度SL (g) Ⅰ或Ⅱ或Ⅲ
SL   >0.75 E F

抗震设防类别用来确定对结构采用的抗震分析方法、结构高度限值、偶然扭转放大的适用性等。规范允许采用的分析类型见表3所示。

表3 规范允许采用的分析方法

结构特征 可采用的分析方法
B、C 所有结构 1.等效侧向力法(ELF)2.模态反应谱法(MRS)3.地震时程分析法(SRH)
D、E、F 不超过两层,风险等级为I或II类建筑轻型框架结构不超过48米的规则结构超过48米的规则结构,同时周期满足:T<3.5SDl/SDS不超过48米,仅有水平或垂直不规则的结构
所有其它结构 2.模态反应谱法(MRS)3.地震时程分析法(SRH)

下图是美国规范地震设计反应谱曲线。与中国规范类似,也由四段式直线(或曲线)构成。0.2S短周期设计反应谱加速度SDS确定了曲线的水平段。SDl对应自振周期为1秒的结构的设计反应谱加速度。

TL为最长周期,按地区选用不同的数值,在4秒到16秒之间。

用等效侧向力法进行抗震计算时,在确定的方向上,地震基底剪力V按下式计算:

 

反应调整系数R代表了结构的塑形性能,是塑形性能的定量体现,包括:延性性能和超过设计强度后的性能等。根据以往地震中结构的抗震表现、实验研究和理论分析得出具体的数值。结构反应调整系数越高,结构延续越好,地震反应折减越大,作用在结构上的地震力越小,但必须通过合理选用延性性能好的材料、构件截面和节点形式进行保证。

规范对同一结构类型设定不同的反应调整系数,由不同的设计参数和抗震措施来保证延性要求。对于冷弯薄壁型钢剪力墙结构,规范规定见表4所示.

表4 冷弯薄壁型钢结构反应调整系数

承重墙抗震系统 反应调整系数
冷弯薄壁型钢墙体覆盖木结构面板或钢板 6.5
冷弯薄壁型钢墙体覆盖其它材料墙板 2
冷弯薄壁型钢墙体钢带支撑 4

结构重要性系数Ie,按照建筑物风险等级确定,分为四类,见表5所示。

表5 结构重要性系数

建筑和结构风险等级 详细描述 重要性系数
破坏后对人类危害较低的建筑和结构 1.0
除去Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ以外的其它建筑和结构 1.0
破坏后对人类危害显著的建筑和结构 1.25
被指定用来作为基础设施,破坏后会对社区造成重大危害的建筑和结构 1.5

SDS为0.2秒短周期设计反应谱加速度;SDl为1.0秒长周期设计反应谱加速度。美国规范采用的设计反应谱加速度是将考虑场地影响的最大考虑地震(MCER)反应谱加速度值乘以2/3的折减系数。从超越概率的角度来分析,大致相当于中国规范的“中震”水平。

根据0.2秒和1秒反应谱加速度值和场地类别确定场地系数Fa和Fv,见表6和表7所示。这是针对地震波在不同场地会有衰减或放大的现象,对加速度进行的调整。

表6 短周期场地系数Fa

场地类别 考虑风险目标的最大考虑地震的反应谱加速度g(短周期0.2s)
Ss≦0.25 Ss=0.5 Ss=0.75 Ss=1.0 Ss≧1.25
A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
B 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
C 1.2 1.2 1.1 1.0 1.0
D 1.6 1.4 1.2 1.1 1.0
E 2.5 1.7 1.2 0.9 0.9
F 进行特定场地的地面运动分析

 表7 长周期场地系数Fv

场地类别 考虑风险目标的最大考虑地震的反应谱加速度g(长周期1.0s)
Sl≦0.1 Sl   =0.2 Sl   =0.3 Sl   =0.4 Sl   ≧0.5
A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8
B 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
C 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3
D 2.4 2.0 1.8 1.6 1.5
E 3. 3.2 2.8 2.4 2.4
F 进行特定场地的地面运动分析

Sl为1.0秒长周期最大考虑地震反应谱加速度,要查找最大考虑地震MCER(Maximum Considered Earthquake)反应谱加速度等值线图,得到临界阻尼比为5%的0.2秒反应谱加速度值Ss和1.0秒反应谱加速度值Sl,该数值是在场地类别B情况下得到,其它场地类别需要乘以相应的场地系数。

T为结构自振周期,规范给出了近似计算公示,如下所示。

按照建筑物所在场地的土壤剪切波速确定场地类别,见表8所示

表8 场地类别

场地类别 A. 硬岩 B. 岩石 C.特别密实土或软岩 D.硬土 E.软粘土 F.需要场地反应谱分析
剪切波速 Vs(m/s) >1524 762-1524     366-762 183-366    188
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