中美抗震设计规范地震作用主要参数比较和转换

严奉婷 张炎

(武汉锅炉股份有限公司 湖北 武汉 430205)

摘 要：本文从概念上分析了中国、美国抗震设计规范的不同，提出关于影响地震作用的部分因素（阻尼比，场地类别，周期，设计地震动参数等）在中美规范中的转换，为今后国际项目抗震设计提供参考。

关键词：抗震设计；设计地震动参数；场地类别；转换；比较

Comparison and Conversion of main parameters between Chinese codes and USA codes in calculating seismic loads

Yan Fengting Zhang Yan

(Wuhan Boiler Company Limited, Wuhan, Hubei, 430205)

Abstract This paper presents a conceptive comparison of the seismic code among the seismic design codes of China and USA. It presents the conversion of main parameters (damping, site classification, period, parameters of ground motion etc.) in calculating seismic loads. Hope to provide a little help for the seismic design in the future.

Keywords：seismic design; parameters of ground motion; site classification;

conversion; comparison

由于电力市场的国际化，对于需要走向国际市场的国内锅炉行业来说，各个地区会根据不同规范提出相应的地质条件，如何转换为设计规范的相应地质条件成了十分实际的问题。本文就影响地震作用计算的因素如重要性系数、场地类别、地震动参数、周期等进行了中、美的比较，并给出相应的转换。

1. 各国抗震规范的基本介绍：

1.1. 中国：GB50011-2010《建筑抗震设计规范》

1.2. 美国：ASCE/SEI 7-05《minimum design loads for buildings and other structures》

ANSI/AISC 341-05《 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings》

ASCE/SEI 7是一个针对各种结构形式的荷载规范，除规定了直接作用（如永久荷载和可变荷载）的取值规定外，还规定了间接作用（如地震作用）的取值规定，包括抗震设防目标、场地特性、设计地震作用、地震响应计算方法、结构体系与概念设计等抗震设计方面的内容。ANSI/AISC 341-05规定了结构构件抗震承载力验算和抗震构造规定等具体的抗震设计内容。

2. 抗震设防标准的比较

中国：GB 50011-2001规定，所有建筑的抗震设防类别和抗震设防标准应符合现行国家标准GB 50223-2008《建筑工程抗震设防类别标准》的要求。根据GB50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》分为甲类（特殊设防类）、乙类（重点设防类）、丙类（标准设防类）、丁类（适度设防类）四个抗震设防类别。各抗震设防类别对应不同的抗震设防标准要求。规范规定火力发电厂生产建筑锅炉钢结构属乙类建筑。

美国：按建筑用途分类（I，II，III，IV）和设计地震动参数（SDS或SD1），确定建筑物的抗震设防类别，分为A、B、C、D、E、F，共6类，A类要求满足最基本的抗震措施要求； B类和C类要求满足一般性的抗震措施要求，一般只需按照静力方法计算地震作用（基底剪力法），结构延性要求较低； D、E、F类要求满足严格的抗震措施要求，并要求按照动力分析方法进行地震作用计算（如振型分解反应谱法等），结构延性要求较高。规定在紧急情况下必须维持供电的电站锅炉钢结构为类建筑，其他电站锅炉钢结构为III类建筑。

3. 阻尼比：

中国：锅炉钢结构在多遇地震下的阻尼比：对于单机容量不大于200MW的悬挂锅炉阻尼比可采用0.035；对于大于200MW的悬挂锅炉阻尼比可采用0.02；罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。基准反应谱中使用的阻尼比为0.05，在地震影响系数曲线中作调整。

美国：MCE中使用的阻尼比为0.05，在设计反应谱中没有考虑阻尼比的影响，而是在强度折减系数R中考虑阻尼比的影响。 结构反应调整系数R是对结构延性性能和其超过设计强度后的性能的定量体现，主要根据类似结构在以往地震中的表现，通过经验确定。R较高意味着结构延性要求较高，相应的设计地震作用的折减也较多。

4. 建筑的重要性：

中国： GB50011-2010《建筑抗震设计规范》指出，根据地震作用的特点、抗震设计的现状以及抗震重要性分类与《统一标准》中安全等级的差异，重要性系数对抗震设计的实际意义不大，不考虑结构重要性系数。

美国：ASCE/SEI 7-05，table1-1： IV类建筑的结构重要性系数1.5，III类建筑的结构重要性系数I＝1.25。

5. 场地类别的转化

5.1. 中美规范场地类别划分标准

中国执行GB50011-2010：规范指出按地表以下20m深度范围内岩土层的等效剪切波速Vs20和场地覆盖层厚度将场地类别划分为4类（（I0，I1），，，）。

美国执行ASCE/SEI7-05：指出以表层30m内的等效剪切波速Vs30为主，同时参考标惯击数，不排水剪强度等指标将场地分为6类（A，B，C，D，E，F）。

由于本论文主要针对如何在工程中的运用，仅对常见场地进行比较。对于中国规范中饱和砂土和饱和粉土的液化问题，美国规范中的F类场地土,不在分析范围内。

5.2. 中美规范场地类别的换算

现根据场地分类的主要参数等效剪切波速来进行场地类别的转化，两个等效波速之间的转化参考lu hongshan的论文《CHARACTERIZATION OF DIFFERENT SITE CATEGORY METHOD ON STRONG GROUND MOTION》给出。

5.2.1. 场地类别——中国规范向美国规范转换（表1）

Vs20―――地表以下20m深度范围内岩土层的等效剪切波速

5.2.2. 场地类别——美国规范向中国规范转换（表2）

Vs30―――地表以下30m深度范围内岩土层的等效剪切波速

6. 场地设计特征周期及长周期

6.1. 场地特征周期

我们知道，场地类别划分的根本目的是确定场地的设计特征周期（沿袭中国规范，将它记为Tg）。地震影响系数的特征周期，不仅与场地类别有关，而且还与设计地震分组有关，可更好地反映震级大小、震中距和场地条件的影响。

中国：根据场地类别和设计地震分组查表。

表5：特征周期值

计算罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s。

美国：，根据场地类别和S1，Ss查表求出Fa和Fv，算出Ts＝Tg。

6.2. 长周期过渡周期TL

美国NEHRP2003规范中的长周期过渡周期TL根据震级关系依次为VII度4s，VIII度6s。

7. 地震动参数的换算

7.1. 中国规范和美国规范地震动参数的换算依据：

7.1.1. 中国规范中采用的基准地震是基本烈度（50年超越概率是10％），美国的基准地震是最大考虑地震（50年超越概率是2％）。两者地震间通过，或转换；

7.1.2. 中国规范中反应谱加速度是地面峰值加速度，美国规范反应谱加速度是结构上的响应加速度，两者相差一个结构影响系数；

7.1.3. 中国规范设计谱中考虑为II类场地，美国规范设计谱中考虑为B类场地。需要对场地进行转换；

7.1.4. 中美规范中基准阻尼比均为0.05，不需要转换；

7.1.5. 两国的设计反应谱曲线类似，曲线均为等加速度、等速度和等位移三个阶段，其中等加速度和等速度的交点对应的周期为场地设计特征周期Tg。

7.2. 中国规范向美国规范的转换

中国规范向美国规范地震动参数的换算关系如下:

式1

其中Ss，S1，Fa和Fv为美国规范中的参数，Ss，S1为美国规范ASCE中最大考虑地震下、B类场地短周期和1S对应的结构响应加速度，2.5为结构影响系数，Fa和Fv为场地参数。Acc和Tg为中国规范中的参数，ACC为与基本烈度相对应的地震地面运动峰值加速度。Tg为场地反应谱特征周期。为2500年重现期（50年超越概率2％）与475年重现期（超越概率10％）对应的峰值加速度的比值。

表6：各重现期峰值加速度的比值γCN

具体转换步骤为：1，假定Fa=1，Fv=1,求出相应的S1、Ss，2，根据求出的S1，Ss查出相应的Fa，Fv,求出第二次的S1，Ss，3，重复2直到前后两次的Ss和S1的误差小于0.5％。

例题1：

中国规范：8度（0.2g），第三组，类场地(场地地层为稍密中砂， Vse＝200，覆盖层厚度为10m)，要求美国规范地震动参数。

A>, 场地换算：

a) 20m深度的等效剪切波速：Vs20＝20/（10/200+10/500）＝285m/s

b) 查5.2.1条款表，Vs20<330m/s，对应美国规范D类场地。

B>, 查表6： γCN＝2.25，Acc＝0.2g，Tg＝0.45，假设Fa=1，Fv=1 ，代入式1→Ss=1.125g，S1=0.506g

C>, D类场地，Ss=1.125g，S1=0.506g，查表(ASCE/SEI 7-05，table11.4-1、11.4-2)，Fa=1.05，Fv=1.5，代入式1→ Ss=1.071g，S1=0.338g

D>, Ss=1.071g，S1=0.338g，查表(ASCE/ SEI 7-05，table11.4-1、11.4-2)，Fa=1.072，Fv=1.724，代入式1→ Ss=1.049g，S1=0.294g

E>, Ss=1.049g，S1=0.294g，查表(ASCE/ SEI 7-05，table11.4-1、11.4-2)，Fa=1.08，Fv=1.812，代入式1→ Ss=1.042g，S1=0.279g，

F>, Ss=1.042g，S1=0.279g，查表(ASCE/ SEI 7-05，table11.4-1、11.4-2)，Fa=1.083，Fv=1.842，代入式1→ Ss=1.039g，S1=0.275g，

G>, Ss=1.039g，S1=0.275g，查表(ASCE/ SEI 7-05，table11.4-1、11.4-2)，Fa=1.084，Fv=1.85，代入式1→ Ss=1.038g，S1=0.274g，

迭代结束

所以，美国规范中需要的参数为Ss=1.038g，S1=0.274g，D类场地。

7.3. 美国规范向中国规范的转换

美国规范向中国规范地震动参数的换算关系如下:

式2

图1：美国部分城市标准化地震危险性曲线

为2500年重现期（50年超越概率2％）的0.2S谱加速度与475年重现期（50年超越概率10％）的0.2s谱加速度的比值。该值可通过所在地区的经度和纬度在http://earthquake.usgs.gov/hazards中查到，而地区的经、纬度可通过百度或谷歌查询。

具体转换步骤为：1，通过而地区的经、纬度，运行http://earthquake.usgs.gov/hazards中NSHMP_HazardApp.jar程序或查表或查图得到Ss，S1；2，场地类别转换3，查表求得Fa，Fv，4，可求出ACC，Tg。

例题2：按照ASCE7-05的地震动参数区划图，洛杉矶位于西经118.15，北纬34.04，查得Ss＝2.122g，S1＝0.722g，D类场地。求出对应中国规范的参数。

查表＝1.7，Fa＝1.0，Fv＝1.5，可求出Acc＝0.49，Tg＝0.54s，对应于中国规范的9度、第二组、III类场地。

参考文献

[1]. ASCE/SEI 7-05 minimum design loads for buildings and other structures, published by the American society of civil engineers.

[2]. ANSI/AISC 341-05 seismic provisions for structural steel buildings, published by the American society of civil engineers.

[3]. Lu Hongshan, Characterization of different site category method on strong ground motion, the 14th world conference on earthquake engineering ，october12-17，2008，Beijing，China

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中美抗震设计规范地震作用主要参数比较和转换