中国和日本均为地震频发国家, 尤其是日本。日本全国均位于高烈度区, 地震发生频繁, 建筑多经历过地震检验, 因此, 日本建筑抗震实践更为丰富。众所周知钢结构建筑在两国建筑中的使用比例差别较大, 按建筑面积核算, 2015年日本建筑中钢结构比例为混凝土结构的两倍以上, 而中国建筑中混凝土结构占总建筑的90%, 尤其是中低层民用建筑中钢结构几乎没有应用。但中国钢材产量居世界第一位, 且目前存在严重的钢材过剩问题, 国家大力提倡钢结构建筑的应用, 本文主要通过中日钢结构规范下钢结构设计实例的对比, 以期对我国抗震设计起到借鉴作用, 帮助设计人员更深刻理解钢结构设计的流程, 为广大工程技术人员提供有益的参考, 为推广钢结构建筑的应用起到促进作用。

　　 本文主要以一栋6层钢结构商业大楼为例, 对比了中日钢结构规范的设计流程、地震作用、结构整体性能指标、构件的性能指标、节点的连接性能, 并研究了大震作用下结构的破坏机制。

　　 6层商业大楼 (屋顶有2层小塔楼, 无地下室) 的总建筑面积为25 000m²。1, 2层的主要用途为停车场, 3～5层为一般商业店铺, 6层为饮食店铺。空调设备的室外机布置在6层屋顶。建筑物的西侧横跨一现存的高架走廊, 结构布置见图1～3。

　　 结构为纯框架结构, 2～6层楼盖为组合楼盖, 屋顶为非组合楼盖。对比模型设置为:1) 模型J1, 采取日本钢结构规范设计, 截面及材料见表1。2) 模型C1, 采取中国钢结构规范设计, 截面及材料见表1。3) 模型C2, 在模型C1基础上, 按中国钢结构规范进行优化设计, 具体截面信息见第5节。

　　 中日钢结构规范材料强度对比见表2, 值得注意的是日本规范钢结构材料选用JIS标准时, 若二次设计, 强度设计值可放大1.1倍。

　　 中日钢结构规范荷载对比见表3。

　　 根据中日设计特点, 将其设计流程进行整理, 中国钢结构规范设计是根据建筑物规模, 选择合适的地震作用计算方法, 但其控制指标 (层间位移角、偏心率、构件验算等) 相同, 对于超限结构, 需要专门确定结构性能目标, 进行补充计算, 具体计算流程见图4。图中抗规即《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) , 高钢规即《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) 。

　　 日本钢结构规范设计是根据建筑高度、偏心率和高宽比选择不同的计算内容和控制目标, 具体计算流程见图5。

　　 中国抗震设计中, 抗震设防标准由建筑抗震设防烈度和建筑抗震设防类别确定, 采用设计基本地震加速度作为抗震设防烈度的基本参数。设计基本地震加速度是50年设计基准期内超越概率为10% (重现期为475年) 的地面峰值加速度PGA, 中国抗规抗震设防烈度和基本地震加速度值的对应关系如表4所示。

　　 在日本抗震设计中, 认为地震对结构的破坏更多取决于地震输入的能量, 而与能量最直接相关的是地面峰值加速度PGA, 日本在设计规范中考虑的地震地面加速度值 (等同于重现期475年的地震) 为0.5m/s², 经换算后日本绝大多数地区对应的地面加速度值为0.3g～0.4g, 甚至更高。

　　 日本钢结构规范中没有明确规定抗震设防烈度, 也没有明确规定建筑的重要性, 仅通过标准剪力系数C₀和地震区域系数Z反映抗震设防标准。日本采用的C₀基本相同, Z取值范围为0.7～1.0, 大多数地区取0.9和1.0。

　　 综上可见, 日本地震水准相当于我国抗震设防烈度8度 (0.30g) 与9度之间, 本文中国规范地震作用按抗震设防烈度8度 (0.30g) 计算, 并与按日本抗震方法计算后的结果进行对比。

　　 中国抗震设计采取两阶段设计以实现三水准设防目标。三水准设防目标指“小震不坏、中震可修、大震不倒”, 即遭遇第一水准烈度——众值烈度 (50年内超越概率为63%的多遇地震) 影响时, 建筑处于正常使用状态, 从结构抗震分析角度, 可以将结构视为弹性体, 采用弹性反应谱进行弹性分析;遭遇第二水准烈度——基本烈度 (50年内超越概率为10%的设防地震) 影响时, 结构进入非弹性工作阶段, 但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复范围内;遭遇第三水准烈度——最大预估烈度 (50年内超越概率为2%～3%的罕遇地震) 影响时, 结构有较大的非弹性变形, 但应控制在规定的范围内, 以免倒塌。

　　 两阶段设计指的是:第一阶段设计是承载力验算, 取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用和相应的地震作用效应, 采用分项系数设计表达式进行结构构件的承载力验算, 这样既满足了第一水准烈度下具有必要的承载力可靠度, 又满足第二水准的损坏可修的目标。对大多数结构可只进行到第一阶段设计, 而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。第二阶段是弹塑性变形验算, 对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑, 进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施, 实现第三水准的设防要求。具体流程可见图4。

　　 日本《建筑基准法》 (BSL) 中的抗震设计有容许应力设计法^[1]、极限承载力设计法^[2,3]、基于动力分析的抗震设计法^[4]、基于能量平衡的抗震设计法^[5]。无论采取何种设计法, 都需遵循以下原则:1) 在使用年限中, 对于经常发生的小震和中震, 允许建筑物出现小裂缝等不影响性能的非常轻微的损害, 旨在保证建筑物仍能正常使用, 同时也保护建筑物的价值;2) 在发生极其罕见的大震时, 防止房屋倒塌, 旨在保护人民的生命 (第一水准强度地震作用下, 要求结构几乎不遭受破坏, 主体结构保持弹性, 地震后可继续使用;第二水准强度地震作用下, 要求结构不倒塌或不产生可能导致人员伤亡的破坏) 。

　　 本文主要讲述容许应力设计法。日本的《建筑基准法》 (BSL) 规定, 第一水准为30年超越概率50%的地震 (重现期为43年) , 第二水准为50年超越概率10%的地震 (重现期约475年) 。故一次设计为弹性反应谱的承载力验算, 采取容许应力设计法, 即:短期应力≤短期容许应力;二次设计为根据建筑物的规模, 对设计方法进行分类, 对部分建筑进行保有耐力设计 (见图5的路径3) :

　　 $Q{}_{\text{u}}\ge Q{}_{\text{u}\text{n}}(1)$

　　 式中:Q_u为各楼层的保有水平耐力, 《建筑基准法》 (BSL) 原则上要求通过结构推覆分析 (Pushover Analysis) 确定结构各层的保有水平耐力, 其值为各楼层层间位移角至1/75时楼层的抗侧承载力;Q_un为必要保有水平耐力 (即结构在大震下作弹性反应时的地震楼层剪力Q_ud考虑结构的塑性变形能力的降低效应和结构构件在建筑平面与立面的不规则性引起的增大效应后的楼层地震水平剪力, 详见3.3节) 。

　　 其他建筑通过放大地震力、层间位移限值、刚性率或偏心率来保证二次设计, 其具体计算流程及范围见图5, 图中未提到的高度超过60m的建筑, 要按照《建筑标准法》 (BSL) 实施令第36条第4项的规定, 不是依据容许应力设计法及极限承载力设计法, 而是要用另外规定的、更详细的方法对结构进行详细计算、确保其安全性, 并规定设计结果要经过大臣 (相当于建设部部长) 的认定。

　　 中日地震作用及控制目标对应情况如表5所示。

　　 中国抗震规范中, 对于高度低于40m的规则结构在第一阶段设计时, 可采用底部剪力法计算地震作用。按下列公式计算结构水平地震作用标准值:

　　 $\{\begin{array}{l}F{}_{\text{E}\text{k}}=\alpha {}_{1}G{}_{\text{e}\text{q}}\\ F{}_i=\frac{G{}_i{\rm H}{}_i}{{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}G}{}_j{\rm H}{}_j}F{}_{\text{E}\text{k}}(1-\delta {}_{\text{n}})\\ \Delta F{}_{\text{n}}=\delta {}_{\text{n}}F{}_{\text{E}\text{k}}\end{array}(2)$

$\alpha {}_1=\{\begin{array}{c}(0.45+\frac{\eta {}_2-0.45}{0.1}{\rm T})\alpha {}_{\max }({\rm T}\le 0.1)\hfill \\ \eta {}_2\alpha {}_{\max }(0.1<{\rm T}\le {\rm T}{}_{\text{g}})\hfill \\ \left(\frac{{\rm T}{}_{\text{g}}}{{\rm T}}\right){}^{\gamma }\eta {}_2\alpha {}_{\max }({\rm T}{}_{\text{g}}<{\rm T}\le 5{\rm T}{}_{\text{g}})\hfill \\ [\eta {}_{2}0.2{}^{\gamma }-\eta {}_1({\rm T}-5{\rm T}{}_{\text{g}})]\alpha {}_{\max }(5{\rm T}{}_{\text{g}}<{\rm T}\le 6.0)\hfill \end{array}(3)$

　　 式中:F_Ek为结构总水平地震作用标准值;α₁为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数, 取值见式 (3) ;G_eq为结构等效重力荷载;F_i为质点i的水平地震作用标准值;H_i, H_j分别为质点i, j的计算高度;G_i, G_j分别为集中于质点i, j的重力荷载代表值;δ_n为顶部附加地震作用系数;α_max为地震影响系数;η₁为直线下降段的下降斜率调整系数;η₂为阻尼调整系数;T为结构自振周期;T_g为结构特征周期;γ为衰减指数。

　　 日本抗震规范中, 楼层i水平地震作用Q_i由式 (4) 计算:

$\begin{array}{l}Q{}_i=C{}_i{\displaystyle \sum _{j=i}^{n}W}{}_j\\ C{}_i={\rm Z}R{}_{\text{t}}A{}_{i}C{}_0\end{array}(4)$

　　 其中:

$\begin{array}{l}A{}_i=1+\left(\frac{1}{\sqrt{\alpha {}_i}}-\alpha {}_i\right)\frac{2{\rm T}}{1+3{\rm T}}\\ \alpha {}_i=\frac{{\displaystyle \sum _{j=1}^{n}W}{}_j}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}W}{}_i}\\ R{}_{\text{t}}=\{\begin{array}{c}1.0({\rm T}<{\rm T}{}_{\text{C}})\hfill \\ 1-0.2\left(\frac{{\rm T}}{{\rm T}{}_{\text{C}}}-1\right){}^2({\rm T}{}_{\text{C}}\le {\rm T}\le 2)\hfill \\ 1.6\frac{{\rm T}{}_{\text{C}}}{{\rm T}}({\rm T}>{\rm T}{}_{\text{C}})\hfill \end{array}\end{array}$

　　 式中:Q_i为楼层i的地震层剪力;C_i为楼层i的地震层剪力系数;C₀为标准水平地震作用剪力系数, 一次设计时取 0.2, 二次设计时取1.0 以上;Z为地区地震系数 (图6) ;R_t为建筑物的振动特性系数 (图7) ;A_i为地震作用下楼层剪力沿高度方向分布系数 (图8) ;α_i为结构最上部至楼层i的重量之和与地上部分全部重量的比值, 其中${\displaystyle \sum _{j=1}^{n}W}{}_j$为楼层j的恒荷载和活荷载 (地震力计算用活荷载) 之和;${\displaystyle \sum _{i=1}^{n}W}{}_i$为建筑物总的质量;T为结构自振周期;T_c为场地特征周期, 第一种场地取0.4s, 第二种场地取0.6s, 第三种场地取0.8s。

　　 二次设计的必要保有水平耐力Q_un计算公式为:

　　 $Q{}_{\text{u}\text{n}}=D{}_{\text{s}}F{}_{\text{e}\text{s}}Q{}_{\text{u}\text{d}}(5)$

　　 式中:Q_ud为大震下结构弹性反应时的楼层水平地震剪力, 依据式 (4) 计算, 且C₀=1.0;D_s为结构特性系数, 表示由结构塑性变形能力确定的地震力降低系数, 由结构的框架等级、支撑类别及支撑的水平力分担率决定, 取值由表6确定;F_es为形状系数, 是由偏心率R_e和刚性率R_s分别确定的F_e和F_s的乘积, 取值由表7确定。

　　 日本抗震规范中建筑物的振动特性系数R_t与标准剪力系数C₀₁的乘积大致可相当于中国抗震规范的地震影响系数α, 选择我国第Ⅲ类场地土的第二组, 给出地震影响曲线对比见图9。可见, 选择8度 (0.30g) 地区与日本抗震规范对比比较合适, 中国规范的地震影响系数在下降段比较陡, 即下降较快, 按中国抗震规范计算的楼层数较低的建筑的地震作用较小, 随着高度增加, 按日本抗震规范计算的地震作用超过中国抗震规范计算的地震作用。

　　 中国地震参数及日本地震参数对比见表8。中国抗震规范采用振型分解反应谱法计算, 其自振周期见表9, 可见扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期的比值为0.993 0/1.076 4≈0.923>0.85, 不符合中国抗震规范的要求。

　　 地震作用下模型C1, J1的楼层剪力及重量见表10及图10, 11。

　　 从以上对比可以看出, 中国抗震规范与日本抗震规范计算的楼层重量相当, 但日本抗震规范一次设计的地震作用大于中国抗震规范, 主要是由于周期的差别, 日本抗震规范周期直接采用简化公式计算, 中国抗震规范用动力学方法计算特征周期, 中国抗震规范的中梁、边梁刚度放大系数均小于日本抗震规范, 模型J1的周期小于模型C1的周期, 模型J1在平台段时, 模型C1已在下降段, 并且中国抗震规范反应谱的下降速度比日本抗震规范快。

　　 模型C1按照中国规范进行整体性能指标计算, 地震作用下模型C1, J1的层间位移角见表11及图12。

　　 模型C1在地震作用下的扭转位移比见表12及图13, 可见Y向正偶然偏心规定水平力作用下的楼层扭转位移比大于1.2, 属于一项超限项。模型J1没有计算扭转位移比。

　　 模型C1的楼层侧向刚度比 (表13) 满足中国抗震规范要求。模型J1没有计算楼层侧向刚度比。

　　 从整体性能指标比较可以看出, 本实例模型有一项指标 (扭转位移比) 超出中国抗震规范的超限建筑限值。

　　 中日规范构件承载力验算分别采用极限状态设计法与容许应力设计法。选取典型构件进行验算, 结果如表14所示。

　　 中日规范中关于节点的计算方法有比较大的差异, 不好进行量化对比, 本节仅列出中日规范在梁柱节点中的计算内容。

　　 中国抗震规范梁柱节点验算的主要内容有:1) 节点连接验算:强度验算, 采用小震内力组合计算;节点承载力设计值不小于构件承载力设计值;2) 节点域抗剪承载力验算;3) 节点域腹板局部稳定验算;4) 抗震承载力验算:强柱弱梁验算ΣW_pc (f_yc-N/A_c) ≥ηΣW_pbf_yb其中W_pc, W_pb分别为交会于节点的柱和梁的塑性截面模量;f_yc, f_yb分别为柱和梁的钢材屈服强度;N为地震组合的柱轴力;η为强柱系数;A_c为框架柱的截面积;5) 节点连接的抗震设计:节点的极限承载力大于构件的屈服承载力。

　　 日本抗震规范梁柱节点验算的主要内容有:1) 弯矩承载力验算:连接部位塑性承载力设计值大于构件塑性承载力设计值;抗剪承载力验算;连接的承载力验算:强度验算;2) 节点域屈服承载力验算:节点域屈服承载力大于节点域弯矩;3) 主梁弯矩承载力比ΣM_pc/Σmin{1.5M_pb, 1.3M_pp}=1.2≥1;4) 保有承载力连接的验算:弯矩、剪力的验算;5) 节点域全塑性承载力比, 根据构件的全塑性承载力比及其最小值与节点域的全塑性承载力之比, 确定先行屈服构件, 保证其不发生在节点域上。

　　 由上述可知, 中日规范梁柱节点验算内容大致相同, 但具体计算公式有些差别, 另外, 日本抗震规范中有节点域全塑性承载力比, 根据构件的全塑性承载力比及其最小值与节点域的全塑性承载力之比确定先行屈服构件, 保证其不发生在节点域上, 这一点值得中国抗震规范学习。

　　 中日规范静力推覆分析方法与计算内容均不相同, 中国规范依据美国FEMA 356标准, 通过推覆分析建立结构的能力谱与需求谱曲线, 得到结构在大震下的结构性能点, 从而推定结构在大震下的性能, 控制大震下层间位移角小于1/50。

　　 而日本抗震规范则首先以最大层间位移角1/75为结构的极限状态, 以通过推覆分析得到结构的层间剪力作为结构的保有耐力, 大震下的地震力为必要保有耐力, 从而判断结构的安全性。

　　 按中国抗震规范进行静力弹塑性分析, 从X+向和Y+向两个方向对模型C1进行Pushover分析, 图14绘制了两个推覆方向的能力谱曲线、需求谱曲线和性能点。对应两个方向结构体系性能点处结构的层间位移角见图15。表15列出了模型C1静力推覆分析计算结果。综合图表数据可以看出, 大震下结构的层间位移角小于1/50, 满足中国抗震规范的要求。

　　 日本抗震规范按X+方向施加作用力, 质心位置层间位移角达到1/75时的层间剪力为保有水平承载力, 其计算结果见表16。

　　 由于按中国抗震规范进行设计, 构件的安全储备高于按日本抗震规范计算的相应安全储备, 故按照构件设计应力比相匹配的原则, 对模型C1进行截面优化, 优化后的为模型C2, 其与模型J1主要截面对比见表17, 经济指标对比见表18。

　　 为了更好地对比中国抗震规范设计的结构和日本抗震规范设计的结构之间的差别, 将模型C2与模型J1分别按日本抗震规范进行二次设计、按中国抗震规范进行罕遇地震弹塑性时程分析。

　　 根据规范要求, 选取3条地震波进行罕遇地震弹塑性时程分析, 包括1条人工波和2条天然波。表19列出了模型J1, C2楼层位移包络值对比, 图16为模型J1, C2楼层位移对比曲线, 可以看出模型J1的楼层位移小于模型C2的。

　　 表20列出了模型J1, C2在大震弹塑性分析时层间位移角包络值对比, 图17为模型J1, C2层间位移角对比曲线, 可以看出模型J1的层间位移角小于模型C2的。

　　 表21列出了大震弹塑性分析时, 模型J1, C2层间剪力包络值对比, 图18为模型J1, C2层间剪力对比曲线, 可以看出模型J1的层间剪力大于模型C2, 模型J1的X向基底剪力是模型C2的1.18倍, 模型J1的Y向基底剪力是模型C2的1.31倍。

　　 (1) 中日规范均采用了两阶段抗震设计, 日本规范的抗震设防水准总体高于中国规范的抗震设防水准。

　　 (2) 第一阶段设计, 中国抗震规范对层间位移的要求比日本抗震规范严格;第二阶段设计, 日本抗震规范概念更清晰, 操作更方便, 可直接进行计算, 控制目标明确, 值得借鉴。而中国抗震规范采取弹塑性分析, 控制层间位移角的做法操作不方便, 且难以定量判断是否正确。

　　 (3) 计算大震作用时, 日本抗震规范根据构件塑性变形能力确定地震力折减系数, 概念非常简洁, 也更符合抗震的基本原理。

　　 (4) 中国抗震规范的抗震设计反应谱平台段比日本抗震规范高, 但平台段比日本抗震规范短, 下降速度更快, 故对短周期结构, 中国抗震规范计算的地震作用可能较大, 但对长周期结构, 中国抗震规范计算的地震作用更小。事实上, 日本抗震规范采用简化法计算自振周期, 比中国抗震规范采用动力法计算的周期小, 故总体来说, 日本抗震规范的计算地震 作用大于中国抗震规范。

　　 (5) 中日规范的钢结构构件验算分别采取极限状态设计法及容许应力设计法, 计算结果接近。

　　 (6) 中日规范的节点验算内容大致相同, 日本抗震规范更注重地震作用下构件与节点的相对屈服顺序的控制。