新西兰是一个地震多发国家, 在近几年新西兰发生的一系列强震中, 有成功的案例也有失败的教训。新西兰抗震研究水平整体而言处于国际前列, 但我国对新版新西兰规范的对比研究相对较少。针对中、新两国抗震设计规范进行对比研究, 有助于我国在抗震设计中借鉴国外先进经验;也有助于我国企业更好的进入使用澳、新抗震设计规范的南太平洋国家开展项目建设。

　　 目前澳大利亚和新西兰两国逐步将各自规范体系融合为统一的澳新标准体系 (AS/NZS) , 但对于抗震设计规范, 两国仍各自发布:其中澳大利亚规范有关抗震设计的内容主要针对低烈度区, 新西兰规范有关抗震设计的内容主要针对高烈度区。在结构设计上, 澳新两国共同颁布的AS/NZS1170系列规范为最基本的设计准则;AS/NZS1170共分为 AS/NZS1170.0～AS/NZS1170.5六个部分, 内容分别为:基本规定、恒活荷载、风荷载、冰雪荷载、澳大利亚地震作用、新西兰地震作用。本文主要基于其中的《Structural design actions part 0: general principles》 (AS/NZS1170.0) ^[1]和《Structural design actions part 5: earthquake actions-New Zealand》 (NZS1170.5) ^[2]规范与中国的《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3]进行对比分析。

　　 在新西兰混凝土结构规范《Concrete structures standard part 1-the design of concrete structures》 (NZS3101) ^[4]中也有多处内容与抗震相关, 主要规定了混凝土结构设计时各类参数具体取值以及构造要求。此外, 新西兰规范委员会拟对新西兰钢结构规范《Steel structures standard》 (NZS3404) 进行全面修编, 在2009年颁布了关于材料、制造、施工的NZS3404.Part1部分;关于钢结构抗震设计的NZS3404.Part7部分目前尚未颁布。

　　 本文从地震设防水准、场地类别、弹性反应谱以及地震作用调整系数四个方面对中国与新西兰规范的异同进行对比分析, 并且采用混凝土框架结构算例对比了分别按照中、新抗震规范计算时结构基底剪力水平的差异。

　　 在依据新西兰规范进行设计时, AS/NZS1170.0将抗震设防分类分为五个级别, 其划分标准见表1。

　　 由表1可见, 新西兰对建筑抗震设防类别的划分原则与我国基本类似:大体其中设防等级5级、4级、2级、1级可对应我国的抗震设防类别甲类、乙类、丙类、丁类;而设防等级3级由于具体划分数据的差异, 部分建筑物会对应我国乙类, 部分对应丙类。

　　 在AS/NZS1170.0中, 抗震设计需进行承载能力极限状态和正常使用极限状态两个极限状态的验算。两个状态验算均可采用弹性方法计算, 但需要采用不同回归期的地震作用和不同的计算参数。对于承载能力极限状态验算的设计目标是保证结构在地震作用下不发生倒塌, 保证建筑物内部和外部人员的生命安全, 避免涉及到人员疏散的非结构构件发生损坏。正常使用极限状态验算分为SLS1和SLS2两类, SLS1状态验算的设计目标是在地震发生后结构构件和非结构构件均不需要维修, SLS2状态验算的设计目标是要求地震发生后建筑物仍能维持功能。

　　 在AS/NZS1170.0中针对不同的建筑设计使用年限和不同的极限状态给出了不同的地震作用取值, 设计使用年限50年和100年的数据见表2。

　　 由表2可见设计使用年限50年的抗震设防类别2级建筑物, 其承载能力极限状态的设计地震回归期为500年, 与我国GB 50011—2010中475年的中震设防标准基本相同, 只是做了取整处理;所对应的正常使用极限状态的设计地震回归期为25年, 其地震作用约为基本烈度的1/4, 低于我国小震设防烈度水准。

　　 对于乙类建筑, 我国GB 50011—2010在内力计算时不对地震作用标准值进行调整, 而是通过提高抗震措施的方法, 采用更大的系数对构件的组合内力设计值进行调整。而在AS/NZS1170.0中, 3, 4, 5级抗震设防类别的建筑物均需相对2级建筑物在内力计算时取用更高的地震作用标准值。

　　 我国《建筑工程抗震性态设计通则》 (CECS 160∶2004) ^[5]所给出的设计使用年限100年相对设计使用年限50年的地震作用调整系数为1.3～1.4, 与AS/NZS1170.0的规定基本相同。

　　 新西兰规范NZS1170.5中将建筑场地划分为 A～E五类。

　　 由表3可见, 在NZS1170.5中, 除了采用剪切波速作为场地划分指标外, 还采用了卓越周期 (定义为剪切波由基岩传递到地表所需时间的4倍) 、岩土层强度、标贯数等指标作为场地类别划分依据。

　　 对于A&B类岩石类场地, NZS1170.5要求同时满足岩石强度和剪切波速两个指标;其中A类硬质岩石场地的覆盖层剪切波速为1 500m/s, 比我国GB 50011—2010中I₀类硬质岩石场地剪切波速800m/s的要求要高。

　　 为方便对比, 参考文献[6]方法:不考虑中、新两国规范在基岩面确定和剪切波速测定的差异, 仅考虑中、新两国场地划分中的剪切波速和覆盖层厚度指标, 且将新西兰规范中的场地卓越周期指标转换为剪切波速-覆盖层厚度关系, 可将中、新两国的场地划分情况集中绘制到图1中。

　　 由图1可见NZS1170.5中的B类场地大部分情况下相当我国GB 50011—2010中的Ⅱ类场地, 少部分会相当我国Ⅰ类场地; C类场地大致相当我国Ⅱ类场地;D类场地部分对应我国Ⅱ类场地, 部分对应我国Ⅲ类场地。

　　 我国GB 50011—2010对于等效剪切波速小于150m/s且覆盖层厚度大于80m的情况才划入Ⅳ极软场地类类别, 而NZS1170.5规定当有超过10m土层等效剪切波速小于150m/s即划入E类场地。因此当采用新西兰规范判断时, 极软场地范围会远大于我国;新西兰规范中的E类场地大致会涵盖我国GB 50011中的Ⅲ, Ⅳ类场地。

　　 在NZS1170.5中设防烈度下的弹性反应谱表示为:

　　 $C({\rm T})=C{}_{\text{h}}({\rm T})\cdot {\rm Z}R\cdot {\rm N}({\rm T},D)(1)$

　　 式中:C_h (T) 为反应谱谱形函数, 其确定了反应谱的形状;Z为当地设防烈度所对应的地面运动峰值加速度;R为地震作用回归期调整系数, 详见表2中的R_u和R_s取值;N (T, D) 为近场影响系数。

　　 NZS1170.5中的谱形函数主要周期点的函数值详见表5。

　　 在表5中括号内数据为采用振型分解反应谱法时采用, 括号外数据为采用底部剪力法时采用, 其实质相当于采用底部剪力法时反应谱取消了上升段。考虑到自振周期小于0.1s的建筑物多为较矮的刚性建筑;该谱形所产生的效果与我国GB 50011—2010所规定的“多层砌体房屋、底部框架砌体房屋采用底部剪力法计算时水平地震影响系数取反应谱最大值”的要求基本一致;但覆盖的建筑结构类型会更广泛。以下讨论中, 所涉及的新西兰规范反应谱均指振型分解反应谱方法所用谱形。现将新西兰规范地震反应谱曲线绘制于图2。

　　 由图2可见, NZS1170.5规定在地面输入弹性反应谱时, 在T=0.05s时对不同场地类别采用不同的反应谱取值, A&B类名义加速度为C类的0.75倍, D, E类名义加速度为C类的0.84倍;T=0.05s处取值与反应谱平台段的比值为0.53, 0.45, 0.37, 0.37。新西兰规范中由A&B类场地～E类场地不仅反应谱平台段宽度逐步加宽, 而且平台段反应谱取值也逐步加大, E类极软场地的平台段取值约为A&B岩石类场地平台段取值的1.28倍。

　　 我国GB 50011—2010中各类场地的地震影响系数在T=0.0s处一律采用相同的取值0.45α_max, 即平台段的0.45倍, 我国规范认为这样更符合T=0.05s时 (刚体) 动力不放大的规律。同时, 我国GB 50011中不同场地类别的差异只体现于0.1s～T_g的反应谱平台段宽度不同, 反应谱平台段取值是相同的。

　　 考虑到在对一个区域进行抗震设防烈度划分时, 都是基于标准场地的地面运动加速度 (我国基于Ⅱ类场地, 新西兰基于C类场地) 。虽然刚体相对地面运动加速度不会发生动力放大;但是同一个地震设防分区内, 不同场地覆盖层对于基岩地震波具有不同的放大效应, 不同类别场地的自由地面运动加速度相对标准场地的自由地面运动加速度应该是不同的。因此对于T=0.05s处的反应谱取值, NZS1170.5的规定更具有合理性。

　　 对比NZS1170.5中不同场地类别的反应谱形函数可以发现, C, D, E类土质场地在T=0.0s的地面自由场地运动均大于A&B类岩石场地, 体现了场地土对基岩地震运动的放大作用。另需引起注意的是, 在NZS1170.5中D, E类土质场地虽然反应谱平台段取值大于C类土质场地的, 但在T=0.05s处反应谱取值却小于C类场地, 也就是认为虽然软土上建筑物可能会遭受到更大的地震作用, 但深厚软土覆盖层对基岩地震加速度的放大作用是小于一般土质场地的。

　　 我国GB 50011—2010中规定发震断裂带两侧10km以内的结构, 地震动参数应计入近场效应, 5km以内宜乘以增大系数1.5, 5km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。新西兰NZS1170.5对处于断裂带20km范围内的建筑物在结构设计中引入了近场影响系数N (T, D) 反映近场效应, 且在其区划图中明确了需要考虑近场地震的城镇。现将此系数取值绘制于图3。

　　 由图3可见, 该系数主要与建筑物自振周期T和距离断裂带距离D有关:对于长周期建筑物, 该放大系数较大, 对于自振周期小于1.5s的建筑物则不考虑断裂带对其的影响;随着距离断裂带距离的增加, 近场影响系数N (T, D) 数值线性减小, 当达到20km后, 不再考虑断裂带的近场效应。该放大系数对于地震作用的最大放大倍数达到1.72倍, 最大影响距离达到20km, 表明NZS1170.5对近场效应的考虑严于GB 50011—2010的有关规定;且NZS1170.5中近场效应系数与建筑物自振周期相关, 其考虑因素更为细化。

　　 各国规范大多不直接采用设防烈度下的弹性反应谱作为地震计算输入, 而是采用较小的设计反应谱作为地震计算输入。

　　 在我国的“三水准, 两阶段”的抗震设计目标中, 采用多遇地震强度作为地震计算输入, 设计地震作用强度约为设防烈度地震作用强度的30%。新西兰规范与世界绝大部分国家的抗震设计方法类似:针对不同抗侧力体系的延性水平采用不同的折减系数, 对设防烈度下的弹性反应谱折减后作为地震计算输入。

　　 在NZS1170.5中, 承载能力极限状态下的设计反应谱表达为:

　　 $C{}_{\text{d}}({\rm T})=\frac{C({\rm T})S{}_{\text{p}}}{k{}_{\text{μ}}}(2)$

　　 正常使用极限状态下的设计反应谱表达为:

　　 $C{}_{\text{d}}({\rm T})=C({\rm T})S{}_{\text{p}}(3)$

　　 在NZS1170.5中采用结构性能系数S_p与反应谱非弹性因素折减系数k_μ一同对弹性反应谱C (T) 进行折减, S_p与 k_μ则又均与结构延性系数μ相关。延性系数μ主要体现抗侧力结构在地震作用下进入弹塑性状态后动力特性的改变。而结构性能系数S_p则体现了下述抗侧力结构弹塑性因素之外的其他相关因素:

　　 (1) 地震作用的峰值加速度仅在一个瞬间出现, 其不可能对结构造成显著损坏。

　　 (2) 由于应变硬化、加载速率等因素的影响, 地震作用下构件实际承载力通常高于计算所用承载力。

　　 (3) 由于非结构构件的影响, 地震作用下结构整体的承载能力高于计算分析所用的抗侧力体系承载能力。

　　 (4) 由于非结构构件以及地基基础的实际贡献, 地震作用下结构整体耗能能力高于计算分析所用的抗侧力体系耗能能力。

　　 在承载能力极限状态计算中, 当μ≥2时, S_p取0.7;当1≤μ<2时, S_p=1.3-0.3μ;在正常使用极限状态计算中S_p取0.7。

　　 延性系数μ主要与抗侧力结构的材料和延性构造措施相关, 保证通过μ折减后的结构弹性计算结果与设防烈度下结构的弹塑性计算结果等效。

　　 在确定μ时, NZS1170.5对于自振周期大于0.7s的结构采用了位移等效原则;对于自振周期小于0.35s的结构则采用能量等效原则;在自振周期介于0.35～0.7s之间的结构位于两类等效原则的过渡区段。因此NZS1170.5采用反应谱非弹性因素折减系数k_μ表示位移等效段和过渡段等效原则的差异:对于A～D类场地采用0.7s作为k_μ取值分界点;而对于E类场地为了与弹性反应谱的平台段拐点匹配, 采用了1.0s作为分界点。反应谱非弹性因素折减系数k_μ取值如下:

　　 当场地类别为A, B, C, D时,

　　 当T₁≥0.7s时:

　　 $k{}_{\text{μ}}=\mu (4)$

　　 当T₁<0.7s时:

　　 $k{}_{\text{μ}}=\frac{(\mu -1){\rm T}{}_1}{0.7}+1(5)$

　　 当场地类别为E类时,

　　 当T₁≥1s或μ<1.5时:

　　 $k{}_{\text{μ}}=\mu (6)$

　　 当T₁<1s且μ>1.5时:

　　 $k{}_{\text{μ}}=(\mu -1){\rm T}{}_1+1.5(7)$

　　 式中T₁为结构基本自振周期, 在计算取值不小于0.4s。

　　 在NZS1170.5中, 根据延性系数μ的大小, 将结构分为延性结构 (3.0～6.0) 、有限延性结构 (1.25～3.0) , 名义延性结构 (1.0～1.25) 、脆性结构延性系数 (1.0) 四个类型。在具体的结构设计规范中会根据材料特性和构造措施给出延性系数的具体取值。

　　 本文对一混凝土框架结构, 分别按照中国规范与新西兰规范进行计算, 对比分析按照两国规范计算所得的底部剪力。假定所有隔墙均与主体结构柔性连接, 按照中国规范计算时不考虑自振周期折减;同时在计算中均忽略楼板对梁刚度的影响。设防烈度下的地面峰值加速度假设为0.15g, 距活动断裂带距离大于20km。结构设计使用年限50年, 功能为一普通8层办公建筑, 层高3.4m, 柱网尺寸8.4m×8.4m, 主梁截面300×700, 次梁截面200×500, 柱截面由800×800逐渐缩小为400×400, 结构布置见图4。

　　 在采用中国规范计算时, 分别假设该结构位于Ⅰ～Ⅳ类场地;在采用新西兰规范计算时, 分别假定该结构位于A&B～E类场地, 延性系数μ分别取1.25, 3.0, 6.0。结构地震作用效应不考虑分项系数的相应影响, 计算结果如表6所示。

　　 由表6的计算结果可见, 随着结构延性系数的提高, 新西兰规范计算的基底剪力减小较为明显。随着场地覆盖层变柔, 中、新两国规范计算的基底剪力都会增大。在标准场地条件下, 本算例新西兰规范在μ=3 时与中国规范基底剪力较为接近。取X向基底剪力比较:采用新西兰规范时A&B类～E类场地条件下, 结构基底剪力的比值约为1∶1.25∶1.97∶2.95;采用中国规范Ⅰ～ Ⅳ类场地条件下, 结构基底剪力的比值为1∶1.24∶1.53∶2.06。这反映了新西兰规范更充分地考虑了场地覆盖层对结构地震作用的影响。

　　 本文对比分析了中新规范中与地震输入相关的若干指标, 主要得出以下结论:

　　 (1) 新西兰规范中设计使用年限50年的抗震设防类别2级的普通建筑物, 其承载能力极限状态的设计地震回归期为500年, 与我国475年的中震设防标准基本相同。

　　 (2) 新西兰规范中A&B类 (岩石类场地) 基本对应我国Ⅰ类场地;B类场地会大部分情况下相当我国规范中的Ⅱ类场地, 少部分会相当我国规范中的Ⅰ类场地; C类场地大致相当我国规范中的Ⅱ类场地;D类场地部分对应我国规范中的Ⅱ类场地, 部分对应我国规范中的Ⅲ类场地;E类场地大致涵盖我国规范中的Ⅲ, Ⅳ类场地。

　　 (3) 与我国规范不同, 新西兰规范中的弹性反应谱在不同场地类别下平台段取值不同, 但均大于我国弹性反应谱平台段取值。新西兰规范中的弹性反应谱在周期T=0.0s处不同场地类别取值不同, 相对我国规范更具合理性。

　　 (4) 新西兰规范对近场效应的考虑严于我国规范, 其近场效应系数与建筑物自振周期相关, 考虑因素更为细化。

　　 (5) 在对设防烈度地震下的弹性反应谱进行折减时, 新西兰规范不仅考虑了与抗侧力结构弹塑性延性性能相关的延性系数μ;而且引入了结构性能系数S_p体现抗侧力结构弹塑性因素之外的其他有关因素。

　　 (6) 在标准场地条件下, 我国小震计算结果接近于新西兰结构延性系数μ=3 时的计算结果;在软土、极软土场地条件下, 新西兰规范计算所得的计算结果大于我国类似场地条件下的小震计算结果。