为了借鉴国外抗震规范的先进经验, 国内学者对美国UBC规范、日本BSL规范和欧洲Eurocode8规范等国外抗震规范和我国抗震规范进行大量的对比研究, 从抗震设防、场地分类、地震动参数取值及抗震设计反应谱、抗震承载力验算和变形验算等不同角度研究分析, 得到不少有益的参考和结论^[1,2,3,4]。

　　 本文选取中国抗震规范GB 50011—2010^[5] (简称中国抗震规范) 和澳大利亚抗震规范AS 1170.4-2007^[6] (简称澳大利亚抗震规范) , 从设防目标、设防类型、场地分类、地震反应谱和抗震设计方法等方面进行了详细比较和分析。

　　 中国抗震规范沿用中国89版抗震规范GBJ11—89提出的三水准设防, 分别对应于50年超越概率63%, 10%和2%~3%的地震作用, 对应地震重现期分别为50年、475年和2 500~1 600年。设防目标为“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”, 即遭受多遇地震时, 结构一般不受损坏或不需修理可继续使用;遭受设防烈度地震时, 结构可能损坏, 经一般修理或不需修理仍可继续使用;遭受高于设防烈度预估的罕遇地震时, 结构不致倒塌。文献[7]指出, 中国78版抗震规范TJ 11—78中开始“隐含”的小震地震作用Q_o, 主要是考虑结构塑性变形的影响, 根据Newmark等能量准则按下式求得:

　　 式中:Q_eo为设防地震时的弹性地震作用;C为折减系数;μ为对应于规范规定破坏程度的结构允许延性系数, μ=Δ_p/Δ_y, 其中Δ_p, Δ_y分别为最大位移、屈服位移。

　　 中国抗震规范中, 小震地震作用则按设防地震作用的0.36倍 (即1/2.8) 统一折减取值, 与中国78版抗震规范TJ 11—78中折减系数C的平均值大致相当。

　　 澳大利亚抗震规范采用单一的设防水准, 即以地震设计重现期为500年的地震作用作为基准设防地震作用;该规范以场地灾害因子Z的形式给出了地震重现期为500年澳大利亚地震区划。澳大利亚规范AS 1170采用NCC (澳大利亚国家建设法规) 的设防目标:结构能够抵抗极端或频遇地震往复荷载, 且结构整体稳定不发生倒塌破坏。设计地震作用取设防地震作用乘以折减系数S_p/μ (其中S_p为结构性能因子, μ为结构延性系数) , 对于不同延性的结构体系, S_p/μ取值为0.17, 0.22和0.38。中澳抗震设计规范的基准设防地震作用地震重现期基本一致, 具有可对比性;两者整体设防目标类似, 要求在低于设防地震水准的地震作用下保持弹性, 在等于或高于设防地震水准的地震作用下不发生倒塌破坏。

　　 中国抗震规范按现行中国抗震设防分类标准划分所有建筑的抗震设防类别, 根据使用功能和灾害后果, 将抗震设防类别及其抗震设防标准分为特殊设防、重点设防、标准设防和适度设防四类, 分别简称为甲、乙、丙、丁类。

　　 与中国抗震规范类似, 澳大利亚规范AS/NZS1170.0-2002^[8]对所有建筑物根据重要性、用途及灾害后果, 进行了1, 2, 3, 4共4个分级, 如表1所示。

　　 对比说明:中澳规范均通过建筑物的功能、用途和地震破坏对人员及财产的危害和可能产生的次生灾害等因素进行建筑物的重要性划分, 相应调整相关抗震设计, 从而实现结构设计的经济合理。

　　 中国抗震规范对于不同重要性等级的建筑, 通过抗震设防烈度的调整来确定抗震措施和地震作用。该规范对甲类用高于本地区抗震设防烈度的要求确定地震作用, 且按比本地区设防烈度高一度的要求加强抗震措施;对乙类按比本地区设防烈度高一度的要求加强抗震措施;丙类建筑不进行调整;对丁类建筑则允许适度降低抗震措施。可见, 中国抗震规范中重要性等级对抗震设计的调整较复杂。

　　 与中国抗震规范不同, 澳大利亚抗震规范针对不同建筑重要性等级, 给定了相应的地震重现期, 在澳大利亚抗震规范中换算为不同的地震作用概率系数k_p, 从而直接调整地震作用的大小, 详见表2;该规范中1, 2, 3, 4级重要性结构的地震作用概率系数分别为0.5, 1.0, 1.3, 1.8。

　　 中国抗震规范以土层等效剪切波速v_se和场地覆盖层厚度H为主要指标来划分场地类型, 共分为Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ共4类, 其中Ⅰ类分为Ⅰ₀, Ⅰ₁两个亚类。等效剪切波速的计算深度D_c取覆盖层厚度和20m两者的较小值。具体划分情况见表3。

　　 澳大利亚抗震规范以地基表层30m内的等效剪切波速v_s30、土层无侧限抗压强度、标贯击数N_SPT、不排水剪切强度和场地覆盖土厚度5个指标来划分场地类型, 分为A, B, C, D, E共5类, 具体划分情况见表4。澳大利亚抗震规范对场地类型的划分方法与中国抗震规范基本类似, 都将等效剪切波速和上覆土层厚度作为主要指标。中国抗震规范的等效剪切波速计算深度取覆盖层厚度H和20m两者的较小值, 且所有场地类别均由等效剪切波速和上覆土层厚度指标共同确定。澳大利亚抗震规范中等效剪切波速主要用于A, B类场地划分, 且等效剪切波速的计算深度为定值30m, 此时不再考虑上覆土层厚度的影响, 仅给出上覆土层的最小等效剪切波速;C, D, E类场地划分则以不排水剪切强度或标贯击数和上覆土层厚度为指标共同确定, 并参考场地低幅值特征周期指标。

　　 总体上讲, 澳大利亚抗震规范场地分类的要求和类别较中国抗震规范细致, 能更有效地细化抗震设防水准设定。但目前主流抗震设计规范使用的场地类别相关的反应谱理论属于概率统计学理论, 仍受震源机制等其他因素的干扰, 因此场地类别过于细化的划分意义不大。

　　 中国抗震规范以地震影响系数α的形式给出设计反应谱, 地震影响系数由设计基本地震加速度、设计地震分组、场地类别以及阻尼比确定。中国抗震规范给出反应谱见图1。图中α_max为地震影响系数最大值;η₁为直线下降段的下降斜率调整系数;γ为衰减指数;T_g为特征周期;η₂为阻尼调整系数;T为结构自振周期。

　　 澳大利亚抗震规范以谱形状函数的形式给出了不同场地的反应谱数值表达式。谱形状函数下降段以T=1.5s为界, T<1.5s时C_h (T) =a₁/T;T>1.5s时C_h (T) =1.5a₁/T², 如图2所示。

　　 通过对比, 中澳抗震设计规范地震反应谱有以下区别:

　　 (1) 反应谱形状。中澳抗震设计规范给出的设计反应谱基本形状是相似的, 都采用了上升段、平台段 (加速度控制段) 和下降段 (速度和位移控制段) 谱型, 但是采用的数学表达式不同。

　　 (2) 反应谱平台段。澳大利亚抗震规范中, 反应谱平台段数值直接由场地类别决定 (A类场地2.35;B类场地2.94;C, D, E类场地3.68) ;而中国抗震规范中α_max由设防地震动参数决定, 未体现场地类别的影响, 场地类别的影响体现在特征周期和下降段中。这表示场地类别不影响反应谱的短周期段, 只影响长周期段, 且场地类别的影响与地震强度无关, 这与地震发生时的实际情况有所差异。以日本Ki K-net强震数据库的地震动记录为基础的反应谱研究也表明加速度控制段动力系数值随场地条件变差而增大^[6], 并给出了相应的建议反应谱, 与澳大利亚抗震规范精神一致。

　　 澳大利亚抗震规范和中国抗震规范反应谱平台段起始点均为0.1s, 平台段长度均与场地条件相关。澳大利亚抗震规范反应谱平台段长度由场地类别直接确定;中国抗震规范反应谱平台段长度取决于场地特征周期, 后者由场地类别和设计地震分组共同确定。中国抗震规范通过设计地震分组来反映同样烈度、同样场地条件下, 地震机制、震级大小和震中距等变化对反应谱形状的影响。总体上中澳抗震设计规范的平台段长度受场地类别影响规律基本一致, 均为场地条件越差, 反应谱平台段长度越长。

　　 (3) 反应谱下降段。反应谱下降段衰减指数γ是对长周期部分影响最为显著的因素。中国抗震规范规定, 当阻尼比为5%时, 曲线的下降一段的衰减指数为0.9;澳大利亚抗震规范与欧洲抗震设计规范类似, 长周期下降一段与二段的衰减指数分别为1和2。两者相比, 中国抗震规范反应谱在长周期段的下降趋势相对保守, 并且给出了最小剪重比的要求, 进一步提高了长周期段的地震作用水平。

　　 中国抗震规范反应谱位移控制段起始点周期取为5倍场地特征周期, 因此与场地类别直接相关。澳大利亚抗震规范反应谱位移控制段起始点则取定值1.5s。长周期地震动反应谱研究表明, 场地类型不同, 反应谱位移控制段起始周期和场地特征周期线性相关性为中等偏弱, 场地类型对位移控制段起始周期值影响不显著^[9], 其研究所得位移控制段起始点周期建议值为3.5s。

　　 (4) 阻尼比影响。中国抗震规范反应谱调整系数η₁, η₂均仅与结构阻尼系数相关, 用以反映结构阻尼比在结构地震响应中的影响;这与美国、欧洲等国家或地区的主流抗震设计规范基本精神一致。澳大利亚抗震规范中谱形状函数为固定函数, 仅与场地类别相关, 结构阻尼比影响也没有体现在结构性能因子和延性系数中。这与已有的地震动研究结论^[10]明显不一致。

　　 (5) 类似地震区划对比。中国抗震规范中多遇地震作用按设防地震作用的0.36倍 (即1/2.8) 统一折减取值, 反应谱动力系数统一取值2.25。因此中国抗震规范中设计地震反应谱的地震影响系数α_max=2.25α_se/2.8=0.8α_se, 其中α_se为设防地震系数。

　　 澳大利亚抗震规范设计反应谱函数C_d (T) =C (T) S_p/μ=k_pZC_h (T) S_p/μ, 其谱形状函数满足C_h (0) =1, 根据刚体动力不放大的原则, 场地灾害因子Z的物理意义与中国抗震规范中设防地震系数α_se基本一致, 即均为场地设防地震时最大地面加速度和重力加速度g的比值。

　　 因此, 可以通过参数转换直接对比中澳类似地区的设计地震反应谱曲线。以澳大利亚Gippsland地区为例, 地震灾害因子Z=0.1, 结构重要性2级, 混凝土框架结构;中国7度区 (0.1g) , 丙类建筑, 混凝土框架结构;则中澳设计地震反应谱对比见图3。

　　 图3对比说明:1) 澳大利亚抗震规范的普通延性框架, 同等地震作用水准下, 弹性设计反应谱短周期部分的取值明显高于中国抗震规范的取值, 场地条件越差, 差值越明显;随着结构周期变长则中国抗震规范的取值逐渐赶上并超过澳大利亚抗震规范取值。2) 澳大利亚抗震规范的中等延性框架, 同等地震作用水准下, 非岩石类场地条件下中澳抗震设计规范短周期段取值水平基本相同, 长周期段则中国抗震规范取值明显高于澳大利亚抗震规范;岩石类场地条件下中国抗震规范在整个周期段取值均明显大于澳大利亚抗震规范。

　　 中国抗震规范采用统一折减后的“小震”弹性反应谱进行截面抗震承载力验算和弹性变形验算, 这是中国抗震规范所特有的设计方法。中国抗震规范要求结构在小震下保持弹性状态, 从而完全适用弹性理论, 抗震计算主要进行承载力控制, 并通过弹性变形控制验算保证结构不开裂, 满足弹性假定。同时控制罕遇地震下的弹塑性变形, 保证结构不发生倒塌破坏。

　　 澳大利亚抗震规范采用根据结构体系延性性能折减的设计地震弹性反应谱进行截面抗震承载力验算, 而采用设计反应谱计算的弹性变形乘以放大系数μ/S_p来验算弹塑性变形, 且层间位移角限值取为定值1.5%, 保证结构整体稳定不发生倒塌。

　　 中澳抗震设计规范均给出了底部剪力法、振型分解反应谱法和动力时程法三种地震设计方法, 设计原理基本相同, 在具体设计中有以下区别:

　　 (1) 重力荷载代表值

　　 中国抗震规范:

　　 对于普通楼面活荷载, φ_Ei取0.5, 库藏类活荷载, φ_Ei取0.8。

　　 澳大利亚抗震规范:

　　 对于普通楼面活荷载, φ_c取0.3, 库藏类活荷载, φ_c取0.6。

　　 (2) 底部剪力法

　　 中国抗震规范底部剪力法引入等效质量系数0.85来反映多质点系底部剪力法和单质点系底部剪力法的差异。楼层地震作用直接按倒三角线性分布, 对于长周期结构引入顶点附加集中地震力系数, 反映高阶振型的影响。结构的水平地震作用标准值按式 (4) , (5) 计算:

　　 式中α₁为对应结构基本自振周期的设计反应谱地震影响系数。

　　 澳大利亚抗震规范AS 1170.4-1993中底部剪力法也采用楼层地震作用倒三角线性分布, 但澳大利亚抗震规范中则根据结构周期长短给出了不同楼层地震作用分布形式, 以反映高阶振型分量的影响。结构水平地震作用标准值按式 (6) , (7) 计算:

　　 式中:W_t为结构整体重力荷载代表值;W_i, W_j分别为i层、j层结构重力荷载代表值;h_i, h_j:分别为i层、j层结构楼层所在结构高度;k为楼层剪力分布指数, T₁≤0.5 s时取1.0, T₁≥2.5 s时取2.0, 0.5s<T₁<2.5 s时按插值取值。

　　 (1) 中国抗震规范采取3水准设防, 澳大利亚抗震规范采取单一水准设防, 两本规范的基准设防地震水平基本相当, 具有可比较性。

　　 (2) 中澳抗震设计规范对应建筑物重要性分类标准基本一致, 中国抗震规范针对建筑物重要性等级对结构地震作用的调整较为复杂, 澳大利亚抗震规范较为简单。

　　 (3) 中澳抗震设计规范对场地类别的分类方法基本一致。

　　 (4) 中澳抗震设计规范采用的反应谱基本形式相同, 相同条件下, 对于普通延性框架, 澳大利亚抗震规范设计反应谱短周期段取值较中国抗震规范高, 长周期段取值则较中国抗震规范低;对于中等延性框架, 澳大利亚抗震规范设计反应谱短周期段取值与中国抗震规范基本相当 (岩石类场地除外) , 长周期段取值则明显较中国抗震规范低。

　　 (5) 中澳抗震设计规范采用的抗震设计方法类似, 均采用折减后的设计弹性反应谱进行承载力验算;但中国抗震规范进行折减后的地震弹性变形验算和大震弹塑性变形验算, 澳大利亚抗震规范则按折减后的地震弹性变形乘以放大系数μ/S_p进行弹塑性变形控制。