建筑抗震设计常见问题解答.docx
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建筑抗震设计常见问题解答
建筑抗震设计常见问题解答
王亚勇
中国建筑科学研究院工程抗震研究所
国家标准规范管理组
《建筑抗震设计规范GB50011》
1.4设计基准期和设计使用年限有何差别，在设计文件中应如何表述？
国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-GB50011总则
设计基准期为50年。
设计使用年限分别采用5、25、50和100年，对应于临时性建筑、容易替换的建筑结构构件、普通房屋和构筑物、及纪念性建筑和特别重要的建筑结构。
所谓设计基准期，是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数。
建筑结构设计所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的，如设计时需采用其他设计基准期，则必须另行确定在该基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。
设计基准期是一个基准参数，它的确定不仅涉及可变作用（荷载），还涉及材料性能，是在对大量实测数据进行统计的基础上提出来的，一般情况下不能随意更改。
例如我国规范所采用的设计地震动参数（包括反应谱和地震最大加速度）的基准期为50年，如果要求采用基准期为100年的设计地震动参数，则不但要对地震动的概率分布进行专门研究，还要对建筑材料乃至设备的性能参数进行专门的统计研究。
所谓设计使用年限，是借鉴了国际标准ISO2394:
1998提出的，又称为服役期、服务期等。
设计使用年限是设计时选定的一个时期，在这一给定的时期内，房屋建筑只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预定的功能。
设计使用年限是《建筑工程质量管理条例》对房屋建筑规定的最低保修期限“合理使用年限”的具体化。
结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠性，满足安全性、适用性和耐久性的功能要求。
结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。
安全性指结构在正常设计、施工和使用条件下，应该能承受可能出现的各种作用（各种荷载、外加变形、约束变形等）；另外，在偶然荷载作用下，或偶然事件（地震、火灾、爆炸等）发生时或发生后，结构应能保持必需的稳定性，不致倒塌。
适用性指结构在正常使用时应能满足预定的使用要求，其变形、裂缝、振动等不超过规定的限度。
耐久性指结构在正常使用和正常维护条件下，在设计使用年限内应具有足够的耐久性，如钢筋混凝土构件保护层不能过薄或裂缝不得过宽而引起钢筋锈蚀，混凝土不能因严重炭化、风化、腐蚀而影响耐久性。
对于普通房屋和构筑物，在设计文件的总说明中应明确结构（含基础）的设计使用年限为50年；纪念性建筑和特别重要的建筑结构应为100年。
设计文件中，不需要给出设计基准期。
1.5对于设计使用年限为100年及以上的丙类建筑，抗震设防烈度和设计基本地震加速度、抗震措施和抗震构造措施应如何确定？
首先要明确建筑寿命、设计使用年限和设计基准期的定义。
建筑寿命指从建造到投入使用的总时间，即从建造开始直到建筑毁坏或丧失使用功能的全部时间。
设计使用年限指设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的年限，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和一般维护下所应达到的使用年限。
当房屋建筑达到设计使用年限后，经过鉴定和维修，仍可继续使用。
因此，设计使用年限不同于建筑寿命。
同一幢房屋建筑中，不同部分的设计使用年限可以不同，例如，外保温墙体、给排水管道、室内外装修、电气管线、结构和地基基础，可以有不同的设计使用年限。
设计基准期是指为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于建筑结构的设计使用年限，也不等同于建筑寿命。
我国建筑设计规范所采用的设计基准期为50年，即设计时所考虑荷载、作用、材料强度等的统计参数均是按此基准期确定的。
对于设计使用年限为100年及以上的丙类建筑，结构设计时应另行确定在其设计基准期内的活荷载、雪荷载、风荷载、地震等荷载和作用的取值，确定结构的可靠度指标以及确定包括钢筋保护层厚度等构件的有关参数的取值。
GB50011-2001规范采用的三水准设防思想，即多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震，通常也称为“小震”、“中震”和“大震”，在设计使用年限为50年时，相应的超越概率分别为63%，10%和2-3%，也可以用地震重现期或回归期T来表示。
给定重现期T的地震烈度也就是T年一遇的地震烈度，三水准对应的重现期分别为50年，475年和1975年。
GB50011-2001规范以“中震”烈度（地震基本烈度）I为基础，在平均意义上，将“小震”定义为I-1.55度，“大震”定义为I+1度。
实际上，“小震”、“中震”与“大震”的烈度差别是因地而异的，这样定义的烈度差别是一种人为的、便于工程应用的约定。
如果仍按上述定义，对于不同的基本地震烈度区，重现期为X的设防烈度可以表示为[1]：
I=a（logX）2+blogX+c
（1）
式中，系数a、b、c可查表1确定：
表1不同烈度时公式
（1）的系数值
系数
a
b
c
烈度
7
0.02
1.50
2.85
8
0.01
1.50
3.85
9
-0.48
3.68
2.59
由式
（1）和表1可以算出不同设计使用年限的抗震设防烈度，如表2所示：
表2不同设计使用年限的抗震设防烈度
使用年限
1
5
10
15
20
50
100
150
200
烈
度
7
4.33
5.42
5.88
6.10
6.37
7.00
7.49
7.78
8.01
8
5.33
6.42
6.88
7.10
7.37
8.00
8.49
8.78
9.01
9
5.72
7.41
7.95
8.29
8.48
9.00
9.29
9.43
9.51
按新的《中国地震动参数区划图A1》，与抗震设防烈度相对应的基本地震加速度（单位：
g）可以表示为：
A=0.1×2I–7
（2）
按式
（2）可以计算出表2中不同设计使用年限的抗震设防烈度所对应的基本地震加速度。
当设计使用年限为100年时，7,8,9烈度区所采用的多遇地震（小震）、设防烈度地震（中震）和罕遇地震（大震）对应的加速度峰值示于表3中。
表3设计使用年限100年的地震加速度峰值（cm/s2）
设防烈度
7度
8度
9度
多遇地震
49
98
189
设防烈度地震
140
280
540
罕遇地震
308
560
837
1.7近年来在我国新疆伽师、巴楚和云南大姚等地发生强烈地震，从地震时的房屋震害情况看，对抗震设防及建筑抗震设计工作有什么值得借鉴之处？
（1）严格执行工程建设强制性标准，新建工程抗震设防；原有工程抗震加固；
（2）建筑施工质量：
混凝土强度、砌体砂浆强度、配筋、节点、墙体拉结等应加强质量保证；
（3）村镇建设：
农村住宅的各种简单的抗震措施，如：
木屋架与柱子采用钯钉连接，土坯墙与木构架之间用铁丝、木板拉结，生土房屋采用毛石或砖砌基础、混凝土圈梁等均被证明是行之有效的；
（4）抗震概念设计，避免采用严重不规则的设计。
例如：
建筑物平面纵、横向刚度相差过大、砌体结构采用托墙梁造成上层悬墙、多层房屋底部空旷竖向刚度突变、梁与楼板共同作用形成强梁弱柱等。
丽江地震中，按规范设
计建造的房屋，震害对比
澜沧-耿马地震中，单排
框架结构倒塌。
丽江地震中，底部框架-上部
砖房破坏。
新疆巴楚地震中，4层
砖混结构教学楼，不按规范
设置圈梁、构造柱，破坏。
楼梯间砖墙破
2.2GB50011规范中为何没有包括钢筋混凝土异型柱结构、短肢剪力墙、混凝土-钢混合结构等结构体系？
异型柱结构，目前工程界有各种不同的看法。
对于小开间住宅建筑，由于室内柱子隐蔽，可方便使用，在有些地区很受欢迎。
但从安全角度，则普遍认为由于柱子和框架节点受力复杂、钢筋锚固及施工质量难以保证，异型柱结构属于抗震不利的结构体系。
有些地区编写和批准了地方规范，可以作为当地此类建筑抗震设计的依据，并应由地方规范主编单位和建设主管部门负责。
若采用异型柱结构又无地方规范作为依据者，属于超规范设计。
短肢剪力墙结构，原则上属于抗震墙结构，应按GB50011规范和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002进行设计，符合抗震基本要求和抗震构造措施要求。
试验研究表明，当短肢剪力墙结构满足楼层最小水平地震剪力要求且保证抗震构造措施时，短肢剪力墙结构具有良好的抗震性能。
但高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。
混凝土-钢混合结构，在《高规》中已有规定。
国务院于2000年9月25日发布的《建筑工程勘察设计管理条例》第29条规定，建设工程勘察、设计文件中规定采用的新技术、新材料，可能影响建设工程质量和安全，又没有国家技术标准的，应当由国家认可的检测机构进行试验、论证，出具检测报告，并经国务院有关部门或者省、自治区、直辖市人民政府有关部门组织的建设工程技术专家委员会审定后，方可使用。
因此，凡是没有规范、规程作为依据进行设计的建筑结构，均应照此规定执行。
抗震设计基本要求
3.4面积较大的商业建筑，如何确定其抗震设防类别？
带大底盘的高层建筑，下部裙房为商场，上部为住宅楼，若设置抗震缝分成两个结构单元，可否按每个单元单独划分设防类别？
实际设计中应注意哪些问题？
《建筑抗震设防分类标准》（GB50223-2004）第10.0.3条规定，大型的人流密集的多层商场应划为乙类。
该条规定参照了《商店建筑设计规范》（JGJ48-88）关于商店规模的分级。
考虑近年来商场发展情况，当一个区段的建筑面积25000平米或营业面积10000平米以上的商业建筑，人流可达7500人以上（按每位顾客占用营业面积1.35平米计算），应划为乙类建筑。
《建筑抗震设防分类标准》第3.0.1条第5款还规定，“建筑各单元的重要性有显著不同时，可根据局部的单元段划分抗震设防类别。
”故设置了抗震缝将结构分为若干单元后，可根据各单元划分抗震设防类别。
对于面积较大的商业建筑，若设置抗震缝分成若干个结构单元，有单独的疏散出入口，各单元独立承担地震作用，彼此之间没有相互作用，人流疏散也较容易。
因此，当每个单元按面积划分属于丙类建筑时，可按丙类建筑进行抗震设防。
当商业建筑与其他建筑合建时应按区段分别确定抗震设防类别。
对于大底盘高层建筑，当其下部裙房属于大型零售商场的乙类建筑范围时，一般可将其及与之相邻的上部高层建筑二层定为加强部位，按乙类进行抗震设计，其余各层可按丙类进行抗震设计。
但是，当上部结构为乙类时，下部结构不论是什么类型，均为乙类。
3.5GB50011规范中2.1.9条和2.1.10条明确了抗震措施和抗震构造措施的概念，如何根据建筑抗震设防分类和场地类别二者的不同，在设计基本地震加速度下确定抗震措施和抗震构造措施？
建筑类别不同时，计算时设计基本地震加速度如何取值？
根据相应的规范条文规定，一般建筑（隔震建筑和消能减振部位除外）在不同的建筑抗震设防分类和场地类别下，当设计基本地震加速度不同时，抗震措施和抗震构造措施分别按不同烈度取值，见表3－1和表3－2。
建筑设防类别不同时，计算时设计基本地震加速度取值见表3－3。
表3－1按建筑类别和场地类别调整后的抗震措施（烈度）
建筑类别
场地类别
设计基本地震加速度（g）
0.05
0.10
0.15
0.20
0.30
0.40
甲、乙类
～
7
8
8
9
9
9
丙类
～
6
7
7
8
8
9＋
丁类
～
6
7—
7—
8—
8—
9—
表3－2按建筑类别和场地类别调整后的抗震构造措施（烈度）
建筑类别
场地类别
设计基本地震加速度（g）
0.05
0.10
0.15
0.20
0.30
0.40
甲、乙类
6
7
7
8
8
9
7
8
8
9
9
9＋
、
7
8
8＋
9
9＋
9＋
丙类
6
6
6
7
7
8
6
7
7
8
8
9
、
6
7
8
8
9
9
丁类
6
6
6
7
7
8
6
7—
7—
8—
8—
9—
、
6
7—
7
8—
8
9—
注：
1．
对较小的乙类建筑，如工矿企业的变电所、空压站、水泵房及城市供水水源的泵房等，当其结构改用抗震性能较好的结构类型，如钢筋混凝土结构或钢结构时，则可仍按本地区设防烈度的规定采取抗震措施，不需提高。
2．
8＋、9＋表示适当提高而不是提高一度，9度时需要专门研究。
3．
7－、8－、9－表示可以比本地区设防烈度的要求适当降低。
例如对于现浇钢筋混凝土房屋可将部分构造措施按降低一个等级考虑，对于多层砌体结构房屋按减少一至二层（视具体要求）在表7.3.1或表7.4.1中查构造柱或芯柱的设置要求。
表3－3根据建筑类别调整后的计算用设计基本地震加速度（g）
建筑类别
设计基本地震加速度（g）
0.05
0.10
0.15
0.20
0.30
0.40
乙类、丙类、丁类
0.05
0.10
0.15
0.20
0.30
0.40
甲类
高于本地区设计基本地震加速度，
具体数值按批准的地震安全性评价结果确定
3.6结构的薄弱层、软弱层，转换层、框支层的概念是什么？
薄弱层：
该楼层的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80％，结构强度判断；
软弱层：
该楼层的侧向刚度小于相邻上一层的70％，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度的80％；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25％；结构刚度判断；
转换层：
《高规》定义，转换层是转换结构构件所在的楼层；而转换构件包括转换梁、转换桁架、转换板等。
地震作用下，转换构件将其上一层的竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑等）的内力向下传递；
框支层：
如果一个结构单元的转换层以上为剪力墙，转换层以下为框架，那么转换层以下的楼层为框支层。
3.8结构自振周期、基本周期与设计特征周期、场地卓越周期之间有何关系？
自振周期：
结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间。
基本周期：
结构按基本振型（第一振型）完成一次自由振动所需的时间。
通常需要考虑两个主轴方向和扭转方向的基本周期。
设计特征周期Tg：
抗震设计用的地震影响系数曲线的下降段起始点所对应的周期值，与地震震级、震中距和场地类别等因素有关。
场地卓越周期：
根据场地覆盖层厚度H和土层平均剪切波速Vs，按公式T=4H/Vs计算的周期，表示场地土最主要的振动特性。
结构的地震反应与其动力特性密切相关，自振周期是主要的动力特性参数，与结构的质量和刚度相关。
当自振周期、特别是基本周期小于或等于设计特征周期Tg时，地震影响系数取值为αmax，按规范计算的地震作用最大。
震害经验表明，当自振周期与场地卓越周期接近，地震时可能发生共振，建筑物的震害较严重。
研究表明，由于土在地震时的应力－应变关系为非线性，在同一地点，地震时场地的卓越周期并不是不变的，而将因震级大小、震源机制、震中距离的变化而不同。
GB50011规范对结构的基本周期与场地的卓越周期之间的关系不做具体要求，即不要求结构自振周期避开场地卓越周期。
事实上，多自由度结构体系具有多个自振周期，不可能完全避开场地卓越周期。
结构体系不合理造成的地震破坏例子
台湾集集地震十六层RC高层建筑震害
倒塌示意结构简图
原因：
单跨框架，结构冗余度不够
台湾集集地震十二层RC高层建筑震害
倒塌示意结构简图
原因：
单跨框架，结构冗余度不够
3.7如何判定结构是否属于扭转不规则以及不规则的程度？
在刚性楼板假定条件下，当计算小震作用的楼层最大弹性水平位移（或层间位移）与该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的比值大于1.2时，判断为扭转不规则；当比值接近1.5时，判断为特别不规则；当比值大于1.5时，一般判断为严重不规则。
此时，计算的弹性水平位移（或层间位移）为代数值，当位移值小于规范限值的50%时，判断严重扭转不规则的比值可以适当放松。
一般情况下，计算水平位移（或层间位移）时，需要考虑偶然偏心的影响；偏心大小的取值，可根据具体情况确定，不一定取该方向总长度的5%。
还需注意，最大值和平均值的计算，均取楼层中同一轴线两端的竖向构件计算，不考虑楼板中悬挑的端部。
3.9结构进行抗震设计时，若计算出的第一振型为扭转振型应如何处理？
震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心的结构，在地震时会受到严重的破坏。
模拟地震振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。
结构进行抗震设计时，若计算出的第一振型为扭转振型，说明结构的抗侧力构件布置不尽合理，导致结构楼层的刚心与质心偏移；抗侧力构件（一般是剪力墙）数量不足；或尽管结构平面对称，但核心筒断面太小，导致整体抗扭刚度偏小。
此时应对结构方案进行调整，减小结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心，或加强结构抗扭刚度，必要时可设置防震缝，将不规则的平面划分为若干相对规则的平面。
尽可能避免扭转振型成为第一振型。
震害例子
集集地震中，高
层建筑扭转破坏（平
面不规则）。
集集地震中，底
框结构破坏（竖向不
规则）。
学校建筑，纵向无墙
走廊大悬臂，严重破坏。
走廊有柱，破坏
较轻。
走廊有柱，带翼墙，
震害较轻。
临街建筑，单面纵墙，
刚度偏心，倒塌。
纵向加楼梯间，减小刚
度偏心，震害较轻。
U形平面，纵、横墙分
布均匀，震害较轻。
L型或U型平面布置于抗震有利，如嘉义县番路乡黎明小学于1998年瑞里地震（PGA=0.67g）、1999年921集集地震（PGA=0.63g）、1999年10月22日嘉义地震（PGA=0.60g）中保持完好。
场地、地基和基础
4.1结构抗震设计对工程地质勘察的基本要求有哪些？
结构抗震设计所需要的工程地质勘察内容和要求，除应满足建筑静力设计的勘察要求外，还应满足以下基本要求：
1）划分对建筑有利、不利和危险地段；
2）提供建筑场地类别（对于高层建筑，要求进行土层剪切波速测试，提供土层等效剪切波速和覆盖层厚度，依此划分场地类别；对于层数不超过10层且高度不超过30米的丙类建筑，可按规范提供的经验方法估计土层剪切波速）；
3）提供岩土地震稳定性（如发震断裂、滑坡、崩塌、液化和震陷特性等）评价；
4）对需要采用时程分析法进行补充计算的建筑结构，尚应根据设计要求提供土层剖面、场地覆盖层厚度和有关的动力参数，具体的就是提供满足规范要求的地震波。
4.2采用桩基或诸如CFG桩等措施进行地基处理后是否改变场地类别？
按照GB50011规范2.1.7条对场地的定义，场地是建筑群体所在地，其范围在城镇中通常是指不小于1.0km2的占地面积。
场地在平面和深度方向的尺度与地震波波长相当，比建筑物地基的尺度要大得多。
场地类别的划分时所考虑的主要是地震地质条件对地震动的效应，关系到设计用的地震影响系数特征周期Tg的取值，也即影响到场地的反应谱特征。
采用桩基或用搅拌桩（水泥固化剂桩，类似CFG桩）处理地基，只对建筑物下卧土层起作用，对整个场地的地震地质特性影响不大，因此不能改变场地类别。
4.6地下室顶板作为钢筋混凝土结构房屋上部结构的嵌固部位时，若考虑建筑使用的要求，楼盖是否可采用无梁楼盖的结构形式？
地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应满足规范关于上下刚度比的要求。
一般说来，如果地下室顶板采用无梁楼盖的结构形式，将难以满足6.1.14条柱端塑性铰位置在±0.0处的要求，故不能采用无梁楼盖的结构形式，而应采用现浇梁板结构，且其板厚不宜小于180mm。
4.7位于地下室内的框支层，是否计入规范允许的框支层数之内？
若地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，则位于地下室内的框支层，不计入规范允许的框支层数之内。
地震作用和抗震验算
5.1GB50011规范5.1.3条规定，结构抗震设计时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。
此时，风荷载参与组合吗？
按《建筑结构可靠度设计统一标准》的原则规定，地震发生时恒载与其他重力荷载可能的遇合结果总称为“抗震设计的重力荷载代表值GE”，即永久荷载标准值与有关可变荷载组合值之和，对楼面活荷载、雪荷载等可变荷载给出了组合值系数。
计算结构重力荷载代表值时，风荷载不参与组合。
在进行结构构件截面抗震验算，地震作用与其他荷载效应的基本组合时，对风荷载的组合加于考虑，但只限对于风荷载起控制作用的高层建筑，按规范5.4.1条，取风荷载组合值系数为1.2；一般结构则取0.0。
这里，所谓风荷载起控制作用，指风荷载和地震作用产生的总剪力和倾覆力矩相当的情况。
5.26度区的建筑结构是否都不需要进行地震作用计算和截面抗震验算？
规范3.1.4条和5.1.6条规定部分建筑结构在6度时可不进行地震作用计算和构件截面抗震验算，但应符合有关抗震措施要求。
对于位于IV类场地上的较高的高层建筑，诸如高于30m的钢筋混凝土框架结构，高于60m的其他钢筋混凝土民用房屋和类似的工业厂房，以及高层钢结构房屋等，由于
类场地反应谱的特征周期Tg较长，结构自振周期也较长，则6度IV类场地的地震作用值可能与7度
类场地的地震作用值相当，此时仍需进行抗震验算。
所以并非所有的建筑在6度区不进行地震作用计算。
另外，对于钢筋混凝土房屋的抗震等级四级以上的结构，截面抗震验算涉及到内力调整，例如，6度区的丙类钢筋混凝土房屋的抗震等级，部分框支抗震墙结构之框支层框架为二级，其他结构中有部分框架为三级，部分抗震墙为三级甚至二级，因此，抗震措施中有许多需进行内力调整计算。
一些不规则的结构，需要按规范3.4.3条进行地震作用效应的调整并对薄弱部位采取有效的构造措施，这时也需要计算。
例如对结构薄弱层的地震剪力乘以1.15的增大系数，对转换构件的地震内历乘以1.25~1.5的增大系数等。
5.3对突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等突出屋面的结构进行抗震设计及验算时应注意哪些事项？
规范第3章关于概念设计的规定中，明确要求结构体系的选型应防止刚度和强度的突变。
突出屋面结构明显存在刚度突变，其抗震设计尤应注意采取可靠措施。
例如，在计算分析时，第5.2.4条规定采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应，宜乘以增大系数3，采用振型分解法时，突出屋面部分可作为一个质点进行计算。
同时还要根据计算结果加强构造措施。
5.4突出屋面的屋顶房间何时可按突出屋面的屋顶间计算而不算做一层？
根据规范第5.2.4条规定采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应，宜乘以增大系数3。
此时相对应的屋顶房间面积不超过标准层面积的30％。
因此，一般认为当突出屋面的屋顶房间面积小于楼层面积的30％时，可按突出屋面的屋顶间计算而不算做一层。
5.5举例说明考虑双向水平地震的扭转效应时，求出的地震作用如何在实际工程中参与荷载（作用）的组合？
根据强
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