复杂形态钢结构设计培训班

首页 国际标准结构工程-公众号 海外工程十五年之三十九——美国抗震规范的来源

海外工程十五年之三十九——美国抗震规范的来源

在美国,结构抗震设计规范可以追述到上世纪二十年代。1929年,太平洋沿岸房屋管理局(the Pacific Coast BuildingOfficials),即后来的ICBO(InternationalConference of Building Officials),在第一版统一建筑规范(UniformBuilding Code,简称UBC)的附录中以非强制性条文的形式,给出了第一套综合性抗震设计方法。在这本早期的规范中,包含了地震区划、结构细部设计以及侧向抵抗力等今天规范仍然使用的基本概念。1933年的加州Long Beach地震后,加利福利亚政府采取了Field法案和Riley法案,对建筑抗震提出了强制性要求。

20世纪40年代末期,加州大学的一些研究者开始与加州工程师协会(Structural Engineers Association of California, SEAOC)的成员开展合作,致力于地面运动及结构动力效应的研究。1952年,SEAOC与ASCE(American Society of Civil Engineers)联合发布了一个报告,将反应谱原理引入了地震工程领域。1960年,SEAOC对这一报告进行了扩充,发布了第一版的《推荐侧向力条文及评注》(Recommended Lateral Force Provisions and Commentary),即通常所谓的蓝皮书(Blue Book)。后来在SEAOC地震学分会的努力下,经周期性的修改与再版,蓝皮书已成为UBC及其它规范中抗震条文的资料来源。在蓝皮书中,明确提出了建筑的三级性能标准:1)允许建筑抵抗较低水准的地震动而不破坏,2)在中等水平地震动作用下主体结构不会破坏,但非结构构件会有一些破坏,3)在强烈地震作用下,建筑不会倒塌,确保生命安全。也即小震不坏,中震可修,大震不倒。

这些基本性能目标作为建筑抗震设计规范的基本原则一直沿用至今。

1960年的蓝皮书概括总结了当时地震工程界的理论成果与实际经验。在此后的一段时间内,以蓝皮书为基础的UBC规范保持了相对的稳定。然而,1971年2月的San Fernando地震造成的大范围破坏,令工程师们大为震惊。根据这次地震震害教训,UBC规范采取了相应的改进措施:提高了设计内力的水准;对重要的结构,特别是涉及公共健康与安全的建筑,采取了更加保守的标准;在高烈度地震,对混凝土结构的延性构造提出了强制性要求。

尽管SEAOC根据San Fernando地震的教训,在1973 UBC和1976 UBC中采取了很多改进措施,但显然人们需要对过去的抗震设计方法进行认真的回顾和彻底的审视。为此,SEAOC专门组织了一个应用技术委员会(Applied TechnologyCouncil, ATC),负责筹集资金,指导焦点问题的研究与探讨,目的在于改进建筑抗震设计方法。在NSF(National Science Foundation)的资助下,ATC在全国范围内组织了大批著名的地震工程研究者以及有实践经验的工程技术人员来开展这项研究工作,最终发布了影响深远的成果报告ATC 3-06。在这一报告中,引入了线性动力分析方法,并且第一次尝试性的对结构抗震设计的风险水准进行了量化。ATC 3-06明确提出,规范设计的目的应该是在平均重现期475年地震作用下结构应能确保生命安全。ATC 3-06的这一建议在1988 UBC中已被正式采用。

到上世纪70年代中期,人们已清楚地意识到,地震已不仅仅是加州的麻烦,在美国地其他地区也会发生SanFernando地震那样的大地震,于是便有了NEHRP(NationalEarthquake Hazards Reduction Program)的产生。20世纪80年代,NEHRP提出了许多重要的目标,包括制定和应用工程抗震的国家标准、研制对现有危险房屋进行风险识别和减轻风险的方法等。共有四家联邦机构参与了NEHRP计划,其中美国地质调查局USGS(United State Geologic Survey)负责强地面运动特征的研究,NSF和NIST(National Institute of Science andTechnology)分别负责资金和技术支持,而FEMA(FederalEmergency Management Agency)则负责领导制定作为规范基础和实践标准的指导性文件。

FEMA的研发计划主要集中于两个方面,即研制可用于减轻现有建筑地震风险的使用工具以及制定全国范围的新的建筑规范。如前所述,UBC规范是在SEAOC推荐条文的基础上制定的,虽然根据最新的研究成果和第一手的震害资料,UBC进行了不断的更新与改进,但是它基本上只用于美国西部地区。在美国中部及东北部地区,使用的是由BOCA制定的规范,而在美国东南部地区则主要使用SBCCI制定的规范。需要说明的是,BOCA和SBCCI的规范均采用了ANSI-58.1(即后来的ASCE 7)等国家规范的推荐条文;而在1995年以前,ANSI/ASCE规范的抗震设计条文均是以早期的UBC为基础的,并没有包括1971年San Fernando地震后UBC规范的一些重大改进。

在FEMA的资助下,为了制定所谓的NEHRP Provisions,BSSC(Building Seismic Safety Council)在全国范围内召集工程技术人员、企业和学术机构的代表,组成了条款更新委员会PUC(Provisions Update Council),并于1985年发布了第一版NEHRP Provision。以后为了和模式建筑规范的再版周期相适应,BSSC每3年都会对NEHRPProvisions进行更新和再版。但是,最初的1985和1988两个版本的NEHRP Provisions并没有被任何模式规范所采用,直到1993年,ASCE 7基于1991 NEHRP Provisions进行抗震条款修改时,这种情况才有所改观。后来,BOCA和SBCCI规范进行修改时均采用了ASCE 7的抗震条款。当时,ICBO也曾考虑采用NEHRP Provisions,但是一项研究表明:按照UBC规范进行设计的结构完全能满足NEHRP Provisions的要求,因此,ICBO最终还是没有采用NEHRP Provisions。

尽管有证据表明UBC和NEHRP Provisions是相当的,但是关于这一点的真实性在地震工程界仍然存在很大争议。1995年,上述三本规范的编制机构决定成立一个联合会,即国际规范协会ICC(International Code Council),负责制定一套单一的模式建筑规范,以取代过去三家机构的各自规范。ICC的初衷是想利用BOCA、ICBO和SBCCI的规范中各自最好的部分组成一本新的规范在2000年发布。但是,由于作为BOCA和SBCCI规范基础的1991NEHRP Provisions在2000年时可能会过时,而且在其中也没有考虑1989年Loma Prieta、1994年Northridge以及1995年Kobe等地震的震害教训和启示,同时,它也没有考虑最新的地震危险性分析结果。鉴于此,ICC、BSSC、SEAOC以及ASCE等机构达成了一个非正式协议,几家机构将合作编制1997 NEHRPProvisions,并将其作为2000 IBC规范的基础。为此,SEAOC首先解决了1997 UBC的改进问题:采用了以强度理论为基础的设计方法,吸取了Northridge和Kobe等地震震害的教训,考虑近场效应修改了地面运动模型。与此同时,参与BSSC PUC计划的SEAOC成员也将上述建议带到了1997 NEHRP Provisions 中;此外,1997 NEHRPProvisions还采用了USGS最新的地震参数区划图,增加了组合结构体系以及预应力混凝土结构的相关规定。1997 UBC和1997 NEHRP Provisions与之前的版本相比,最大的改进之处就在于:引入了新的场地效应系数、采用了新的地震动参数区划图、改进了主体结构与材料相关的设计条文。

2000年,以1997 NEHRP Provisions为基础的2000 IBC规范正式发布实施,取代了UBC、BOCA和SBCCI等规范,从而使美国的新建建筑规范达到了统一。以后,为了和模式建筑规范的再版周期相适应,ICC每3年对IBC规范进行一次更新和再版,于是便有了2003 IBC(以后称为IBC-2003)的产生。

与制定新建建筑的设计规范相比,制定既有建筑的评估与加固方法则要面临着完全不同甚至更为严峻的挑战。在1980年以前,人们很少对既有建筑进行评估或加固。当需要进行评估或加固时,一般是按现行规范(用于新建建筑设计)的标准进行的。这样做的结果就是结构加固的代价太高,而且也不可靠。因为现行规范对结构侧向强度的要求是在假定结构具有一定的规则性和延性的基础上的,而对于既有的危险建筑来说,一般都不会具有这样的规则性和结构延性的。

在NSF的资助下,ATC开展了ATC 14项目研究计划,提出了对既有建筑进行风险评估的标准方法。后来,在FEMA的继续资助下,这一方法在ATC 22、FEMA178以及FEMA310中得到不断的修改和扩充。然而,尽管这些报告提供了完整的建筑风险识别方法,但是它们并没有提供相应的加固方法。为了弥补这一缺憾,FEMA与ATC、BSSC以及ASCE等机构开展合作,最后发布了第一本真正意义上的基于性能抗震设计规范FEMA273。与此同时,ATC也发布了一本类似的、用于混凝土结构加固的ATC-40报告。 

郭余庆,本科毕业,1991年参加工作,国家一级注册结构工程师。从事工程设计29年及海外工程15年以上,在全球多个国家和地区均有设计和工程管理经验。目前主要从事欧美结构标准指导及转换。

国际工程的先行者;

海外项目的管理者;

欧美规范的领跑者;

科学设计的倡导者;

结构优化的推动者。


本文来自网络,不代表钢构人的立场,转载请注明出处。搜索工程类文章,就用钢构人网站。 https://www.ganggouren.com/2020/05/e14f85ab33/
上一篇
下一篇

作者: ganggouren

为您推荐

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

联系我们

联系我们

17717621528

在线咨询: QQ交谈

邮箱: 1356745727@qq.com

工作时间:周一至周五,9:00-17:30,节假日休息
关注微信
微信扫一扫关注我们

微信扫一扫关注我们

关注微博
返回顶部