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随着国内设计院的海外工程越来越多，国外规范的应用成为了国内设计院走出去所不得不面临的一道坎。印度、孟加拉基础建设落后，是国内设计院承接工程的热点区域，这两个国家的发电厂建设招标条文中，经常要求采用当地的风荷载及地震荷载，并采用该国标准或国际先进标准进行设计。因此了解印度、孟加拉规范中关于风荷载和地震荷载的计算规定，对于走向海外的设计院来说是十分重要的，本文将对印度和孟加拉规范中的地震荷载计算进行介绍，并与中国规范进行对比。
印度和孟加拉规范中关于地震作用的规定是参照美国规范的体系制订的，虽然现在中国和世界各国在抗震理念上都是相似的，但由于体系的不同，中国规范和印度、孟加拉规范从定义到计算公式都有较大区别。本文以2002年版的印度抗震规范《Criteria For Earthquake Resistant Design of Structures》IS 1893：2002和2010年版的孟加拉建筑规范地震作用章节《Bangladesh National Building Code 2010》Part 6为蓝本进行介绍。
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中国规范是按50年超越概率10%的基本烈度(即中震)将全国分为6度～9度4个区，地震作用根据每个区50年超越概率63%的众值烈度(即小震)的地面运动加速度峰值来进行计算的。印度规范中关于地震的概念有两个，一个是最大考虑地震MCE(Maximum Considered Earthquake)，其50年超越概率为2%，即相当于中国规范中的大震(50年超越概率2%)；另一个是设计基准地震DBE(Design Basis Earthquake)，其50年超越概率为10%，和中国规范的中震一致。印度全国根据MCE划分成4个区，每个区有一个区域系数Z，其值等于该区MCE的地面运动加速度峰值，计算地震作用时把区域系数乘以1/2，将MCE转换为DBE，再进行一些系数修正来得出地震作用。印度规范的地震分区和相应区域系数Z见表1。孟加拉规范和印度规范类似，也是用MCE(50年超越概率2%)和DBE来衡量地震作用，根据MCE把全国分成4个区，计算地震作用时把区域系数乘以2/3得出DBE，再进行系数修正得出地震作用。对DBE的超越概率，孟加拉规范未明确，但根据笔者的孟加拉工程的经验，基本可以认为DBE的超越概率为10%～5%。孟加拉规范的的地震分区和区域系数Z见表2。
表 1 印度规范地震分区及区域系数Z
Table 1.
Seismic Zone and Zone Factor Z in India Code 地震分区 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 危险性 低 中 高 极高 区域系数Z 0.10 0.16 0.24 0.36 表 2 孟加拉规范地震分区及区域系数Z
Table 2.
Seismic Zone and Zone Factor Z in Bangladesh Code 地震分区 1 2 3 4 危险性 低 中 高 极高 区域系数Z 0.12 0.20 0.28 0.36 -
图1是中国规范的设计地震反应谱曲线，印度规范和孟加拉规范的设计地震反应谱曲线形状和中国规范是十分相似的，区别仅在于具体数值的大小。中国规范中对反应谱曲线取值有影响的因素是场地特征周期、抗震设防烈度、结构阻尼比；印度规范中对反应谱曲线取值有影响的因素是区域系数(相当于抗震设防烈度)、结构的重要性系数、结构的延性、结构阻尼比、场地土的坚硬程度；孟加拉规范和印度规范类似。
图 1 中国规范地震反应谱
Figure 1. Seismic Response Spectrum in China Code
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中国规范和印度、孟加拉规范中都规定可以使用底部剪力法或其他动力计算方法(如振型分解反应谱法)来计算地震作用，通过对结构底部总剪力的计算方法对比能很好的说明这几种规范之间的差异，下面就以底部剪力法为例进行比较。
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中国规范的计算公式为FEK＝α1Geq，FEK为地震基底剪力，α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值，Geq为结构等效总重力荷载，α1由图1的地震反应谱得出。
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印度规范的计算公式为VB＝AhW，VB为地震基底剪力，Ah为图2确定的水平加速度反应谱值，W为建筑物地震重量。Ah的表达式为：
图 2 印度规范Sa/g取值曲线
Figure 2. Sa/g Curve in India Code
((1)) 式中：Z为区域系数，I为重要性系数，取决于结构的功能用途，R为结构响应折减系数，取决于结构的延性，Sa/g为场地的平均反应加速度系数，按下式计算：
对岩石、坚硬场地土
((2)) 对中等坚硬场地土
((3)) 对软弱场地土
((4)) 式中：T为结构自振周期。
图2是印度规范5%阻尼比时不同场地土的Sa/g取值曲线，当阻尼比不是5%时，按规范乘以一定的比例系数。
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孟加拉规范的计算公式为V＝SaW，V为基底剪力；Sa为图3确定的水平地震加速度反应谱值；W为建筑物地震重量。
图 3 孟加拉规范不同场地土类别下的规准加速度反应谱
Figure 3. Normalized Acceleration Response Spectrum for Different Site Classes in Bangladesh Code
Sa的表达式为：
((5)) 式中：Z为区域系数；I为重要性系数，取决于结构的功能性用途；R为结构响应折减系数，取决于结构的延性；Cs为规准加速度反应谱，由场地类别和结构阻尼确定(见图3)，按下式计算：
((6)) ((7)) ((8)) ((9)) 式中：S为场地土系数；TB、TC、TD为由场地土决定的常数，按表3取值；η为阻尼修正系数，当阻尼比为5%时，η＝1，阻尼比为其它值时，
表 3 由场地土决定的常数
Table 3.
Site Dependent Constant 场地土类别 S TB/s TC/s TD/s SA 1.0 0.15 0.40 2.0 SB 1.2 0.15 0.50 2.0 SC 1.15 0.20 0.60 2.0 SD 1.35 0.20 0.80 2.0 SE 1.4 0.15 0.50 2.0 -
地震作用计算中，场地土类别的判定是影响地震作用大小的重要因素。中国规范判定场地类别是根据土层剪切波速和场地覆盖层厚度划分的，印度规范按照标贯击数划分，孟加拉规范则按照土层剪切波速、标准贯入度和不排水剪切强度综合判定。
从表4～表6可以看出，中、印、孟三国规范对于场地分类的标准虽不尽相同，但总体来说是类似的，仅在具体数值上有一些差别。
表 4 中国规范的场地分类
Table 4.
Site Classification in Chinese Code 剪切波速 场地类别 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Vs>800 0 800≥Vs>500 0 500≥Vse>250 <5 ≥5 250≥Vse>150 <3 3～50 >50 Vse≤150 <3 3～15 15～80 >80 表 5 印度规范的场地分类
Table 5.
Site Classification in India Code 场地类别 岩石、坚硬场地 中等坚硬场地 软弱场地 标贯击数 N>30 30≥N≥10 N<10 表 6 孟加拉规范的场地分类
Table 6.
Site Classification in Bangladesh Code 场地类别 30 m深度覆盖层的性质描述 30 m深度范围土的平均属性 剪切波速/(m/s) 标贯击数/(击/30 cm) 不排水剪切强度/kPa SA 岩石或类岩石 >800 - - SB 非常致密的砂石或粘土 360～800 >50 >250 SC 致密或中等致密的砂石或粘土 180～360 15～50 70～250 SD 松散的砂石或粘土 <180 <15 <70 SE 类似淤泥的土 - - - -
为了使中、印、孟三国的设计地震反应谱有一个直观的比较，以下对不同的电厂主厂房结构形式、不同地震烈度和不同场地土类别画出三种规范的反应谱曲线进行比较。由于中国规范的设计反应谱是直接取小震下的反应谱，而印、孟规范的设计反应谱是取大震下的反应谱MCE折减到中震反应谱DBE，再考虑结构延性折减为最终的设计反应谱，表面上看二者的地震不在同一概率水平，但实际上，中国规范的设计反应谱可以理解为大震反应谱乘以0.4～0.6的折减系数折减到中震反应谱，再除以折减系数约2.9折减为设计反应谱，和印、孟规范的两次折减相似。由于中、印、孟三国的大震概率水平相当，因此选取中国规范的反应谱时，按大震下地面运动加速度峰值与印、孟规范基本一致的原则，可以保证三国规范的反应谱具有可比性。
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第一组比较，取硬土场地上的普通混凝土框架结构。中国规范取7度区，大震峰值加速度为0.22 g，印度规范中与之较接近的是Ⅳ区，大震峰值加速度0.24 g(即Z＝0.24)，孟加拉规范中较接近的是2区，大震峰值加速度0.20 g(即Z＝0.20)。印度规范和孟加拉规范中都有重要性系数I和结构响应折减系数R，在中国规范GB 50011中没有规定。根据印、孟规范中的定义，电厂主厂房的重要性系数I两种规范均取为1.5，特殊混凝土框架结构(SMRF)的结构响应折减系数R印度规范取为5，孟加拉规范取为8。混凝土结构阻尼比ξ三种规范均为0.05。画出第一组曲线如图4。
图 4 7度硬土场地混凝土框架反应谱
Figure 4. Response Spectrum for Concrete Moment Resisting Frame at Hard Soil Site, Fortification Intensity 7
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第二组比较，取软土场地上的普通混凝土框架结构。中国规范取8度区，大震峰值加速度为0.4 g，印度规范中较接近的是Ⅴ区，大震峰值加速度0.36 g(即Z＝0.36)；孟加拉规范中较接近的是4区，大震峰值加速度0.36 g(即Z＝0.36)。其它的参数和第一组取值相同。画出第二组曲线如图5。
图 5 8度软土场地混凝土框架反应谱
Figure 5. Response Spectrum for Concrete Moment Resisting Frame at Soft Soil Site, Fortification Intensity 8
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第三组比较，取硬土场地上的中心支撑钢框架，除结构响应折减系数R和结构阻尼比ξ外，其它参数取值同第一组。对于中心支撑钢框架，印度规范的R取为4，孟加拉规范取为6。电厂主厂房的高度一般在50米左右，2010版中国抗震规范中其结构阻尼比ξ为0.03，印度、孟加拉规范中钢结构的阻尼比均取为0.02。画出第三组曲线如图6。
图 6 7度硬土场地中心支撑钢框架反应谱
Figure 6. Response Spectrum for Steel Frame with Concentric Braces at Hard Soil Site, Fortification Intensity 7
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第四组比较，取软土场地上的中心支撑钢框架，地震烈度同第二组，R和ξ同第三组，画出第四组曲线如图7。
图 7 8度软土场地中心支撑钢框架反应谱
Figure 7. Response Spectrum for Steel Frame with Concentric Braces at Soft Soil Site, Fortification Intensity 8
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从四组曲线的对比可看出，当地震烈度基本一致时，混凝土框架采用符合抗震构造措施的特殊混凝土框架(SMRF)，印、孟规范的设计地震反应谱与中国规范的比较接近；而对于中心支撑钢框架结构，根据烈度不同，中国规范和印、孟规范有40%～90%的差别。需要说明的是，印度和孟加拉规范中的重要性系数I对设计反应谱影响很大，由于印、孟规范都将电厂定义为重要建筑，规定I值取1.5，因此会出现中心支撑钢框架结构设计反应谱比中国规范大比较多的情况，如果I值取为普通建筑的1.0，则印、孟规范的取值可以在图4～图7的基础上直接除以1.5，混凝土框架结构的反应谱中国规范应可以包络印、孟规范，中心支撑钢框架结构的反应谱三国规范会比较接近。由于印、孟规范中都只是笼统的将电厂列为I＝1.5的重要建筑，并无细分电厂中主要建筑物和辅助建筑物的重要性等级，因此在具体设计时，电厂辅助建筑物的重要性系数值得商榷。另外，印、孟规范的结构响应折减系数R对反应谱的取值也有较大影响，当采用延性较好的结构形式，如混凝土结构采用剪力墙，钢结构采用偏心支撑，设计地震反应谱跟中国规范接近或稍小；如采用延性较差的普通框架结构，则印、孟规范的设计地震反应谱会明显大于中国规范。
从以上对比中可以看出，由于中、印、孟三国规范体系差异较大，影响设计地震反应谱的因素也多，因此不存在单纯的哪国规范取值大或小的规律，即使是同一烈度同一场地，中国规范的设计反应谱既可能大于也可能小于印、孟规范，这取决于建筑物的使用用途和结构形式。在进行相同建筑物不同规范的工程量比较时，还要考虑其它如荷载取值、荷载组合、构件验算上的规范差异，仅从设计输入上进行比较是片面的，可能会导致完全相反的结果。
Comparison of Design Seismic Response Spectrum of Chinese, India and Bangladesh Codes
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摘要:
介绍和分析了中国、印度、孟加拉现行规范的设计地震反应谱计算方法，对设计反应谱的重现期、地面运动加速度峰值、场地土分类原则、结构响应折减系数、重要性系数等影响设计反应谱取值的参数进行了讨论，并就几种典型情况下的三种反应谱取值进行了比较，分析了对比较结果影响较大的因素。 Abstract:This article introduced and analyzed the design seismic response spectrum of present China, India, Bangladesh codes, discussed the parameters that affect design response spectrum, i. e. return period of design response spectrum, peak ground acceleration, site classification principle, structure response reduction factor, importance factor etc. It also compared these three response spectrums under certain circumstances, and analysed the factors that greatly affect comparison result. -
Key words:
- China code /
- India code /
- Bangladesh code /
- design seismic response spectrum /
- comparison
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图 3 孟加拉规范不同场地土类别下的规准加速度反应谱
Fig. 3 Normalized Acceleration Response Spectrum for Different Site Classes in Bangladesh Code
图 4 7度硬土场地混凝土框架反应谱
Fig. 4 Response Spectrum for Concrete Moment Resisting Frame at Hard Soil Site, Fortification Intensity 7
图 5 8度软土场地混凝土框架反应谱
Fig. 5 Response Spectrum for Concrete Moment Resisting Frame at Soft Soil Site, Fortification Intensity 8
图 6 7度硬土场地中心支撑钢框架反应谱
Fig. 6 Response Spectrum for Steel Frame with Concentric Braces at Hard Soil Site, Fortification Intensity 7
图 7 8度软土场地中心支撑钢框架反应谱
Fig. 7 Response Spectrum for Steel Frame with Concentric Braces at Soft Soil Site, Fortification Intensity 8
表 1 印度规范地震分区及区域系数Z
Tab. 1.
Seismic Zone and Zone Factor Z in India Code 地震分区 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 危险性 低 中 高 极高 区域系数Z 0.10 0.16 0.24 0.36 表注：印度规范中没有Ⅰ区。
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表 2 孟加拉规范地震分区及区域系数Z
Tab. 2.
Seismic Zone and Zone Factor Z in Bangladesh Code 地震分区 1 2 3 4 危险性 低 中 高 极高 区域系数Z 0.12 0.20 0.28 0.36
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表 3 由场地土决定的常数
Tab. 3.
Site Dependent Constant 场地土类别 S TB/s TC/s TD/s SA 1.0 0.15 0.40 2.0 SB 1.2 0.15 0.50 2.0 SC 1.15 0.20 0.60 2.0 SD 1.35 0.20 0.80 2.0 SE 1.4 0.15 0.50 2.0
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表 4 中国规范的场地分类
Tab. 4.
Site Classification in Chinese Code 剪切波速 场地类别 Ⅰ0 Ⅰ1 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Vs>800 0 800≥Vs>500 0 500≥Vse>250 <5 ≥5 250≥Vse>150 <3 3～50 >50 Vse≤150 <3 3～15 15～80 >80 表注：表中数据为覆盖层厚度。
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表 5 印度规范的场地分类
Tab. 5.
Site Classification in India Code 场地类别 岩石、坚硬场地 中等坚硬场地 软弱场地 标贯击数 N>30 30≥N≥10 N<10
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表 6 孟加拉规范的场地分类
Tab. 6.
Site Classification in Bangladesh Code 场地类别 30 m深度覆盖层的性质描述 30 m深度范围土的平均属性 剪切波速/(m/s) 标贯击数/(击/30 cm) 不排水剪切强度/kPa SA 岩石或类岩石 >800 - - SB 非常致密的砂石或粘土 360～800 >50 >250 SC 致密或中等致密的砂石或粘土 180～360 15～50 70～250 SD 松散的砂石或粘土 <180 <15 <70 SE 类似淤泥的土 - - -
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[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010. GB 50011—2010，Code for Seismic Design of Buildings[J]. Beijing：China Architecture & Building Press，2010. [2] IS 1893(Part1)：2002，Criteria For Earthquake Resistant Design of Structures，Part 1，General Provisions and Buildings[S]. New Delhi: Bureau of Indian Standards，2002. [3] IS 1893(Part4)：2002，Criteria For Earthquake Resistant Design of Structures，Part 4，Industrial Structures Including Stack-like Structures[S]. New Delhi：Bureau of Indian Standards，2002. [4] Bangladesh National Building Code 2010[S]. Dhaka：Ministry of Housing and Public Works，2010. [5] 刘刚. 中国与印度抗震设计规范地震计算的比较分析[J]. 钢结构，2011，26(2)：38-41. LIU Gang. Analysis and Comparison of Seismic Calculations Between Chinese and Indian Codes[J]. Steel Construction，2011，26(2)：38-41. [6] 蔡晓光，薄景山，孙有为，等. 亚洲部分国家抗震设防标准的比较研究[J]. 世界地震工程，2010，26(3)：54-59. CAI Xiaoguang，BO Jingshan，SUN Youwei，et al. Comparison of Seismic Fortification Criterion of Partial Asian Countries[J]. World Earthquake Engineering，2010，26(3)：54-59. -
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