关于日本抗震设计计算方法的介绍
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2011年3月11日以日本宫城县为震中发生了一场里氏9.0级的强烈特大地震。这场地震是1900年以来全球第四强震，也是日本自1923年官方测定地震震级以来，该国震级最高的一次地震。由于这次地震缘于板块间垂直运动而非水平运动，因此触发了海啸，对日本一些海岸造成严重破坏，给整个太平洋沿岸带来威胁。
可是，如此巨大的地震并没有出现像2008年在我国汶川发生的里氏8.0级的地震那样的大量的房倒楼塌的现象。这是为什么呢？笔者将在本文中详细介绍日本建筑的抗震设计及抗震计算方法，供国内的同行们参考借鉴。
首先，先介绍一下日本抗震设计的变迁。
1920年（大正9年）12月1日城市街道建筑法（大正8年法律第37号）开始施行。根据第12条中的规定，主管大臣要把建筑物的结构，设施，所在地的卫生，保安，防空方面的情况作为设计的必要条件。根据城市街道建筑法规则（大正9年内务省令第37号）内的规定，容许应力设计法作为结构设计计算法被使用，该方法要求结构强度计算时要考虑由自重和荷载重量引起的垂直力。但是，这时还没有关于地震力的相关规定。
1923年（大正12年）9月1日发生了关东大地震。
1924年（大正13年）城市街道建筑法施行规则被改正，要求使用容许应力法进行设计时，要求材料安全率系数取3倍，地震力取水平震度的0.1。
1950年（昭和25年）11月23日城市街道建筑法被止、取而代之的是建筑基准法（旧的抗震设计规定）具体的抗震基准被规定在建筑基准法施行令中（昭和25年政令第338号）。并且，使用容许应力法进行设计时，地震力提高到了水平震度的0.2。
1971年（昭和46年）6月17日建筑基准法被改正。由于1968年发生了北海道十胜地震，吸取那次地震的经验教训，在钢筋混凝土结构中箍筋的配筋基准得到了强化。
1981年（昭和56年）6月1日建筑基准法施行令被改正（新的抗震设计规定），导入了一次设计、二次设计的概念。
2000年（平成12年）6月1日又一次进行了建筑基准法及建筑基准法施行令的改正。该次改正中导入了性能规定的概念，并且在原来的容许应力法的基础上又增加了一种新的结构计算方法---极限承载力法。
接下来我就要详细介绍一下这两种抗震设计计算方法。
1、容许应力法
在一次设计阶段时，必须确保结构上的主要受力构件在地震发生时的应力不能超过该构件的容许应力（参见建筑基准法施行令第82条第1项规定）
在二次设计阶段时，由地震引起的变形的计算及根据材料强度进行的承载力的计算，必须要确保满足建筑基准法的相关规定（参见建筑基准法施行令第82条第2～4项规定）
高31m以下的特定建筑物在一次设计（容许应力计算法）阶段的应力（第82条第1项），多雪地区为G+P+0.35S+K；一般地区为G+P+K。层间变形角度（第82条第2项）为200分之1以内；刚性率（第82条第3项）为10分之6以上；偏心率（第82条第3项）为100分之15以内。二次设计（构件水平承载力计算法）阶段的构件水平承载力（第82条第3项）的刚性率・偏心率超出规定值以外的情况，按以下公式计算。高31m以下的特定建筑物在二次设计（构件水平承载力计算法）阶段的构件水平承载力（第82条第3项）由材料强度决定的各层水平承载力要保证在Qun以上，其它各项均与高31m以下的特定建筑物相同。
特定建筑物以外的建筑物一次设计（容许应力计算法）阶段的应力（第82条第1项），多雪地区为G+P+0.35S+K；一般地区为G+P+K。层间变形角度（第82条第2项）、刚性率（第82条第3项）、偏心率（第82条第3项）均可以不进行计算；二次设计（构件水平承载力计算法）阶段的构件水平承载力（第82条第3项）也可以不进行计算。
G为由固定荷载引起的力、P为由堆积荷载引起的力、S为由积雪荷载引起的力、K为由地震荷载引起的力。
计算由各部分的地震荷载引起的力K产生的层间剪力Qi对各层的作用（参见建筑基准法施行令第88条规定）。
Qi＝∑Wi×Ci
∑Wi为每层上部的总重量（固定荷载+堆积荷载。在多雪地区还需要增加积雪荷载）
层间剪力系数Ci＝Z×Rt×Ai×Co
标准剪力系数Co
第三种场地土上的木结构建筑物在一次设计（容许应力计算法）阶段Co取0.3；二次设计（构件水平承载力计算法）阶段Co取1.0。上述以外的建筑物在一次设计（容许应力计算法）阶段Co取0.2；二次设计（构件水平承载力计算法）阶段Co取1.0。
高度方向分布系数Ai
Αi为该层上部总重量与建筑物地上部分总重量的比值
T为建筑物的一次固有周期
振动特性系数Rt
T
TcT
2TcT
T为建筑物的一次固有周期、Tc为场地土类别系数：0.4（第1类场地土）、0.6（第2类场地土）、0.8（第3类场地土）
地震区域系数Z（参见昭和55年建设省告示第1793号第1条规定）依照建设省的告示的规定，静县的地震区域系数取1.0，按照静县建筑结构设计指针的规定取值的话，静县的地震区域系数为1.2。
在一次设计阶段，由地震荷载引起的承重结构主要部位的形不会造成特定建筑物的部分部位出现显著的损伤的情况下，层间形角度控制在120分之1以内是可以的。
各层的水平承载力Qun按照以下公式计算（参见建筑基准法施行令第82条第4项规定）。
Qun＝Ds×Fes×Qud
Ds为各层的结构特性系数（由于不同的结构形式具有不同的减衰性和韧性等特性，所以国土交通大臣根据建筑的结构形式规定了相应的结构特性系数）
Fes为各层的形状特性系数（国土交通大臣对应不同的刚性率及偏心率，规定了相应的形状特性系数）
Qud为地震荷载在各层上产生的水平力（在上述Qi的计算中Co值取1.0）
2、极限承载力法
在一次设计（损伤界限）阶段，根据地震产生的加速度确定出来的作用在建物地上各层上的地震荷载及在各层上产生的层间位移来进行计算，在确保该地震荷载没有超过损伤界限承载力（在建筑物各层的结构承重构件的主要部分的断面上产生的应力，当该应力达到短期效应组合下的容许应力时，对应此时的建筑物各层的水平力的结构承载力）的同时，还应该确保层间变形角度没有超过200分之1（由地震荷载引起的承重结构主要部位的形不会造成特定建筑物的部分部位出现显著的损伤的情况下，层间形角度控制在120分之1）（参见建筑基准法施行令第82条第6项第3款细则的规定）。
在二次设计（安全界限）阶段，根据地震产生的加速度来确定作用在建筑物各层的地震荷载，由该荷载来进行计算，并确保该地震荷载没有超过构件的水平承载力（参见建筑基准法施行令第82条第6项第5款细则的规定）。
一次设计（损伤界限） 二次设计（安全界限）
损伤界限固有周期Td（s） 损伤界限承载力Pdi（kN） 安全界限固有周期Ts（s） 构件水平承载力Psi（kN）
Td
Fh×Z×Gs
0.16Td
Ts
×Z×Gs
0.64Td 1.024mi×Bdi×
Z×Gs/Td 0.64Ts 5.12mi×Bsi×
Fh×Z×Gs/Ts
Mi为各层的质量与重力加速度的比值，Bdi和Bsi表示在各层上产生的加速度的分布的系数，Z为地震区域系数，Gs为表层场地土的幅率，Fh为由安全界限固有周期的振动衰减引起的加速度的衰减率。