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11.3 2000年NEHRP推荐条款
11.3.1概述
2000年NEHRP建议的建筑物和其他结构抗震规范规定（NEHRP规定）代表了当前规定的最新技术，而不是性能化的抗震设计规定。其规定构成了2002年版ASCE-7《建筑和其他结构的最小设计荷载》（通过引用或直接并入）、2003年版IBC《地震条例》以及2002年版NFPA 5000《建筑规范》（NFPA，N.D.）中所含地震设计规范的基础。因此，在21世纪前十年的大部分时间里，它将成为美国和其他国家大多数抗震设计的基础，这些国家的规范都是基于美国的实践。
NEHRP规定假设在设计水平事件下会发生大量的非线性行为。可能发生的非线性行为的程度取决于用于抵抗地震力的结构系统、这些系统的配置以及结构系统在大循环非弹性变形下延性行为的详细程度。因此，NEHRP条款可被认为由两个组成部分组成：
bull;第一部分涉及结构系统所需设计强度和刚度的规范
bull;第二部分涉及结构细节问题
对于第二部分，NEHRP规定采用了由美国混凝土协会或美国钢结构协会等行业团体制定的设计标准和规范，并进行了修改。NEHRP规定的第二部分不在本章中讨论，而是在以下各章中详细介绍，这些章节论述了各个结构材料。相反，本章主要关注NEHRP规定调节结构所需强度和刚度的方式。
11.3.2绩效意图和目标
NEHRP条款旨在根据结构的预期占用和使用情况，为结构提供一系列分层的性能能力。根据NEHRP规定，每个结构必须分配给地震使用组（SUG）。定义了三个SUG，并将其标记为I、II和III：
bull;SUG-I包括大多数普通居住建筑，包括典型的商业、住宅和工业建筑。对于这些设施，与早期规范一样，NEHRP条款的基本目的是提供地震引发的生命安全危害的低概率。
bull;SUG-II包括容纳大量人员、行动不便人员的设施，或大量材料，如果释放，可能对周围社区造成重大危害。这类设施包括大型装配设施、容纳数千人的住房、日托中心和含有大量有毒或爆炸性物质的制造设施。与SUG-I结构相比，这些设施的性能意图是提供较低的生命危险概率，以及较低的可能导致储存材料释放的损坏概率。
bull;SUG-III包括医院、紧急行动和通信中心等被视为灾难响应和恢复行动必不可少的设施。关于这些结构的NEHRP规定的基本性能意图是提供地震导致功能和可操作性损失的低概率。
实际上，造成生命危险、有害物质释放或功能丧失的损害概率应采用结构可靠性方法计算，作为一段时间内此类损害的总概率【Ravindra，1994年】。从数学上讲，这等于在所有可能的地面运动强度水平上，考虑到地面运动强度的经验，以及在所需的时间段内，这种地面运动强度的经验，过度损伤的条件概率的积分。尽管这种方法在数学上和概念上都是正确的，但对于设计办公室的实际应用来说，它目前被认为过于复杂。
相反，NEHRP为单一设计地震强度水平（称为最大考虑地震（MCE）地面震动）的非线性行为的期望极限水平提供了设计。在美国的大多数地区，MCE被定义为50年内超过2%概率的地面震动强度。在靠近主要活动断层的某些区域，MCE运动的概率定义受到保守的确定性估计的限制，该估计预计由这些断层上特征震级的地震引起。MCE被认为是结构可能经历的最严重的震动水平，尽管人们认识到发生更严重运动的可能性有限。
分类为SUG-I的结构设计预期MCE震动会对结构和非结构元件造成严重损坏，损坏可能非常严重，以至于地震后，结构将处于倒塌边缘。这种破坏状态被称为倒塌预防，因为结构被认为处于初期而不是实际倒塌的状态。理论上，如果MCE发生摇晃，SUG-I结构以这种方式运行将导致全部或接近全部财务损失。如果结构所经历的震动超过了MCE水平，结构实际上可能会发生部分或全部坍塌。
SUG-III结构的设计意图是，当受到MCE震动时，它们将同时受到结构和非结构损伤；但是，结构将保留显著的残余结构阻力或抗倒塌裕度。预计在经历MCE震动时，此类结构可能会受到损坏，直至开始维修工作，但维修在技术和经济上是可行的。与SUG-I结构相比，这种优越的性能是通过规范实现的，即SUG-III结构的强度和刚度比SUG-I结构高50%。SUG-II结构的设计性能与SUG-I和SUG-III相当，其强度和刚度比SUG-I结构所需的强度和刚度大25%。
11.3.3地震危险图和地面运动参数
NEHRP规定包含了美国地质调查局（USGS）专门为此目的编制的一系列美国和地区国家地震灾害图（可在http://geohazards.cr.usfs.gov/eq/index.html上查阅）。给出了两组地图。一组显示了MCE的轮廓，5%阻尼，弹性光谱响应加速度，时间为0.2秒，称为SS。第二组显示了MCE的轮廓，5%阻尼，弹性光谱响应加速度，时间为1.0秒，称为S1。在这两种情况下，光谱响应加速度值代表地下条件介于坚硬土壤或软岩之间的场地。低地震活动区的等高线增量为0.02g，高地震活动区的等高线增量为0.05g。通过在地图上定位一个地点，并在该地点附近等高线的值之间进行插值，可以快速估计该地点的MCE水平振动参数，前提是该地点具有软岩或硬土剖面。图11.5显示了美国西部一部分地区0.2秒光谱加速度的轮廓，50年内不超过90%的概率。如图所示，在高地震活动区内，这些等值线间距相当近，难以使用地图。因此，美国地质勘探局提供了可通过互联网（在上面所示的网址）和CD-ROM获得的软件，该软件允许根据经度和纬度确定MCE光谱响应加速度参数。
由于许多场地既不位于软岩上，也不位于硬土上，因此有必要校正光谱响应加速度的映射值，以考虑场地放大和去模板化效应。为了方便这个过程，一个站点被分为六个站点类组中的一个，标记为a到f。表11.1总结了不同的站点类类别。
一旦一个站点被分类到一个站点类中，就提供了一系列系数，用于调整站点响应效果的光谱响应加速度映射值。这些系数是根据过去地震地面运动记录中观测到的场地反应特征而得出的。提供了两个系数：
bull;系数用于解释场地响应对短时地面震动强度的影响。
bull;系数用于解释较长周期运动的现场响应效应。
表11.2和11.3显示了这些系数的值，作为场地类别的函数，以及绘制的MCE地面震动加速度值。分别在0.2秒和1秒时，MCE光谱响应加速度参数的现场调整值可从以下方程式中得出：
两个现场调整的谱响应加速度参数，SMA和SM1，允许为建筑现场建造一个5%阻尼、最大考虑地震地面震动响应谱。该频谱如图11.6所示，由t0和ts之间的恒定响应加速度范围、超过ts的恒定响应速度范围和短周期范围组成，该范围在由SMS/2.5和SMS给出的估计零周期加速度之间倾斜。也可以使用特定于位点的光谱。无论使用的是现场特定光谱还是基于映射值的光谱，实际设计值均取MCE值的三分之二。得出的设计参数分别标记为SDS和SD1，设计光谱与MCE光谱相同，只是坐标取为MCE值的三分之二。
使用最大考虑值的三分之二的设计值的原因是，在后面章节中描述的设计程序被认为提供了最小的抗倒塌裕度150%。因此，如果对三分之二的MCE地面震动进行设计，预计经历MCE地面震动的建筑物将处于初期倒塌状态，这是SUG-I结构的预期性能目标。
11.3.4抗震设计类别
美国乃至世界的地震活动差异很大。它包括地震活动性很强的区域，预计每50至100年和地震活动性低得多的地区，在这些地区只有中等水平的地面震动。NEHRP规定承认，在技术上和经济上都不需要对这些不同地震活动区域内的所有建筑物要求相同的抗震保护水平。相反，NEHRP规定根据建筑场地的地震活动水平（如图中的震动参数和SUG所示），将每个结构指定为抗震设计类别（SDC）。
定义了六个标为A到F的SDC。SDC A代表最不严重的地震设计条件，包括位于预计条件，包括分配给SUG-III的结构，位于主要活动断层的几公里范围内，预计会产生非常强烈的地面震动。设计师通过参考一对表来确定应将结构分配给哪一个SDC，复制为表11.4和11.5。结构被分配给由两个表指示的最严重的类别。
地震设计过程的几乎所有方面都受到结构所属的SDC的影响。这包括容许结构系统的名称、所需细节的规范、容许高度和配置的限制、可用于确定所需横向强度和刚度的分析类型，以及非结构部件的支撑和锚固要求。
11.3.5容许结构系统
NEHRP规定了70多种单独的抗震系统类型。这些系统可大致分为五个基本组，包括承重墙系统、建筑框架系统、抗弯框架系统、双系统和特殊系统：
bull;承重墙系统包括那些结构，其中抗侧力系统的垂直构件包括剪力墙或支撑框架，其中抗剪构件（墙或支撑）除了提供横向阻力外，还需要为重力（静荷载和活荷载）提供支撑。这类似于早期代码中包含的“盒式系统”。
bull;建筑框架系统包括那些结构，其中抗侧力系统的垂直构件包括剪力墙或支撑，但抗剪构件也不需要为重力荷载提供支撑。
bull;抗弯框架系统是指横向力阻力由梁和柱的抗弯刚度和强度提供的结构，这些结构以横向位移在框架中引起应力的方式相互连接。
bull;双系统依靠抗弯框架和支撑框架或剪力墙的组合。在双系统中，支撑框架或剪力墙提供主要横向阻力，抗力矩框架作为备用或冗余系统提供，以在地震响应损坏主要横向抗力构件而使其失效时提供补充横向阻力。
bull;特殊系统包括独特的结构，例如那些依靠悬臂柱的刚性来获得横向阻力的结构。
在这些广泛的类别中，结构系统根据所提供的细节质量和结构承受地震引起的非弹性循环需求的能力进一步分类。结构的细节被认为能够承受大的循环非弹性需求，通常被称为“特殊”系统。结构具有相对较少的细节，因此无法承受显著的非弹性需求，称为“普通”。具有有限细节和非弹性响应能力的结构称为“中间”。因此，在一种结构中，例如抗弯钢框架或钢筋混凝土承重墙，可以有特殊的抗力矩框架或承重墙，中间抗力矩框架或剪力墙，以及普通抗力矩框架或剪力墙。这些系统和建筑材料的各种组合导致了可供选择的结构系统的广泛选择。一般和中间系统的使用，被视为具有有限的能力来承受循环非弹性需求，通常仅限于SDC A、B和C以及SDC D中的某些低层结构。
11.3.6设计系数
根据NEHRP的规定，所需的抗震设计力，因此所需的侧向强度，通常由弹性分析方法根据结构对设计地面震动的弹性动力响应来确定。然而，由于预计大多数结构在响应设计地面运动时会表现出非弹性行为，因此线性响应分析不能准确描述实际地震需求。因此，当采用线性分析方法时，使用一系列设计系数将计算出的弹性响应值调整为考虑可能的非弹性响应修正的适当设计值。具体来说，这些系数是响应修正系数、R、超强系数、Omega;0和偏转放大系数Cd。根据选定的结构系统和该结构系统中采用的详细程度，将这些因素的表列值分配给结构。
考虑到所选结构系统的特性，响应修正系数R用于降低结构所需的横向强度，从以线性方式抵抗设计地面运动所需的强度降低到将非弹性行为限制在可接受水平所需的强度。能够承受广泛非弹性行为的结构系统被赋予相对较高的R值，最大为8，允许最小设计强度仅为设计运动弹性响应所需强度的八分之一。不能提供可靠非弹性行为的系统被赋予较低的R值，接近统一值，需要足够的强度以近乎弹性的方式抵抗设计运动。
在设计地震地面运动作用下，用挠度放大系数Cd估算结构的总弹性和非弹性横向变形。具体来说，结构对设计地面运动的弹性响应计算的横向变形（由响应修正系数R减小）被系数Cd放大，以获得该估计值。Cd系数考虑了粘性阻尼和滞回阻尼对结构响应的影响，以及非弹性周期延长的影响。被认为能够产生大量粘性和滞回阻尼的结构系统被赋予的Cd值略小于R系数的值。这导致总横向变形的估计值比纯弹性响应的预期值要低一些。对于具有相对较差的粘性和/或滞后阻尼能力的结构系统，Cd值可能超过R，从而导致横向漂移估计值超过弹性响应计算值。
考虑到由于系统和材料的影响，超强度系数（Omega;0）可大于结构对设计地面运动响应的弹性分析计算出的力，该力可通过响应减少修正系数R。该超强度系数用于计算抵抗具有有限非弹性响应能力的行为模式所需的强度，如柱屈曲或支撑框架中的连接失效。
图11.7说明了这些设计系数背后的基本概念。该图包含弹性设计响应谱、弹性响应线和任意结构的非弹性响应曲线，均以横向惯性力（基底剪力）与横向屋顶位移坐标绘制。反应谱在谱响应加速度（Sa）与结构周期（T）的坐标中更为常见。可以通过两步过程将以该形式绘制的光谱转换为图中所示的光谱。第一步是将Sa与T坐标的响应谱转换为Sa与谱响应位移（Sd）坐标。这是使用Sa、Sd和T之间的以下关系执行的：
然后，通过识别在给定激励模式下响应的结构，基础剪切等于该模式的质量参与系数、结构质量和该时期的光谱响应加速度Sa的乘积，将响应谱转换为图11.7所示的形式。同样，在该模式下响应的结构的横向屋顶位移等于光谱响应位移乘以模态参与系数。对于单自由度结构，质量参与因子和模态参与因子都是统一的，横向基底剪力v等于响应模式下谱响应加速度与结构质量的乘积，而横向屋盖位移等于谱响应位移。
图11.7中的虚线对角线表示任意结构的弹性响应。这是一条直线，因为以弹性方式响应的结构将具有恒定的刚度，因此，所施加的侧向力和产生的位移之间的比例关系是恒定的。该对角线与设计反应谱的交点表明，如果结构以弹性方式响应设计地面运动，则结构将发展为最大总横向基底剪力、Ve和屋顶位移De。图中的第
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