日本抗震设计
基本原理
陳 沛山 教授（Chen Peishan Ｄｒ．Eng.）

2012年4月

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

地震予知総合研究振興会より
Peishan Chen, Hachinohe Tech.

地震予知総合研究振興会より
Peishan Chen, Hachinohe Tech.

年
地震名称与震级法规修改灾情，法规修改内容等
1891 浓尾地震（M8.0）
震灾预防调查会成立
死亡7300人，多数砖瓦房屋破坏
1916“家屋耐震构造论”（佐野利器） 提出震度k计算法
1919
市街地建筑法(1920年）
建筑限高100尺
1923「架构建筑耐震构造论」(内藤多仲) 提出框架绕度法
关东大地震
1923
128266栋房屋毁坏，死者99331人，行方不明者43476人（M7.9）
1924
修改市街地建筑法规定水平震度大于0.1
1933「钢筋混凝土结构计算规准」发表 框架的分配系数法（武藤清）
1933 三陆地震（M8.5）
津波冲毁4086栋房，死者2986人1941「铁骨结构计算规准」发表
1943 鸟取地震（M7.3）
7485栋房屋倒塌，死者1073人
1947「日本建筑规格3001」发表
长期和短期许容应力度(容许应力),震度提升为0.2以上
1948 福井地震（M7.2）
35420栋房屋倒塌，死者3895人
1950「建筑基准法」诞生
长期和短期两阶段的抗震计算法
1963「建筑基准法」修改
接触建筑高度100尺(31m)限制
1964 新潟地震（M7.3）
液状化被害程度很大1968 十胜冲地震(M7.9）
RC短住剪切脆性破坏．673栋房屋倒塌，死者行方不明52人
1970「建筑基准法」与法令修改
强化改善RC短住剪切脆性破坏1971「钢筋混凝土结构计算规准」修改 强化改善RC短住剪切脆性破坏
1977「新耐震设计法(方案)」发表
1978 宫城县冲地震（M7.4）
651栋房屋倒塌，死者行方不明者27人
1980「建筑基准法」（1981年实施）
新耐震设计法诞生

兵库县南部（阪神・淡路）地震（7.3）
2000 鸟取地震（M7.3）
2000
2003 十胜地震（8.0）
20051995

2007「建筑基准法」修改「建筑基准法」修改

都市直下型地震，104906栋房屋倒塌，死者行方不明6437
名435栋房屋倒塌，无死亡者，182人受伤
界限耐力计算法,性能设计理念116栋房屋毁坏，死者1人，行方不明1人
耐震设计伪造事件发生
①許容応力度等計算，②保有水平耐力計算，③界限耐力計算，④大臣認定法

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

1981年开始实施的新耐震设计计算理念
对应地震规模设计法频度与规模地表层加
速度

1次设计 数次遭遇的
80～100ga1(第1阶段) 中小地震

2次设计 可能遭遇的(第2阶段) 最大级地震

300～400gal

烈度

4～5对象范围设计目标确保各构件安全,微小的损伤可结构维持弹性范围,以修复
允许微小的可修复的 不 影 响 使 用 功损伤。
能确保结构整体安全性,允许局部朔化,6以上
限制层间变位角,确保整体刚性均衡。

不倒塌,有韧性,确保人员生命安全

Peishan Chen, Hachinohe Tech.结构计划方案
设定梁柱等
抗震构件的断面解析模型
荷重计算
力学解析
构件设计
变形与刚性控制

结构的安全性计算许容应力度计算法
①许容应力度等
计算法②保有耐力计算法③界限耐力计算法

④大臣认定
（弹性,弹塑性时程分析）计算书，图纸

现行抗震设计与计算流程Peishan Chen, Hachinohe Tech.

开始许容应力度等计算法高度＞60m

Yes

No
设计者
判断

No

高度＞31mYes许容应力度等计算法:•剛性率≧0.6•偏心率≦0.15•S,RC,SRC 详细规定
•塔状比 ≦4

NG保有耐力计算法

界限耐力计算法

大臣认定
時刻歴応答解析などEND
Peishan Chen, Hachinohe Tech.

塑 性 设 计
日本的抗震设计的重点是：

塑性设计
韧性

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

从 弹 性 到 塑 性层间剪切力Q

弹性塑性

弹塑性
B最大值

CAQ

层间变位δ

O最大层
间变位

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对于同样的地震，哪个系统产生较大的地震力?
P3P2P3PP1P2δ

Ａ系统(弹性)

PP1δ

B系统(弹塑性)Peishan Chen, Hachinohe Tech.

振动能定值不变原理
QA

弹性状态的层间
剪切力 QL弹塑性状态的层间剪切力 Qy

0E

C点的轨迹BC 地震能=面积△0AE=面积 0BCD

E
δy

δLDδ

変位

1
1Q y  y  Q y    y   Q y   Q y  y22m
塑性率:  D 
yQL 2 D  1
Qy
Peishan Chen, Hachinohe Tech.

用弹性结构地震力求出塑性结构地震力
QQQudQy  Qud0E変位

2 D  10変位

Qun  Ds  Fes  QudPeishan Chen, Hachinohe Tech.

保有耐力计算原理预测最大层间剪切力(必要保有耐力)≦捣毁时的层间剪切力(保有耐力)

结构的弹塑性解析模型

用弹性地震力求出塑性地震力：DS 系数，其他系数弹塑性增量解析(Push-over)模拟结构捣毁, QuQun  Ds  Fes  Qud

第i层的必要保有耐力Qun≦

第i层的保有耐力Qu

1) 高度超过31m的建筑物，必须采用「保有耐力计算」或者「界限耐力计算法」
2) 高度为60m以下，不强调动力学时程分析；高度超过60m，时程分析,大臣认定
3) 保有耐力计算 和 界限耐力计算法 = 静力学计算方法(动力学和弹塑性分析为基础)4) 保有耐力时的最大水平地震荷重，相当于反应加速度=1.0G左右(自重)5) Push-over时的最大层间变位角(一般情况)=1/100
6) 中小地震时必须保证：层间变位角＜1/200 (并非抗震构架的要求)
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保有耐力计算 与 界限耐力计算法保有耐力计算界限耐力计算法

强度于刚性计算的延长

面向性能设计

·多层模型的1次振动周期·对照反应普·多层模型压缩为单体振动模型·对照反应普弹性振动模型求解塑性构架的 塑性模型求解塑性模型的地震力
地震力(Ds)。
阻尼评价的理论根据不足(Ds) 阻尼评价:等价线性分析为理论
依据,有待于研究。
SaT
Peishan Chen, Hachinohe Tech.

复习动力学x1

u11

u12

u13x2

u21

u22

u23x3

= α1 ×u31+ α2 ×u32+ α3 ×u33

 x1 
 u11  u12  u1n     
 x2 
 u21  u 22  u2n     1      2        n       x u 
u 
u  1
 u11  u12  u1n  n
 n1 
 n2 
 nn      
 
 u21  u22  u2n 1
    1      2        n   
 
 
 
 
1
u 
u 
u 
 
 n1 
 n2 
 nn 

振型参与系数:

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

复习动力学
u11x1x2x3= β1×

u21×q1(t) + β2×u31

u12

u13

u22

u23

u32×q2(t) + β3×

u33×q3(t)QB{xi} = β1·U1·q1(t) +单振子振动的组合nQB   QBii 1

β2·U2·q2(t)T1

QB1 M 1a1ai  qi  xo

β3·U3·q3(t)M3

M2

M1QB1+QB2

QB3

T2T3

QB 3 M 3a3

QB 2 M 2a2
 n  m j u ji j 1
M inm uj 1j2

2
ji

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代表点x j  q11u j1

 x1  u11    x2  u 21     1   q1 ( t )  x u 
 n
 n1 

存在一个位置: 1uk1  1.0

代表点的位移:   q11uk1
1u n1

代表点

1ul1  1.0
1uk1  1.0

1ui1  1.0
1u31

1u 21
1u11

q1  
 1 
 u11    2 
 u 21 



1
 
 
 
 
 
u 
 n
 n1 

 j  1u j1Peishan Chen, Hachinohe Tech.

用位移分布求出 代表质量 和 代表点位移

代表点

1u n11un1

1ul1  1.0
1uk1  1.0

1u j1

M1

1uk1  1.0 1uk1  

代表点

1ui1  1.0

1ui1

1u31

1u31

1u 21

1u21

1u11

1u11１次固有モードを代表する
1質点振動系

各質点の変位 1 
 u11    2 
 u 21 


1
 
 
 
 
 
u 
 n
 n1 

 j  1u j1
ju j1 1 n  m j u ji 


j 1


M in

m uj 1

j2
ji

2n

 m  M 
m 2

jj1

j2j

m j 1j2jn

m i 1ii

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用位移分布 求出 单振子的 质量 和 周期｛δi｝
 m  M m n2jj1jQBK2j

m j 1j2jn

m i 1iiMu
Mu  T  2
 2
K
QB

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

界限耐力计算法
地震力的计算不作振动解析
δ3

δ2
δ1×QB

代表変位Δ
有効質量Mu弹塑性增量解析求｛δi｝ QBQBP3
δ3P3P2固有周期TP2

δ2

P1P1

δ1QB
(c) 水平地震力の分布を水平力分布とする(d) 増分解析による変位等を求める

SaT
Peishan Chen, Hachinohe Tech.

等价线性分析与阻尼QQQQyK－δmaxδy－δy(a)mD yδmax

δ

δmax



(b)h   1 1(c)  0.05

S a  Fh  S1.5Fh 1  10h'a
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工学的基盘

工学的基盘的有关规定的概要(日本建设省 告示第1457号):
符合如下地下深度，厚度与刚性的规定1) 剪切速度波速度约400m/s以上
2) 厚度约5m以上
3) 覆盖层厚度(深度)在厚度的5m以上
4) ···等等···

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

Td or Ts

Ad or As

Ad or As

1.5

 0.864Gs  
 T1.35

T  0.576の場合
0.576  T  0.64の場合
0.64  T の場合

Td or Ts

1.5  T Gs  1.50.
64  gvT  0.64 の場合
0.64  T  Tu の場合
Tu  T の場合

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

0.64  6TdAd  1.6
1.024 Td

Td  0.16の場合
0.16  Td  0.64の場合
0.64  Td の場合

3.2  30TsAs  8
 5.12 Ts

Ts  0.16の場合

0.16  Ts  0.64の場合
0.64  Ts の場合
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如何预测最大变为Sa

heq=ha=0.05, Fha=1
heq=hb , Fhb
heq=hc , Fhc
heq=hd , Fhda’
达到界限状态：QBs/Mu
最大级地震状态：Qsn/Mu
0ab’c’ d’×△c d’bSd

Peishan Chen, Hachinohe Tech.

p3

Qs3

p2

δs2

Qs2

p1

Ts K

δs1

Qs1

Qs

有効質量Mus
QBs

Sas
As(b) 单质点振动模型(a) Pushoverqsi 界限耐力计算法

代表変位Δsδs3

ZGs倍Ts(c)谱加速度Qui

B m
F m g Bmneij insjk 1

skjkn

l 1

Ps3=m3 B3Sal

Ps2=m2 B3Sa
安全界限耐力：nQs  minqsi    m j gj 1

判定：
Qs≧QsnPs1=m1 B3Sa
必要安全界限耐力n： Q Psn
j 1sjQsn3=Ps3
Qsn2=Ps2+Ps3
Qsn Qsn=Ps1+Ps2+Ps3(d) 必要安全界限耐力の算出Peishan Chen, Hachinohe Tech.

界限耐力计算法的安全理念
界限种类地震力性能目标损伤界限 稀有地震

各结构部分的应力结构没有损伤;不超过短期须用应
耐用年限中1次以小的龟裂,可以力,弹性范围,可采上遭遇的中小地修复;
用静力学和动力学
震保证资产价值
分析方法

结构计算手法允许架构塑性化，
极 其 稀 有 耐 用 年 限 中 可 能 不倒塌,不崩毁; 采 用 增 量 解 析
安全界限 地震(罕遇 遭 遇 的 最 大 级 地 保 证 逃 难 ， 保 (Push-over), 可 采证生命安全用静力学和动力学
地震)
震分析方法

Peishan Chen, Hachinohe Tech.总 结• 日本的结构设计的最基本的计算方法是以法律形式规定的，而不是以规范或标准等形式出现的。
• 日本抗震法规对结构设计与结构计算作了明确的流程规定，形成了明确的计算程序。
• 特别注重确保结构韧性,在大地震时，允许结构发生局部塑
化，但不允许结构坍塌。允许构件龟裂，而不允许构架支离破碎，更不允许崩落。
• 不仅仅强调对应力和强度的要求，而把大量精力投入在如何评价和确保结构的韧性，使结构最大限度的吸收振动动能。
• 日本抗震设计的理论，荷载的计算原理，节点构造的详细规定等等，都有明确的能量分析的理论依据和实验依据(运动能，朔性变形能甚至累积朔性变形能等等)。
Peishan Chen, Hachinohe Tech.