建筑结构丨尼泊尔抗震设计规范简介
与五年前在一次7.0级地震中有25万人丧生的中美洲国家海地所不同的是，横卧在喜马拉雅-阿尔卑斯地震带上的尼泊尔是有建筑抗震设计规范的。虽然尼泊尔是公认是高地震危险性地区，但直到1988年一次里氏6.7级地震夺去了约880名尼泊尔人的生命之后，尼泊尔政府及社会各界才倍感建筑规范之重要。于是在联合国和新西兰、加拿大、美国等国专家的帮助下，在加德满都当地工程师的协助下，在适当参考印度规范（OMG！）的基础上，尼泊尔于1994年颁布了一系列国家建筑规范。其中便包括正文长达26页的建筑抗震设计规范（NBC150, 1994）。26页是什么概念？我国最早由国人自己制定的抗震规范（78规范）的正文有40多页，89规范的正文增加到上百页，现行的2010版规范的正文有140页。2003年尼泊尔对这个规范体系进行过一次全面修订。可惜我没找到新版的抗震规范。虽然规范的厚度体现了该国在该领域投入的人力物力的多少，但我不是说规范越厚越好。尼泊尔短短26页的规范其实已经把一本抗震规范应该做两件事情都讲了——在什么程度的地震作用下建筑物的地震反应不能超过什么限值。在大家心系尼泊尔地震灾区的同时，不妨简单浏览一下尼泊尔建筑抗震设计的基本要求。
1. 地震作用
NBC150要求所有建筑面积超过20平米或高度超过5米的建筑，以及所有公众建筑，都应进行抗震设计。与目前世界主流的抗震规范一样，NBC150的抗震设计也是以延性设计为基础。地震作用效应与恒载、活载作用效应的组合也与其他国家规范类似。地震作用效应的计算可以采用基底剪力法，也可以采用振型分解反应谱法。闲话休叙，来看看设计反应谱吧。
设计反应谱值（地震影响系数）Cd按下式计算：
Cd = C * Z * I * K
其中C是基本的设计反应谱，是自振周期的函数；Z是地域系数；I是结构重要性系数；K是结构体系系数。
基本设计反应谱C(T)如下图所示。图中粗实线为NBC150中对三种不同场地规定的基本设计反应谱。平台段高度与我国7度小震反应谱一致，下降段也与我国规范反应谱类似，但平台段明显比我国规范反反应谱来得长。比如，NBC150中I类场地（岩石）的基本设计反应谱与我国7度II类场地（第二组）的设计反应谱基本一致。什么？只相当于我国的7度设防？不要惊慌。当年Ms8.0级汶川地震灾区也基本上都是7度设防。
Z是地域系数。像日本一样，这样的弹丸小国也要做区划，简直可以忽略。如下图所示，全尼泊尔的Z值也不过从0.8变化到1.1。这次8.1级地震震中附近的两个大城市博克拉和加德满都都位于Z=1.0的区域。
这个区划图当然也是有个说法——是以地震危险性分析为基础的。下图是重现期500年的峰值地面加速度（PGA）等值线图。可见，包含加德满都和博克拉在内的广大地区的PGA在0.36~0.38g左右。且慢！刚才说了NBC150中规定的基本设计反应谱大致相当于（略高于）我国7度设防的水平。但这里由地震危险性分析得到的重现期500年的PGA却远远高于我国7度、甚至8度区的设计地震PGA，而接近于我国8度区罕遇地震（重现期约2500年）的水平！
硬土场地500年重现期的地面峰值加速度（单位：g）来源：R.D.Sharpe and R.D.Jury, 12WCEE, 2000.
还剩下两个系数。重要性系数I就不说了，对于大部分普通建筑I=1.0。结构体系系数K在一定程度上反映了对结构延性的考虑。NBC150规定，对于延性框架结构和框架-剪力墙结构，K=1.0；对于钢支撑框架或含有钢筋混凝土填充墙的框架结构，K=1.5；对于含有砌体填充墙的框架结构，K=2.0；对于砌体结构，则要求K=4.0。可见，这个K系数的作用类似于美国规范体系中的R系数，或者我国78规范中的结构影响系数C。不管其取值合不合理，起码反映了结构体系延性的差异。从这一点上来说，NBC150比我国抗震规范的概念更清晰，更准确。
2. 位移限值
NBC150要求结构的非线性位移对应的层间位移角不超过1/100。当然不会要求真的通过非线性分析去计算非线性位移，而是简单地以上述地震作用下结构的弹性变形乘以(5/K)的放大系数作为非线性位移的估计值。比如延性框架结构的K=1.0，这样相当于要求其在小震作用下的层间位移角不超过1/500，与我国规范的位移限值类似。从延性设计的角度来讲，（5/K）的放大系数在一定程度上表征了结构体系的预期的延性系数。
这样一来，延性抗震设计的基本内容实际上都有了规定，即在指定的地震作用下，结构应能够抵抗地震作用与其他荷载的组合效应；同时应满足相应的位移限值。但是规范和现实之间总是有一段距离，对于尼泊尔这样不发达的国家尤其如此。据说尼泊尔90%以上的房屋都是自建房，而只有5%的建筑是正规设计正规施工的。倒是与我国国情比较相似。不仅如此，尼泊尔当地的房屋结构形体似乎也与我国类似——砌体结构居多，框架结构柱子纤细。这样看来，这次8.1级地震对我国西南地区的建筑抗震问题应该很有的借鉴意义。然而没有调查就没有发言权。只好在这里放几张网友贴出来的照片草草收场。
可以明显地看到较多的圈梁和构造柱，但是构造柱上没有设置马牙茬。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）
中部远处的4层小楼设置了圈梁和构造柱，底层沿街开敞，二层未设置圈梁。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）
设置了圈梁、构造柱的砌体结构整体倾倒。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）
似曾相识的Pancake collapse。（来源：Sushil Prajapati@Facebook）
关于尼泊尔自建混凝土框架结构的补充
以上简要介绍了尼泊尔非常简要的抗震规范，但同时也提到，尼泊尔估计约有90%以上的房屋是没有经过正规设计的，更谈不上抗震设计了[1]。据说，只有在加德满都等少数城市的市区会有专业的施工队，其他地区的房屋都是人民自建，与我国农村地区的情况非常相似。自上世纪70年代以来，尼泊尔开始出现越来越多的钢筋混凝土框架结构房屋，现在这种结构形式已经成为主流。那么，人民自建的钢筋混凝土框架结构能长成什么样呢？Chaulagain等人在2013年发表于Engineering Structures上的一篇文章给出了一个典型的结构布置非常规整的实例[2]。哲·设计三维呈现如下。
这是一栋3层框架，纵向跨度4米，横向跨度3米，层高3米。据说在尼泊尔当地非常具有代表性。所有柱截面均230mm见方，与砖墙同厚，且均配置6根直径10mm钢筋，钢筋名义屈服强度约400MPa。混凝土强度等级大致相当于我国的C25级。如此纤细的“框架柱”充其量算是构造柱。其全截面纵筋配筋率尚不足1%，连我国抗震规范中关于砌体结构构造柱的配筋要求都无法满足。相比之外，梁却更像是真正的框架梁，不但325mm的截面高度远远超过柱子，6根圆12的纵筋也使柱子相形见绌。根据配筋率和截面高度可以大致的估算梁和柱的受弯承载力。梁的受弯承载力大致为柱的2倍。是典型的“强梁弱柱”框架。当不考虑填充墙的刚度贡献时，这个3层框架的在纵横两个方向的基本周期均长达0.8秒左右[2]，可见其刚度之低。
在这样柔软的“框架”结构中，砖砌体填充墙的承载力和刚度无疑会显著地影响结构的受力性能。根据文献[2]介绍，尼泊尔惯用230mm厚砖墙作为外围护墙，而采用115mm砖墙作为内隔墙。这与我国农村地区的做法非常相似。现在再回头来看上一篇博文中贴的几张照片，会发现原来那些都不是我们以为的“约束砌体结构”，而是所谓的钢筋混凝土框架结构！这也完美地解释了为什么“构造柱”和砖墙之间没有设置马牙茬。
（照片来自：Sushil Prajapati@Facebook）
参考文献：
[1] JICA. The study on earthquake disaster mitigation in the Kathmandu Valley Kingdom of Nepal. Japan International Cooperation Agency (JICA) and Ministry of Home Affairs, His Majesty‘s Government of Nepal, vol. 1, 2002: 110+p.
[2] H Chaulagain, H Rodrigues, J Jara, E Spacone, H Varum. Seismic response of current RC buildings in Nepal: A comparative analysis of different design/construction. Engineering Structures, 49, 2013: 284–294.
来源：哲设计。
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