工程抗震設(shè)防標準和設(shè)計地震動

根據(jù)場地與斷層的相對位置，方向性效應(yīng)可以分為向前效應(yīng)（forward）、向后效應(yīng)（reverse）和中性效應(yīng)（neutral），如果斷層的破裂方向朝向場地或破裂方向與震源（hypocenter）和場地連線的夾角較小的話，場地的效應(yīng)稱為向前方向性效應(yīng)；如果斷層的破裂方向背離場地或破裂方向與震源和場地連線的夾角較小的話，稱為向后方向性效應(yīng)；如果場地與震源的連線幾乎垂直于斷層的破裂方向，稱為中性效應(yīng)。通常所說的“方向性效應(yīng)”是指向前方向性效應(yīng)，因為向前方向性效應(yīng)產(chǎn)生的地震動對工程結(jié)構(gòu)來說更為不利。

斷層破裂所產(chǎn)生的能量波在傳播介質(zhì)中以幾乎等于介質(zhì)剪切波速的速度向場地傳播，使得斷層產(chǎn)生的能量以非常短的時間到達場地.

在場地的地震動中將產(chǎn)生一個大的速度脈沖(velocitypulse)，從圖中可以看到來自每個子斷層的地震動能量幾乎同時到達場地A時，在場地A產(chǎn)生一個相對短持時、高幅值的地震動，而來自每個子斷層的地震動能量在相對較長的時間到達場地B，從而在場地B產(chǎn)生一個相對持時較長、幅值較低的地震動。工程抗震設(shè)防標準和設(shè)計地震動翟長海博士哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院Email：zch-hit@Tel:86282027《中華人民共和國防震減災(zāi)法》

(1997年12月29日第八屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第二十九次會議通過)抗震減災(zāi)工作應(yīng)依法進行第十七條新建、擴建、改建建設(shè)工程，必須達到抗震設(shè)防要求。(為什么要進行抗震設(shè)防？)第十九條建設(shè)工程必須按照抗震設(shè)防要求和抗震設(shè)計規(guī)范進行抗震設(shè)計，并按照抗震設(shè)計進行施工?？拐鹪O(shè)計的目的和目標抗震設(shè)計的目的

工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的目的是：減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟損失，同時使地震時不可缺少的緊急活動得以維持和進行?？拐鹪O(shè)計的目標

由于地震動的隨機性是很大的，要使得所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在遭受將來可能發(fā)生的地震時絕對不破壞是不現(xiàn)實和不經(jīng)濟的。換句話說，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計不能追求絕對的安全性，而需要從現(xiàn)在的經(jīng)濟條件出發(fā)，使設(shè)計的結(jié)構(gòu)在未來地震作用下發(fā)生破壞的概率為社會所接受，同時為當前的經(jīng)濟條件所允許。

合理的抗震設(shè)計應(yīng)滿足經(jīng)濟和安全之間的合理平衡，這也是抗震設(shè)計的目標。這一目標可以表示為使總效益E最大的形式

E＝受益－投資－可能的損失＝最大抗震設(shè)計的目標

受益包括所考慮的工程建成后的直接和間接收獲；投資包括興建此工程的資金及工程建成后的維護資金；

損失包括人身傷亡、物質(zhì)財產(chǎn)的直接損失以及連鎖反應(yīng)造成的間接損失、以及政治、社會、經(jīng)濟影響等。若不考慮非結(jié)構(gòu)損失，則上式可近似改為：

結(jié)構(gòu)抗震總費用＝工程造價＋修復(fù)費＝最小

用概率方法進行分析建筑抗震設(shè)防目標與標準抗震設(shè)防的概念抗震設(shè)防的重要性設(shè)防依據(jù)設(shè)防目標及其實現(xiàn)建筑類別與設(shè)防標準抗震設(shè)防（seismicfortification

）－對建筑物進行抗震設(shè)計并采取抗震措施

國內(nèi)外大量震害證明，進行科學(xué)合理的抗震設(shè)防是當今減輕地震災(zāi)害的最直接、有效的途徑（雖然有隔震、控制等措施）抗震設(shè)防的重要性

事例1

1976年7月26日在我國一個擁有150萬人口的唐山市，遭遇7.8級地震的襲擊，頃刻間整座城市化為一片片瓦礫，人員死亡高達近25萬人，經(jīng)濟損失超百億元；

1985年一個擁有100余萬人口的智利瓦爾帕萊索市雖遭受了同樣7、8級地震的襲擊，人員死亡卻只有150人，而且不到一周時間，整個城市就恢復(fù)原樣。同樣大小的地震，城市人口也差不多相同，卻產(chǎn)生了如此不同的后果，只是因為瓦爾帕萊索市的建筑物和設(shè)施曾進行了有效抗震設(shè)防。抗震設(shè)防的重要性

事例2日本東京是國際著名大城市，歷史上曾發(fā)生過8級以上大地震。日本政府以及各界一向?qū)Υ耸株P(guān)心和重視，長期以來一直致力于將東京建成一個能抗御8級大地震的城市；1986年一次6.2級地震發(fā)生在東京城底下，一座上千萬人口的城市僅死亡2人，整個城市幾乎未遭到破壞；可是一向認為沒有發(fā)生大地震危險的日本第二大港神戶市對工程抗震設(shè)防就不那么重視：在1995年1月17日的一次6.9級的地震中，導(dǎo)致了近十萬棟房屋毀壞．5500人死亡和約1000億美元的經(jīng)濟損失?？拐鹪O(shè)防的重要性

事例31988年12月7日前蘇聯(lián)的阿美尼亞共和園發(fā)生一次6.8級地震，位于震中的斯皮塔克城全城變成廢墟，距震中40公里的列寧納坎市約有80％建筑物毀壞。更遠的基洛伐克市也有將近50％的建筑物嚴重破壞或倒場，地震死亡人數(shù)達4—5萬人。該地區(qū)歷史上曾發(fā)生過數(shù)次6-7級大地震，但前蘇聯(lián)政府，鑒于城市居住建筑嚴重短缺，又缺乏資金，便在70年代初期對大量新建的多層房屋建筑降低設(shè)防標準．一律從9度降低7度，而恰恰正是這些房屋建筑在該次地震中大量倒塌，造成了眾多的人員傷亡。設(shè)防依據(jù)——抗震設(shè)防烈度定義：按國家規(guī)定的權(quán)限批準作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度（seismicfortificationintensity）確定：必須按國家規(guī)定的權(quán)限審批、頒發(fā)的文件（圖件）確定一般情況下，可采用中國地震烈度區(qū)劃圖的地震基本烈度度（或設(shè)計地震基本加速度值）雙軌制對做過抗震防災(zāi)規(guī)劃的城市，可按批準的抗震設(shè)防區(qū)劃（抗震設(shè)防烈度或設(shè)計地震動參數(shù)）進行抗震設(shè)防設(shè)防范圍：6-9度back抗震設(shè)防標準概念：seismicfortificationcriterion

衡量抗震設(shè)防要求的尺度，由抗震設(shè)防烈度和建筑使用功能的重要性確定。怎么確定？

地震極強的隨機性決定了地震的發(fā)生和特性都不能精確的給出，必須以概率為基礎(chǔ)進行預(yù)測，給出今后若干年內(nèi)不同強度地震發(fā)生可能性，使用壽命期內(nèi)對不同頻度和強度的地震，要求結(jié)構(gòu)具有不同的抵抗能力

。三水準：“小震”“中震”“大震”抗震設(shè)防標準的標定

建筑抗震規(guī)范提出了三個烈度水準的抗震設(shè)防要求。三個烈度水準是依據(jù)對我國華北、西北、西南三個地區(qū)45個城鎮(zhèn)的地震危險性分析結(jié)果，運用概率的方法對“小震”、“中震”與“大震”的概率意義和取值進行了分析并給出了相應(yīng)的結(jié)果。三水準地震作用的標定步驟（1）

（1）對華北、西北、西南三個地區(qū)的潛在震源、各震源的地震活動性、地震傳播過程的衰減規(guī)律分析的基礎(chǔ)上．給出了45個城鎮(zhèn)的地震危險性分析結(jié)果，確定我國地震烈度符合極值III型分布。（2）通過45個城鎮(zhèn)不同超越概率所對應(yīng)的烈度與該城鎮(zhèn)的基本烈度相比較，計算了比較差的平均值與標準差。從計算結(jié)果來看，在設(shè)計基準期50年內(nèi)超越概率為13％的地震烈度與基本烈度相比較的總體標準差最小。但當超越概率在0.09—0.16范圍內(nèi)變化時，與基本烈度的標準差變化不大。因此，從工程實際來考慮，可以粗略的認為基本烈度相當于50年內(nèi)超越概率為l0％的烈度。三水準地震作用的標定步驟（2）

（3）從概率意義上講，“小震”就是多遇的地震，出于我國地震烈度的概率分布符合極值III型，極值分布的眾值為其概率密度函數(shù)上的峰點，在極值分布中此值為眾值，所以我們稱此地震烈度為眾值烈度。從地震烈度的重現(xiàn)期來看，在設(shè)計基準限期50年的眾值烈度的超越核率為63.2％：（4）地震的發(fā)生無論在時間、地點、強度方面都是隨機的，已往發(fā)生概率小于5％的強烈地震作用己多次給人們的生命財產(chǎn)造成了嚴重災(zāi)害。因此，其概率水平應(yīng)在50年內(nèi)的超越概率小于5％。根據(jù)計算結(jié)果，從既安全又經(jīng)濟的抗震效果，建議“大震“定義為，在50年內(nèi)超越概率為3％－2％。三水準地震作用的標定步驟（3）

（5）分別計算這45個城鎮(zhèn)在50年內(nèi)超越概率為10％的地震烈度與眾值烈度（在50年內(nèi)超越概率為63.2％的地震烈度）之差，并從這45個城鎮(zhèn)的總體上計算出其差值的平均值1.55，這樣也可以認為基本烈度與眾值烈度差的平均值為1.55度。罕遇地震對應(yīng)的烈度比基本烈度大約大1度左右。根據(jù)烈度與地震地面峰值加速度的關(guān)系，可得到比基本烈度降低1.55度的眾值烈度所對應(yīng)的地面峰值加速度的折減系數(shù)為0.34。當然也可以知道罕遇地震對應(yīng)的地面峰值加速度比基本烈度對應(yīng)的峰值加速度大4－6倍。三水準地震作用的標定地震影響50年超越概率地震重現(xiàn)期眾值烈度小震63.2%50年基本烈度中震10%475年罕遇烈度大震2-3%1642-2475年

一般關(guān)系烈度：Im=I0-1.55,Is<=I0+1

加速度：PGAm=PGA0*1/3；

PGAs=PGAm*(4-6)討論“三水準及其對應(yīng)的峰值加速度的折減”？設(shè)防目標及其實現(xiàn)設(shè)防目標水準涵義要求第一水準小震不壞當遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用第二水準中震可修當遭受相當于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用第三水準大震不倒當遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞實現(xiàn)方法：兩階段設(shè)計兩階段設(shè)計法說明：第二水準的設(shè)防要求，是通過概念設(shè)計和構(gòu)造措施來滿足的，對大多數(shù)結(jié)構(gòu)．可只進行第一階段設(shè)計；只有對《抗震現(xiàn)范》所規(guī)定的部分結(jié)構(gòu)，如有特殊要求的建筑和地震時易倒塌的結(jié)構(gòu)以及有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，才進行第三階段的抗震驗算

第一階段設(shè)計：按小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，以及在小震作用下驗算結(jié)構(gòu)的彈性變形：以滿足第一水準抗震設(shè)防目標的要求：第二階段設(shè)計：在大震作用下驗算結(jié)構(gòu)的彈彈塑性變形，以滿足第三水準抗震設(shè)防的要求。我國抗震設(shè)防的依據(jù)是“小震”、“中震”、“大震”？建筑類別與設(shè)防標準《規(guī)范2001》根據(jù)建筑使用功能重要性，分為：甲類－屬于重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災(zāi)害的建筑乙類－屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)功能的建筑丙類－屬于甲、乙、丁類以外的建筑丁類－屬于抗震次要建筑策略：不調(diào)整地震力，只是從抗震措施或抗震構(gòu)造措施上考慮建筑的重要性類別建筑類別與設(shè)防標準

甲類建筑——地震作用應(yīng)高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，其值應(yīng)按批準的地震安全性評價結(jié)果確定；抗震措施，當抗震設(shè)防烈度為6－8度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當為9度時，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。乙類建筑——地震作用應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求；抗震措施，一般情況下。當抗震設(shè)防烈度為6—8度時，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當為9度時．應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。丙類建筑——地震作用和抗震措施均應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。丁類建筑——一般情況下．地震作用仍應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求；抗震措施應(yīng)允許比本地區(qū)抗震設(shè)防烈低的要求適當降低，但抗震設(shè)防烈度為6度時不應(yīng)降低。討論：“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計原則小震不壞、中震可修、大震不倒這樣的安全要求是當前國際常用的標準。按此標準選定設(shè)計地震動的大小，以求得安全與經(jīng)濟的平衡，在原則上十分合理，但難以定量分析導(dǎo)出其數(shù)值，主要困難在于各使用階段的經(jīng)濟損失難以計算。為此，人們大多用經(jīng)驗性的方法來決定小、中、大震的超越概率的取值。真正的、定量的安全與經(jīng)濟的綜合分析，目前尚未見應(yīng)用于抗震設(shè)計規(guī)范的具體分析中。

制定結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防表示是一個非常復(fù)雜的問題，牽扯到地震工程學(xué)、社會學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等各個學(xué)科，很多學(xué)者正在研究（謝禮立院士的工作，如基于性態(tài)的抗震設(shè)防標準、可接受死亡率、最優(yōu)設(shè)防烈度等）？《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》設(shè)計地震動參數(shù)

工程的抗震設(shè)計分析需要以給定的設(shè)計地震動參數(shù)為依據(jù)。工程對設(shè)計地震動參數(shù)的要求，一方面與工程的重要性有關(guān)、另一方面又要考慮工程的特性。設(shè)計地震動參數(shù)

從繁簡程度分，設(shè)計地震動參數(shù)從簡單到詳細的排序是：（1）地震烈度，由此換算地震動峰值加速度； （2）峰值加速度a或地震系數(shù)k和標準反應(yīng)譜或標準放大系數(shù)譜，標準譜一般不考慮地震環(huán)境，但可以近似地考慮場地工程地質(zhì)條件的影響；（3）地震動峰值加速度a和峰值速度v，或等效峰值加速度EPA和等效峰值速度EPV，或其“等效對”，地震系數(shù)k和反應(yīng)譜特征周期或拐點周期Tg＝2

v/a或2

EPV/EPA

。這幾對值(a和v；EPA和EPV；k和Tg)都可以初步近似地表示隨地震環(huán)境和場地工程地質(zhì)條件而變的反應(yīng)譜，即場地地震相關(guān)反應(yīng)譜；設(shè)計地震動參數(shù)

從繁簡程度分，設(shè)計地震動參數(shù)從簡單到詳細的排序是：（1）地震烈度，由此換算地震動峰值加速度； （2）峰值加速度a或地震系數(shù)k和標準反應(yīng)譜或標準放大系數(shù)譜，標準譜一般不考慮地震環(huán)境，但可以近似地考慮場地工程地質(zhì)條件的影響；（3）地震動峰值加速度a和峰值速度v，或等效峰值加速度EPA和等效峰值速度EPV，或其“等效對”，地震系數(shù)k和反應(yīng)譜特征周期或拐點周期Tg＝2

v/a或2

EPV/EPA

。這幾對值(a和v；EPA和E