針對地震烈度進行抗震設防問題的探討

馬常地 郭明珠

0 引言

由于當前的經(jīng)濟技術(shù)水平，我國建筑結(jié)構(gòu)的抗震設防目標是針對三個水準的地震烈度考慮的，采用的抗震設計方法是圍繞兩種水平的地震烈度的不同概率可能采用兩階段的設計工作。在這種指標下建筑結(jié)構(gòu)抗震設防的主要技術(shù)路線是:1)根據(jù)歷史地震文獻和地震地質(zhì)資料等進行地震危險性分析，以得到地震烈度的時間和空間分布數(shù)據(jù)，然后應用概率論和統(tǒng)計理論并結(jié)合我國的經(jīng)濟技術(shù)水平得到我國的地震烈度區(qū)劃圖;2)依據(jù)地震烈度區(qū)劃圖，針對兩階段的設計方法提供兩套設計地震動參數(shù)并提出相應的概念設計要求和結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求。由此可見，我國的抗震設防工作是圍繞地震烈度這一概念進行的，地震烈度是我國建筑結(jié)構(gòu)的抗震設防指標。

1 地震烈度的歷史和應用

地震烈度是一種最古老的地震強度衡量指標，用來衡量地震對人造工程和地表破壞程度以及人的感覺。由于地震烈度不用儀器進行測定，而是通過在地震區(qū)對地震作用的實際觀察得出，因而可以對歷史地震確定其烈度。這樣，通過地震烈度這一概念，歷史地震記錄可以作為現(xiàn)代地震危險性估計的重要參考。

有學者認為地震烈度的概念是由Mercalli在1902年首先提出的。事實上19世紀80年代意大利的Rossi和瑞士的Forel就已經(jīng)提出了最早的地震烈度表。不過的確是Mercalli首先將地震烈度定為12級。1931年，Wood與Neumann根據(jù)加州的情況對地震烈度表進行了重新的修改，這就是世界上比較通用的地震烈度表。

地震烈度最成功的和最有價值的應用是在震后繪制等震線圖上，將地震破壞用數(shù)字等級進行描述產(chǎn)生的烈度圖確實提供了比較粗略但卻有價值的地面震動分布、地表土和地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)層的影響、震源區(qū)以及與保險和工程問題相關(guān)的信息。

2 關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗震設防目標

工程設防目標是以最少的代價建造具有合理安全度的、滿足實用要求的工程結(jié)構(gòu)。安全度概念的提出是由于人們認識到結(jié)構(gòu)強度與外部荷載都有一定隨機性。目前的結(jié)構(gòu)抗震理論認為:對于地震這類偶然性很大的荷載，保證結(jié)構(gòu)在任何狀態(tài)下都具有合理的安全度在經(jīng)濟上是不劃算的，甚至在技術(shù)上也是不可能的。于是人們認識到結(jié)構(gòu)的抗震安全度并不能絕對的保證，而應該追求結(jié)構(gòu)在不同地震遭遇可能性水平上的相對安全度，從而形成了以概率論為基礎的抗震設防目標。

建立上述的針對抗震設防標準的概率模型，需要大量實際工程地震記錄。目前積累的強震記錄只有不到100年的歷史，在時間跨度上是遠遠不夠的。歷史地震記錄具有很大的時間跨度，是一種不容忽視的資料。而對于歷史地震，地震烈度是唯一一個可以有效還原并與近現(xiàn)代強震記錄相連接的概念。在這個意義上，人們選擇地震烈度作為抗震設防標準的指標存在著一定的必然性。有了更長的時間跨度和更豐富的資料，人們有理由認為以地震烈度為指標建立的抗震設防目標至少在概率意義上更加精確。

3 針對地震烈度進行抗震設防存在的問題

地震烈度是一個十分復雜、模糊和籠統(tǒng)的主觀的概念。這一概念產(chǎn)生于人們尚無有效的測量地震動物理參數(shù)的工具的時候。當時的地震學者用它來描述和比較某次地震在相關(guān)地區(qū)產(chǎn)生的影響程度的大小。地震烈度的概念發(fā)展至今，地震烈度表是其目前最精細的使用參照。不可否認，地震烈度表仍然是非常粗略的。由于地震烈度包括人的感受、地震動引起的響動之類無法量化的多重指標，這就導致了每次強震過后，強震區(qū)的烈度劃分總是存在爭議。由于地震烈度具有多指標綜合性，在多個指標評定結(jié)果相差較多時，如何綜合評定，這往往就取決于個人主觀決定。不僅如此，具體到衡量地震烈度的每個指標的應用同樣帶有較大的隨意性。目前的地震工程領(lǐng)域已經(jīng)認識到包括結(jié)構(gòu)類型，場地條件，震源機制在內(nèi)的諸多因素對地震作用的影響。在實際的結(jié)構(gòu)抗震工程中，認識較為成熟的影響因素已經(jīng)考慮到結(jié)構(gòu)抗震設計之中。地震烈度為設防指標顯然沒有區(qū)分種種因素造成的差異，從而也說明，在一定程度上地震烈度是一個落后的概念?？偠灾?，地震烈度是個十分粗略的概念，在建筑結(jié)構(gòu)抗震設計中使用這一概念作為抗震設防指標是不恰當?shù)摹?/p>

地震作為一個極為復雜的自然現(xiàn)象，地震動參數(shù)之間往往不存在明確的對應關(guān)系，事實上地震烈度和任一地震動參數(shù)之間的對應關(guān)系更加模糊。自從20世紀30年代～50年代，人們逐漸積累了不少的地震記錄，并依靠這些資料試圖建立地震烈度與某個地震動參數(shù)的對應關(guān)系。最后的結(jié)論是:尋求地震動的任一單項參數(shù)與烈度的對應關(guān)系是徒勞的。這一事實的存在也就導致了在抗震工程中無法以地震烈度為出發(fā)點，直接合理的得到建筑結(jié)構(gòu)的抗震設防參數(shù)，也無法經(jīng)由合理的計算方法，將結(jié)構(gòu)抗震驗算的結(jié)果回歸至地震烈度并依據(jù)三水準的設防目標來檢驗?？紤]到地震烈度與地震動參數(shù)的對應關(guān)系極不明確，可以設想地震烈度與結(jié)構(gòu)抗震概念設計要求和構(gòu)造要求的對應關(guān)系更加不明確。很顯然，地震烈度不是目前建筑結(jié)構(gòu)抗震設防技術(shù)水準可以直接把握的概念，而在本質(zhì)上，地震烈度在實際抗震設計中已經(jīng)在很大程度上被繞開了。以地震烈度作為抗震設防標準的指標存在著建筑結(jié)構(gòu)的抗震設計與抗震設防目標的脫節(jié)現(xiàn)象。

4 關(guān)于地震動潛在破壞勢

地震動潛在破壞勢概念的提出旨在估計和比較地震動對結(jié)構(gòu)的破壞作用。由于這一概念涉及到的問題在地震工程領(lǐng)域非常重要，研究者已經(jīng)就其在各個角度展開研究，并取得了豐碩成果。目前，已經(jīng)提出的用來量度地震動潛在破壞勢的地震動特性有:震級、地震烈度、地震動峰值、地震動增量峰值、結(jié)構(gòu)的地震反應峰值、延性需求、輸入能量等。更有人提出過采用多個地震動特性的綜合量化指標。盡管迄今為止還未有讓人信服的成果出現(xiàn)，不過研究結(jié)果越來越讓人滿意了。相對于地震烈度，采用地震動潛在破壞勢作為抗震設防指標存在著許多優(yōu)勢:1)地震動潛在破壞勢是一個專門應用于描述和評價地震動的結(jié)構(gòu)破壞作用的概念，相對于地震烈度，它的針對性更強;2)地震動潛在破壞勢是一個可以量化的概念，因為它采用具有明確物理意義和工程抗震設計意義的地震動參數(shù)作為指標，從而更適用于實際抗震工程中“三水準”抗震設防目標的檢驗和“兩階段”抗震設計方法的實施;3)現(xiàn)階段地震動潛在破壞勢的研究一直在試圖找到更能確切表征它的地震動參數(shù)和方法，從某種意義上，地震動潛在破壞勢的研究代表了當前人們工程地震和結(jié)構(gòu)抗震的認識水平，采用它作為抗震設防指標更有利于應用地震工程方面的最新研究成果。

5 結(jié)語

在目前的技術(shù)層次之下，建筑結(jié)構(gòu)抗震設防工作實際上是以地震的動力特性和結(jié)構(gòu)的動力反應特性為理論依據(jù)開展的。考慮到目前關(guān)于地震烈度與地震的動力特性和結(jié)構(gòu)的動力反應特性之間關(guān)系的研究成果和結(jié)論，針對地震烈度這個模糊的概念進行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設防無疑脫離了工程抗震實際。我認為有必要對建筑結(jié)構(gòu)抗震設防指標進行重新思考，而地震動潛在破壞勢作為一個針對性強、工程意義明確、可準確量化和描述并體現(xiàn)了抗震工程實際研究成果的概念顯然是一個更有前景的考慮。

［1］ GB 50011-2002，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［2］ 胡聿賢.地震工程學［M］.第2版.北京:地震出版社，2006:10-110.

［3］ 王光遠.建筑結(jié)構(gòu)的震動［M］.北京:科學出版社，1978:27-34.

［4］ 李愛群，高振世.工程結(jié)構(gòu)抗震設計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004:12-25.

［5］ 翟長海，謝禮立.估計和比較地震動潛在破壞勢的綜合評述［J］.地震工程與工程振動，2002，22(5):1-7.