試論抗震設(shè)防目標(biāo)、兩階段設(shè)計(jì)方法及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的意義

梁亞楠 遼河石油裝備制造總公司

試論抗震設(shè)防目標(biāo)、兩階段設(shè)計(jì)方法及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的意義

梁亞楠 遼河石油裝備制造總公司

“小震不壞、中震可修、大震不倒”是我國(guó)建筑抗震設(shè)防的三水準(zhǔn)目標(biāo)，三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)是通過(guò)“兩階段設(shè)計(jì)”這一方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是衡量抗震設(shè)防要求高低的尺度，由抗震設(shè)防烈度或設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)及建筑抗震設(shè)防類別確定。準(zhǔn)確理解抗震設(shè)防目標(biāo)、兩階段設(shè)計(jì)方法及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的意義是結(jié)構(gòu)工程師解決建筑抗震難題的必備基礎(chǔ)知識(shí)。

抗震設(shè)防目標(biāo)；兩階段設(shè)計(jì)方法；抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

1 前言

當(dāng)我們不考慮地震作用的情況下進(jìn)行建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定荷載作用下處于或基本處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要有足夠的強(qiáng)度，保證安全，又要有足夠的剛度，保證結(jié)構(gòu)的變形在使用許可范圍之內(nèi)。例如，我們?cè)O(shè)計(jì)樓板或是主梁時(shí)，在豎向恒載及活載作用下，除了必須滿足強(qiáng)度要求外，其撓度變形也必須控制在許可范圍內(nèi)，從而使之在使用功能上和外觀上均能滿足要求。又如，在設(shè)計(jì)高聳結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)者將會(huì)考慮在大風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)依然保持彈性狀態(tài)?？傊?，結(jié)構(gòu)抵抗一般的荷載作用時(shí)，設(shè)計(jì)者必須遵循的基本原則是使結(jié)構(gòu)在預(yù)期荷載作用下保持在或基本保持在彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析與設(shè)計(jì)一般采用彈性分析方法。在實(shí)際工程中，按照這樣的原則設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)，如果沒(méi)有遇到特殊的情況，在預(yù)期的荷載作用下，極少出項(xiàng)嚴(yán)重破壞、過(guò)度變形等不正常狀態(tài)。而地震作用則不同，地震動(dòng)的影響次數(shù)少，作用時(shí)間短，各次地震的強(qiáng)度差異很大。而且地震本身的隨機(jī)性很強(qiáng)，在某一地區(qū)，某一基準(zhǔn)期內(nèi)，可能出現(xiàn)的最大地震動(dòng)是一個(gè)隨機(jī)變量，事先無(wú)法預(yù)知。若要求在各種強(qiáng)度地震動(dòng)下，結(jié)構(gòu)仍然保持彈性狀態(tài)是很不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不可能的。因此，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)抵抗其他荷載作用的設(shè)計(jì)是不同的，對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師而言，在進(jìn)行工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須要清楚“地震作用有別于其他荷載的特殊情況”，進(jìn)而才能準(zhǔn)確理解與把握符合這一特殊情況的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則，即結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防目標(biāo)、兩階段設(shè)計(jì)方法及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，然后才能在工程的抗震設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)“安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用”的原則。

2 抗震設(shè)防目標(biāo)

我國(guó)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010第1.0.1條規(guī)定：“為貫徹執(zhí)行國(guó)家有關(guān)建筑工程、防災(zāi)減災(zāi)的法律法規(guī)并實(shí)行以預(yù)防為主的方針，使建筑經(jīng)抗震設(shè)防后，減輕建筑的地震破壞，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失，制定本規(guī)范。按本規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的建筑，其基本的抗震設(shè)防目標(biāo)是：當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，主體結(jié)構(gòu)不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用;當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，可能發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。使用功能或其他方面有專門(mén)要求的建筑，當(dāng)采用抗震性能化設(shè)計(jì)時(shí)，具有更具體或更高的抗震設(shè)防目標(biāo)”。

作為抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的第一條規(guī)定，其目的是為了明確建筑抗震設(shè)防的政策、方針和基本目的，同時(shí)，給出了現(xiàn)階段抗震設(shè)計(jì)的基本思想，及抗震設(shè)防目標(biāo)的問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)行《抗震規(guī)范》沿用了89規(guī)范的“三水準(zhǔn)”的抗震設(shè)計(jì)思想，即通常所說(shuō)的“小震不壞、中震可修、大震不倒”。真確理解三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，需要弄清楚以下兩個(gè)問(wèn)題：

2.1 三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)的由來(lái)和含義

我國(guó)抗震規(guī)范經(jīng)歷了74版、78版，要求“建筑物遭遇到相當(dāng)于設(shè)計(jì)烈度的地震影響時(shí)，建筑物允許有一定程度的損壞，不加修理或稍加修理仍能繼續(xù)使用”，但是遼寧海城和唐山地震的發(fā)生，震中烈度都比預(yù)估的要高，特別是唐山大地震竟比預(yù)估高出5度。基于這種基本烈度地震具有很大不確定性的事實(shí)，89規(guī)范在修訂過(guò)程中提出要對(duì)78規(guī)范的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，做出了如下一些規(guī)定：

(1)在遭受本地區(qū)規(guī)定的基本烈度地震影響時(shí)，建筑可能有損壞，但不致危及人民生命和生產(chǎn)設(shè)備的安全，不需修理或稍加修理即可恢復(fù)使用；(2)在遭受較常遇到的、低于本地區(qū)規(guī)定的基本烈度的地震影響時(shí)，建筑不損壞；(3)在遭受預(yù)估的、高于基本烈度的地震影響時(shí)，建筑不致倒塌或發(fā)生危及人民生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重破壞。

上述三點(diǎn)規(guī)定可概括為“小震不壞、中震可修、大震不倒”這樣一句話，即89規(guī)范以來(lái)，我國(guó)建設(shè)工程界秉承的抗震設(shè)防思想。

按照上述抗震設(shè)防思想，從結(jié)構(gòu)受力角度看，當(dāng)建筑遭遇第一水準(zhǔn)烈度地震（小震）時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性工作狀態(tài)，可以采用彈性體系動(dòng)力理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)和地震反映分析，滿足強(qiáng)度要求，構(gòu)件應(yīng)力完全與按彈性反應(yīng)譜理論分析的計(jì)算結(jié)果相一致；當(dāng)建筑遭遇第二水準(zhǔn)烈度地震（中震）時(shí)，結(jié)構(gòu)越過(guò)屈服極限，進(jìn)入非彈性變形階段，但結(jié)構(gòu)的彈塑性秉性被控制在某一限度內(nèi)，震后殘留的永久變形不大；當(dāng)建筑遭遇第三水準(zhǔn)烈度地震（大震）時(shí)，建筑物雖然破壞比較嚴(yán)重，但整個(gè)結(jié)構(gòu)的非彈性變形仍受到控制，與結(jié)構(gòu)倒塌的臨界變形尚有一段距離，從而保證建筑內(nèi)部人員的安全。

2.2 關(guān)于“大震”和“小震”的界定

基本烈度是指在50年期限內(nèi)，一般場(chǎng)地條件下，可能遭遇的超越概率為10%的地震烈度，相當(dāng)于474年一遇的烈度值；多遇地震烈度，是指在50年期限內(nèi)，一般場(chǎng)地條件下，可能遭遇的超越概率為63%的地震烈度值，相當(dāng)于50年一遇的地震烈度值；罕遇地震烈度是值在50年期限內(nèi)，一般場(chǎng)地條件下，可能遭遇的超越概率為2%～3%的地震烈度值，相當(dāng)于1600～2500年一遇的地震烈度值。

由于我國(guó)的地震烈度區(qū)劃圖或地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖只給出了基本烈度或基本設(shè)計(jì)地震加速度，因此，為了貫徹上述三水準(zhǔn)設(shè)防思想，首要問(wèn)題是如何確定“小震”和“大震”，即多遇地震和罕遇地震的界定問(wèn)題，找出它們與基本烈度地震之間的關(guān)系。事實(shí)上，在89規(guī)范的修訂過(guò)程中，修訂編制組曾對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行過(guò)專題研究。研究結(jié)構(gòu)表明：根據(jù)對(duì)我國(guó)華北、西北和西南地區(qū)45座城鎮(zhèn)地震危險(xiǎn)性分析，多遇地震烈度可取50年超越概率為63.2%的眾值烈度，其大小比基本烈度約低1.55倍；而50年超越概率為2%～3%的罕遇地震烈度約為基本烈度高1度左右。這就是我國(guó)抗震規(guī)范沿用至今的關(guān)于大震和小震的界定。

事實(shí)上，這樣的界定只是在1977年版的地震區(qū)劃圖的基礎(chǔ)上對(duì)我國(guó)少數(shù)城市進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析的平均結(jié)果，具有一定的局限性，而且與1977年以后各版地震區(qū)劃圖的平均結(jié)果存在一定的差異。實(shí)際上，根據(jù)高孟潭等人1992年對(duì)全國(guó)7000多個(gè)場(chǎng)地的地震動(dòng)危險(xiǎn)性分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，大震與中震的地震烈度差值普遍小于1度，而且遇有明顯的地區(qū)性。但是，為了保持規(guī)范的延續(xù)性，在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001（2008年版）仍然保持了這樣的界定。

3 兩階段設(shè)計(jì)方法

建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)是通過(guò)“兩階段設(shè)計(jì)”來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一階段設(shè)計(jì)是承載力驗(yàn)算，其可靠性既要滿足在第一設(shè)防水準(zhǔn)下具有必要的承載力，又要滿足第二水準(zhǔn)的損壞可修的目標(biāo)。第二階段設(shè)計(jì)是彈塑性變形驗(yàn)算，對(duì)地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)、有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)以及有專門(mén)要求的建筑，要進(jìn)行結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性層間變形驗(yàn)算并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。對(duì)大多數(shù)的結(jié)構(gòu)，可只進(jìn)行第一階段的設(shè)計(jì)，而通過(guò)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來(lái)滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。

“兩階段設(shè)計(jì)”的具體方法和步驟是：

第一階段設(shè)計(jì)：第一步采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，先計(jì)算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風(fēng)、重力等荷載效應(yīng)組合，并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，從而滿足第一水準(zhǔn)的強(qiáng)度要求；第二步是采用第一地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角，使其不超過(guò)規(guī)定的限值；同時(shí)采取相應(yīng)的抗震夠著措施，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，從而自動(dòng)滿足第二水準(zhǔn)的變形要求。

第二階段設(shè)計(jì)：采用第三水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)（特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié)）的彈塑性層間位移角，使之小于《抗震規(guī)范》限值；并結(jié)合采用必要的抗震構(gòu)造措施，從而滿足第三水準(zhǔn)的防倒塌要求。

4 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是衡量抗震設(shè)防要求高低的尺度，由抗震設(shè)防烈度或設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)及建筑抗震設(shè)防類別確定?？拐鹪O(shè)防烈度是指按國(guó)家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個(gè)地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度。一般情況，取50年內(nèi)超越概率10%的地震烈度。設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)是指抗震設(shè)計(jì)用的地震加速度（速度、位移）時(shí)程曲線、加速度反應(yīng)譜和峰值加速度。抗震設(shè)防分類是根據(jù)建筑遭遇地震破壞后，可能造成的人員傷亡、直接和間接經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響的程度及其在抗震救災(zāi)中的作用等因素，對(duì)各類建筑所做的設(shè)防類別劃分。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50023-2008將建筑抗震設(shè)防類別分為：特殊設(shè)防類、重點(diǎn)設(shè)防類、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類和適度設(shè)防類。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)階段的社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力雖然有了較大的提高，但仍屬于發(fā)展中國(guó)家的水平，如果結(jié)構(gòu)工程師能透徹地理解和執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的建筑抗震設(shè)防目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，正確運(yùn)用兩階段設(shè)計(jì)方法，就可做到既合理使用建設(shè)投資，又能達(dá)到抗震安全的要求。

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范. GB 50011-1010

[2]建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn) .GB 50023-2008

[3]建筑抗震與設(shè)計(jì)對(duì)策.中國(guó)計(jì)劃出版社. 2009

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.023