中菲規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)確定方法的對(duì)比分析

彭殿東 武 濤 趙建峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 問題的提出

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科研實(shí)力的增強(qiáng)，海外工程勘察設(shè)計(jì)和咨詢市場(chǎng)逐步拓寬，海外工程不再局限于經(jīng)援項(xiàng)目，更多的是發(fā)展中和發(fā)達(dá)國家的商業(yè)項(xiàng)目。一般的商業(yè)項(xiàng)目多要求采用所在國的勘察設(shè)計(jì)規(guī)范或歐美規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就需要勘察設(shè)計(jì)人員熟悉采用的國外規(guī)范并詳細(xì)了解不同規(guī)范間的差異，為承包商簽訂合同提供有力技術(shù)支撐，為勘察設(shè)計(jì)文件咨詢審批創(chuàng)造有利條件。作者參與了菲律賓北呂宋鐵路項(xiàng)目建設(shè)的全過程，對(duì)中菲兩國地震動(dòng)參數(shù)確定方法進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，供同行從事國外勘察設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)借鑒。

2 抗震設(shè)防

中菲兩國規(guī)范關(guān)于建筑抗震設(shè)計(jì)的目的、目標(biāo)和地震作用存在著較大的差異。中國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(以下簡(jiǎn)稱“GB”)采用“三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)”的抗震設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，即“小震不倒，中震可修，大震不壞”，分別對(duì)應(yīng)于以50年超越概率63.2%、10%和2%～3%的地震作用。菲律賓國家結(jié)構(gòu)規(guī)范-2010第6版(以下簡(jiǎn)稱“NSCP”)208.1.1條款只是做出了以下簡(jiǎn)要的說明:“避免結(jié)構(gòu)倒塌和人身傷亡”，采用單一的設(shè)防水準(zhǔn)，即以50年超越概率10%的地震作用作為基準(zhǔn)設(shè)防地震作用。

因此，中國GB抗震的設(shè)防目標(biāo)相比菲律賓NSCP規(guī)范概念清晰、目標(biāo)明確。根據(jù)兩國規(guī)范、相關(guān)文獻(xiàn)及研究報(bào)告，現(xiàn)將中菲兩國規(guī)范中的設(shè)防水準(zhǔn)及目標(biāo)列于表1。

表1 中菲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)防水準(zhǔn)及目標(biāo)

3 場(chǎng)地類別

隨著對(duì)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的增多以及對(duì)重大工程地震安全性評(píng)價(jià)的深入研究，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地地質(zhì)條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)有著較大的影響。因此，GB和NSCP抗震規(guī)范都考慮了場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響，但兩者關(guān)于場(chǎng)地類別及劃分方法存在著較大的差別，見表2、表3和表4。

表2 中國GB場(chǎng)地類別的劃分

表3 中國GB各類建筑場(chǎng)地的覆蓋層厚度 m

表4 菲律賓NSCP場(chǎng)地類別的劃分

通過上述對(duì)GB和NSCP場(chǎng)地類別劃分方法的分析，可見:

(1)場(chǎng)地類別劃分不同。GB中將場(chǎng)地類別劃分為4類，其中，Ⅰ類場(chǎng)地分為Ⅰ0、Ⅰ1兩個(gè)亞類;NSCP則將場(chǎng)地劃分為6類。GB規(guī)范將波速500m/s的硬土作為基巖的界限，更多的是限于勘探深度;而NSCP規(guī)范將760m/s和1500m/s作為軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖的波速界限，也就顯得更加詳細(xì)合理。

(2)場(chǎng)地類別的判別因素不同。GB考慮等效剪切波速和覆蓋層兩個(gè)因素，而NSCP只考慮場(chǎng)地土或波速一個(gè)因素，也可能由于NSCP規(guī)范評(píng)價(jià)土層深度較大，故未再考慮覆蓋層厚度的影響。場(chǎng)地類別的詳細(xì)程度與對(duì)應(yīng)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期的精準(zhǔn)度相關(guān)，從建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和提高工程設(shè)防投資的效果來講，都具有十分重要意義。

(3)場(chǎng)地類別確定時(shí)考慮地面下土層的深度不同。GB中采用等20m范圍內(nèi)等效剪切波速進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)還考慮了覆蓋層厚度的影響。NSCP采用30m范圍內(nèi)等效剪切波速進(jìn)行評(píng)價(jià)，并同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和不排水剪切強(qiáng)度等列為場(chǎng)地評(píng)價(jià)的輔助標(biāo)準(zhǔn)。

(4)特殊場(chǎng)地評(píng)價(jià)不同。特殊土層如震陷、液化、軟土、高塑性土等，地震作用顯著不同，在GB中并未加以詳細(xì)規(guī)定，而是統(tǒng)一采用等效剪切波速區(qū)分。而NSCP要求對(duì)于特殊土層單獨(dú)分出來進(jìn)行甄別，是考慮到沿海沉積物特點(diǎn)，以便于單獨(dú)分析和專項(xiàng)研究。

4 地震動(dòng)參數(shù)及其確定方法

中國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定:一般情況下，我國建筑的抗震設(shè)計(jì)可按國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》規(guī)定的地震動(dòng)參數(shù)執(zhí)行，即地震動(dòng)峰值加速度、地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期直接從中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖上獲取。但地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期需根據(jù)場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組進(jìn)行調(diào)整。菲律賓關(guān)于動(dòng)峰值加速度的方法與我國基本相同，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期的確定方法與我國存在著較大差別。

4.1 動(dòng)峰值加速度

菲律賓確定峰值加速度的方法與我國基本相同，根據(jù)地震區(qū)劃圖獲得，但是地震動(dòng)峰值加速度數(shù)值差別較大。

菲律賓板塊屬地震活躍區(qū)域，是世界上地震最活躍的國家之一。從圖1中可以看出，菲律賓80%國土位于地震 4區(qū)(0.4g)，部分地區(qū)位于地震 2區(qū)(0.2g)，少數(shù)地區(qū)則高達(dá)0.6g;而在我國(見圖2)，只有位于地震帶四川、云南、西藏、甘肅、臺(tái)灣等省市的少數(shù)縣市為9度(0.4g)設(shè)防區(qū)。中菲兩國地震動(dòng)峰值加速度詳見表5和表6。

圖1 律賓NSCP地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖

圖2 中國GB地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖

表5 菲律賓NSCP地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃

表6 中國GB地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃

4.2 反應(yīng)譜

(1)理論基礎(chǔ)

對(duì)地震動(dòng)反應(yīng)譜形狀有重要影響的因素是震級(jí)、距離和場(chǎng)地條件。中菲兩國規(guī)范中地震動(dòng)反應(yīng)譜的理論基礎(chǔ)相同，計(jì)算公式類似，見公式(1)。式中am和βm、T0、Tg、x 分別表示設(shè)計(jì)地震的峰值加速度和放大系數(shù)反應(yīng)譜的平臺(tái)值、第一拐點(diǎn)周期值、第二拐點(diǎn)周期值、下降段下降速度控制參數(shù)。

(2)中國GB規(guī)范

中國GB規(guī)范采用的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是取相同場(chǎng)地條件下的多個(gè)加速度記錄，并取阻尼比ζ=0.05，得到相應(yīng)于該阻尼比的加速度反應(yīng)譜，除以每一條加速度記錄的最大加速度，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析取綜合平均并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷并進(jìn)行平滑化處理得到“標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜”，將標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜乘以地震系數(shù)(相當(dāng)于7、8、9度烈度峰值加速度與重力加速度的比值)，即為規(guī)范采用的地震影響系數(shù)，或稱為抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

除有專門規(guī)定外，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)取0.05，地震影響系數(shù)曲線的阻尼調(diào)整系數(shù)應(yīng)按1.0采用，形狀系數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定:

①直線上升段，周期小于0.1 s的區(qū)段。

②水平段，自0.1 s至特征周期區(qū)段，應(yīng)取最大值(αmax)。

③曲線下降段，自特征周期至5倍特征周期區(qū)段，衰減指數(shù)應(yīng)取0.9。

④直線下降段，自5倍特征周期至6 s區(qū)段，下降斜率調(diào)整系數(shù)應(yīng)取0.02。

特征周期不僅與場(chǎng)地類別有關(guān)，而且還與地震分區(qū)有關(guān)，同時(shí)也反應(yīng)了震級(jí)大小、震中距和場(chǎng)地條件的影響。罕遇地震作用時(shí)，特征周期Tg值也適當(dāng)延長(zhǎng)。根據(jù)場(chǎng)地類別的特征周期分組可按表7采用，計(jì)算8、9度罕遇地震時(shí)，特征周期應(yīng)增加0.05 s。(周期大于6.0 s的建筑結(jié)構(gòu)所采用的地震影響系數(shù)應(yīng)專門研究)

表7 水平地震影響系數(shù)最大值

計(jì)算地震作用標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，阻尼比為0.05的水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)按表8采用。

不同阻尼比的地震影響系數(shù)不同，隨著阻尼比的減小，地震影響系數(shù)增大，其增大的幅度則隨周期的增大而減小。

中國 GB規(guī)定，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比不等于0.05時(shí)，水平地震影響系數(shù)曲線仍按圖2確定，但形狀參數(shù)應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

表8 水平地震影響系數(shù)最大值

曲線下降段的衰減指數(shù)按下式確定

式中 γ——曲線下降段的衰減指數(shù);

ζ——阻尼比。

直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)應(yīng)按下式來確定

式中，η1-直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)，小于0時(shí)取0。

阻尼調(diào)整系數(shù)應(yīng)按照下式確定

式中，η2-阻尼調(diào)整系數(shù)，小于0.55時(shí)取0.55

(3)菲律賓NSCP規(guī)范

菲律賓NSCP規(guī)定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線如圖3。確定地震反應(yīng)譜特征周期時(shí)考慮因素較多，如震源類型、場(chǎng)地類別、地震影響系數(shù)、震源距離等。

圖3 菲律賓NSCP地震動(dòng)反應(yīng)譜

4.3 中菲規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)對(duì)比

表9中Ka、Kβ分別表示每一類場(chǎng)地上的設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度am和放大系數(shù)反映的平臺(tái)值βm與Ⅰ或Sa類(巖石)場(chǎng)地上的值之比。

分析表9所給參數(shù)值，可得到中菲兩國規(guī)范地震動(dòng)反應(yīng)譜之間的如下共同點(diǎn)和差異:

(1)中國GB規(guī)范地震影響系數(shù)曲線中水平段起始周期T0定為0.1 s，對(duì)于一般工程都是經(jīng)過反應(yīng)譜平臺(tái)值求得的，便于工程設(shè)計(jì)操作。而菲律賓NSCP規(guī)范則給出了0.2Tg的計(jì)算方式，與特征值周期值相聯(lián)系。

表9 GB和NSCP中地震動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)于不同類型場(chǎng)地的取值

(2)菲律賓NSCP考慮了不同場(chǎng)地條件對(duì)am的影響;即較軟弱場(chǎng)地對(duì)am具有較大的放大作用，Ka為1.00～4.375。在同一地震動(dòng)強(qiáng)度時(shí)隨著場(chǎng)地變軟，場(chǎng)地系數(shù)變大，在同一類別場(chǎng)地中，隨著地震動(dòng)強(qiáng)度提高相應(yīng)的值減小。雖然國內(nèi)諸多學(xué)者和機(jī)構(gòu)對(duì)于不同場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響做了大量的研究，且得到了“在同一場(chǎng)地類別時(shí)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度提高，相應(yīng)的場(chǎng)地系數(shù)值普遍減小，但在同一地震動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，各類場(chǎng)地系數(shù)變化規(guī)律不同(有變大，亦有變小)”的結(jié)論，中國GB并未采納，即不考慮不同場(chǎng)地條件對(duì)am的影響，Ka為1.0。

(3)菲律賓NSCP和中國GB的放大系數(shù)反映平臺(tái)值βm均為常數(shù)，但 NCSP的 βm取值要略大于中國GB。

(4)菲律賓NSCP未考慮曲線段衰減指數(shù)γ，而中國GB考慮了衰減指數(shù)的影響，取值為0.90。

5 結(jié)束語

通過對(duì)中菲兩國地震動(dòng)參數(shù)及其確定方法的比較分析，反映了以下問題:

(1)中國的抗震設(shè)計(jì)采用“三設(shè)防”的指導(dǎo)原則，菲律賓抗震設(shè)計(jì)為“一防水準(zhǔn)”，中國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范給出了比較明確具體的分層次設(shè)防目標(biāo)。

(2)對(duì)于場(chǎng)地分類，中國GB規(guī)范的場(chǎng)地土評(píng)價(jià)厚度與探勘深度相對(duì)較小。而NSCP中對(duì)地震影響因素進(jìn)行了詳細(xì)說明，并給出了具體的影響系數(shù)，便于設(shè)計(jì)人員采用。相對(duì)而言，菲律賓規(guī)范在場(chǎng)地分類、地震影響因素等方面考慮更為細(xì)致。兩國規(guī)范基本原理一致，都采用反應(yīng)譜特征地震影響系數(shù)曲線，只是菲律賓NSCP規(guī)范沒有過多的簡(jiǎn)化處理。我國規(guī)范規(guī)定的參數(shù)操作性更強(qiáng)。

(3)菲律賓NSCP著重考慮了軟弱場(chǎng)地對(duì)地震的放大作用，而中國GB在此部分存在一定的欠缺，即沒有考慮地震動(dòng)峰值加速度或反應(yīng)譜(放大系數(shù)譜)平臺(tái)值的場(chǎng)地調(diào)整。不同類別場(chǎng)地地震影響系數(shù)形狀參數(shù)的水平段起始周期都是0.1 s，而0.1 s以下的直線下降段屬人為連線。但在國內(nèi)一些重大工程中已經(jīng)開展軟弱場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)峰值加速度或反應(yīng)譜(放大系數(shù)譜)平臺(tái)值的場(chǎng)地調(diào)整的影響的研究。這些對(duì)于中國GB規(guī)范的修訂和完善具有一定的補(bǔ)充意義。

(4)中國規(guī)范明確了阻尼比不等于0.05時(shí)地震影響系數(shù)曲線的阻尼調(diào)整系數(shù)和形狀參數(shù)的規(guī)定，具有一定的可操作性，適應(yīng)不同建筑的設(shè)計(jì)需要。

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