孟加拉國碼頭設(shè)計(jì)基本地震加速度分析

祁澤鵬 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司

孟加拉國是南亞經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國家，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場持續(xù)火爆。中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)研究院正在實(shí)施孟加拉吉大港地區(qū)的某碼頭項(xiàng)目，根據(jù)合同要求使用中國標(biāo)準(zhǔn)，但需滿足孟加拉國規(guī)范BNBC2020中的相關(guān)要求。由于多種原因造成無法進(jìn)行地震安全評(píng)估以獲取地震動(dòng)參數(shù)，因此需要利用項(xiàng)目所在國有限的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行工程抗震設(shè)計(jì)。各個(gè)國家的工程抗震設(shè)計(jì)要求不盡相同，為了同時(shí)滿足中國規(guī)范和孟加拉規(guī)范的相關(guān)抗震設(shè)計(jì)要求，本文將嘗試通過對(duì)BNBC2020和中國抗震規(guī)范中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行分析解讀，提出了應(yīng)用BNBC2020中地震動(dòng)加速度進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，為孟加拉國碼頭工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1.孟加拉國規(guī)范中的抗震設(shè)防目標(biāo)

在孟加拉國使用的最新規(guī)范《BANGLADESH NATIONAL BUILDING CODE 2020》（簡稱“BNBC2020”）中，將地震設(shè)防目標(biāo)表述為：“最大程度的降低所有結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高住宅結(jié)構(gòu)的預(yù)期使用性能，改善重要的結(jié)構(gòu)在震后的性能。通過設(shè)計(jì)和施工使結(jié)構(gòu)物在一次大地震完好無損在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。抗震設(shè)計(jì)的目的是在不危及結(jié)構(gòu)完整性的前提下，允許在結(jié)構(gòu)指定的位置發(fā)生塑性變形和結(jié)構(gòu)破壞，以此防止在大地震中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌”。

我國規(guī)范《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010（2016版）中對(duì)地震設(shè)防的目標(biāo)表述如下：“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)防烈度的設(shè)防地震影響時(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)?！?/p>

從抗震設(shè)防目標(biāo)而言，BNBC2020強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)在大地震中的倒塌是不允許的，重要結(jié)構(gòu)應(yīng)確保震后的工作性能，類似于我國“大震不倒，中震可修”的設(shè)防理念。

2.孟加拉國規(guī)范中的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

孟加拉國規(guī)范BNBC2020中將地震動(dòng)在結(jié)構(gòu)上的影響以理想化的彈性設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行體現(xiàn)，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的取值與最大考慮地震（MCE）、結(jié)構(gòu)延性系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)和規(guī)準(zhǔn)化加速度反應(yīng)譜有關(guān)。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜可用以下公式表達(dá)：

BNBC2020中將孟加拉國按照地震動(dòng)強(qiáng)度不同分成了4個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別定義了Z值。Z值等于各區(qū)域的最大考慮地震（MCE）在巖土或堅(jiān)硬土場地（SA類場地）的地震峰值加速度（PGA），MCE在50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率為2%。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震（DBE）取為MCE的2/3。

為了體現(xiàn)結(jié)構(gòu)非線性變形帶來的能量耗散和結(jié)構(gòu)的延性，在設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中設(shè)置了結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R對(duì)反應(yīng)譜進(jìn)行折減。同時(shí)，反應(yīng)譜中設(shè)置了重要性系數(shù)I，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的重要性對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值進(jìn)行調(diào)整，式中Cs是規(guī)準(zhǔn)化加速度反應(yīng)譜，其表達(dá)式如下：

表1 BNBC2020 場地相關(guān)彈性反應(yīng)譜參數(shù)

BNBC2020中場地類別根據(jù)地面下30m內(nèi)平均剪切波速（無剪切波速值時(shí)，可根據(jù)地面下30m內(nèi)實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)平均值進(jìn)行劃分）進(jìn)行劃分。

3.抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜各參數(shù)分析

3.1 地震分區(qū)系數(shù)Z

式（1）中對(duì)Z值除以1.5是為了保證孟加拉國各區(qū)在最大考慮地震（MCE）不同的情況下使各區(qū)的防結(jié)構(gòu)倒塌水平達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在BNBC 2020 中并未說明設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震（DBE）的超越概率，只是用2/3MCE取值。這類似于在美國標(biāo)準(zhǔn)IBC系列中，曾為了解決美國各地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度和年超越概率之間變化關(guān)系差異極大，造成了采用相同的概率水平的地震作為設(shè)計(jì)地震時(shí)，倒塌概率水平不同的情況所做的處理。美國西部多震地區(qū)50年超越概率2%地震相當(dāng)于50年超越概率10%地震加速度峰值的1.5倍，但美國中部地區(qū)達(dá)到5倍。美國規(guī)范[以50年超越概率2%作為極限地震（seismic margin）為全美國的地震動(dòng)劃區(qū)，再以極限地震的2/3作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震，使美國全國的抗震防倒塌水平達(dá)到統(tǒng)一。

3.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R和重要性系數(shù)I

BNBC2020中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算方法和美國標(biāo)準(zhǔn)IBC2018較為接近。結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R和重要性系數(shù)I是美標(biāo)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的重要參數(shù)，在BNBC2020提供的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中，筆者認(rèn)為可以理解為該公式使用R將最大考慮地震（MCE）進(jìn)一步進(jìn)行折減，I對(duì)其進(jìn)行放大，從而得到類似于我國抗震規(guī)范GB50011-2010（2016版）中定義的多遇地震的數(shù)值。這點(diǎn)與我國規(guī)范要求使用多遇地震的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的要求一致。BNBC2020中I取值在1～1.5之間，主要鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)延性系數(shù)R的取值范圍在3～8之間，石砌結(jié)構(gòu)的R值為1.5～2之間。

綜合上所述，該公式（1）以對(duì)MCE除以1.5轉(zhuǎn)化成DBE，再將DBE除以R/I（對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)而言類似于除以2～8）獲得類似多遇地震的估值，從而能進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震內(nèi)力計(jì)算。

3.3 規(guī)準(zhǔn)化加速度反應(yīng)譜Cs

Cs規(guī)準(zhǔn)化加速度反應(yīng)譜的表述與歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode8（EC8）中關(guān)于水平方向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的相關(guān)內(nèi)容是一樣的。不同之處是歐標(biāo)中有明確的50年超越概率10%地震峰值加速度為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)加速度，而BNBC2020中僅定義了50年超越概率2%的地震加速度峰值MCE。

圖1 孟加拉國規(guī)范BNBC2020中的地震分區(qū)

圖2 孟加拉國規(guī)范BNBC2020中的規(guī)準(zhǔn)化加速度反應(yīng)譜

4.中國抗震規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

中國抗震規(guī)范GB 50011-2010(2016版)中對(duì)于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜表圖3所示，和BNBC2020和歐標(biāo)EC8在設(shè)計(jì)反應(yīng)譜形狀上均由上升段、水平段和下降段組成。

圖3 中國抗震規(guī)范GB50011-2010(2016版)中的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

中國規(guī)范與BNBC2020的主要區(qū)別在于：

1）中國抗震規(guī)范沒有明確規(guī)定場地土質(zhì)對(duì)規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜的影響，土質(zhì)只影響特征周期Tg，BNBC2020中規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜大小和場地放大系數(shù)S有關(guān)，放大系數(shù)S取值范圍在1～1.4之間。在阻尼比同為0.05，場地同為完好基巖的情況下，BNBC2020規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜水平段數(shù)值為2.5，中國規(guī)范GB50011-2010(2016版)為1。

2）當(dāng)阻尼比為0.05，場地類別I0第一組，結(jié)構(gòu)自振周期在0.2s～1s時(shí)，中國抗震規(guī)范中規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜曲線下降段衰減指數(shù)為0.9，直線下降段衰減速度小于曲線下降段。BNBC2020在SA類場地（SA與中國抗震規(guī)范I0同類別），阻尼比0.05，結(jié)構(gòu)自振周期在0.2s～0.4s為水平段，0.4s～2s區(qū)間衰減指數(shù)為1，衰減速度大于同類場地下中國規(guī)范數(shù)值，在2s到4s段衰減指數(shù)為2，遠(yuǎn)超中國規(guī)范相應(yīng)數(shù)值。在BNBC2020中規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜周期只截止到4s，中國規(guī)范截止到6s。

從規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜的對(duì)比可以看出，在場地條件同為完好基巖的情況下，BNBC 2020 在水平段（0.2 s～Tg）規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜數(shù)值遠(yuǎn)高于中國規(guī)范GB50011-2010；BNBC2020在直線下降段（Tg～2s）的衰減指數(shù)略大于中國規(guī)范，在曲線下降段（結(jié)構(gòu)自振周期大于2s）時(shí)衰減指數(shù)遠(yuǎn)大于中國規(guī)范。

5.分析結(jié)論

1）BNBC2020設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中包含了對(duì)于50 年超越概率2%的地震加速度（MCE）的折減，但不能明確折減后的50年超越概率具體數(shù)值。如用中國規(guī)范GB50011-2010（2016版）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，不能直接引用2/3倍的Z值（DBE）作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)加速度。

2）在設(shè)計(jì)反應(yīng)譜公式中除了規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜值外其余各參數(shù)值均相同的情況下，對(duì)于結(jié)構(gòu)自振周期位于短周期（BNBC2020中0～Tc）的結(jié)構(gòu)，按照BNBC2020設(shè)計(jì)反應(yīng)譜計(jì)算的反應(yīng)譜值會(huì)遠(yuǎn)大于按照中國規(guī)范GB50011-2010(2016版)的計(jì)算值。結(jié)構(gòu)自振周期在長周期段，特別是大于2s的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)出現(xiàn)中國規(guī)范計(jì)算值高于BNBC2020的情況。

3）對(duì)于在孟加拉國境內(nèi)實(shí)施的擬采用中國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程，如果希望在進(jìn)行簡單的地質(zhì)勘察的情況下，使抗震設(shè)計(jì)成果同時(shí)滿足孟加拉國規(guī)范和中國規(guī)范，應(yīng)先利用孟加拉國境內(nèi)基于危險(xiǎn)性概率分析方法PSHA(Probabilistic Seismic Hazard Analysis)的研究成果或直接開展地震安全性評(píng)價(jià)活動(dòng)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際場地的類別和在BNBC2020中的地震區(qū)塊劃區(qū)，粗估擬建場地的50年超越概率10%的地震加速度值，以確定該場地在按中國規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)防烈度。