某印尼工程地震動參數及風荷載的換算研究

陳紹隆，徐建，徐華冰

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

隨著“一帶一路”倡議的逐步落實，越來越多的國內企業(yè)參與到“一帶一路”沿線國家的投資與建設當中。印度尼西亞作為東南亞地區(qū)的發(fā)展中大國，幅員遼闊，且人口眾多，是“一帶一路”上的重要一環(huán)，也是不少中資企業(yè)投資的重要目的國。目前，中國在印度尼西亞的建設工程項目多是由中方負責設計、采購、施工、試運行等全過程的EPC總承包項目。在中國現行規(guī)范中，主要采用的是抗震設防烈度、設計基本地震加速度和基本風壓等參數。而在歐美的規(guī)范體系中，使用的是地震動參數和基本風速等概念。

然而，在這些項目設計施工過程中，設計人員經常會遇到當地標準、規(guī)范與國內不一致的情況。因此，需要在設計前對不同體系規(guī)范中的不同參數進行換算，以使設計可以在某一指定的標準體系下進行。以建筑工程結構設計為例，地震動參數及風荷載參數是必須確定的關鍵參數，否則結構設計無法保證建筑在建設場地的安全性。國內外參數取值所使用的公式和方法存在差異，如不注意換算會造成結構設計安全問題，因此應謹慎對待。本文以某國內企業(yè)在印度尼西亞的EPC總承包項目為例，解讀印度尼西亞當地規(guī)范中的地震動參數、基本風速等相關參數，并將其轉換成中國現行規(guī)范中的抗震設防烈度、設計基本地震加速度值和基本風壓，探討如何利用兩國規(guī)范進行設計，互為校核，使設計成果滿足安全性和合規(guī)性的雙重要求。

1 項目背景

某項目位于印度尼西亞西努沙登加拉省的松巴哇島，項目總承包方為中國某公司。項目總占地面積598 783 m2，建筑面積125 322 m2。整個廠區(qū)分為兩個區(qū)域，一個廠區(qū)位于港口，主要用于設置倉庫；另一個廠區(qū)位于離港口約2.5 km的內陸，是主要廠區(qū)，大部分建構筑物在此廠區(qū)的。兩個廠區(qū)之間通過輸送管線和皮帶廊連接。該廠屬大型工業(yè)項目，建（構）筑物有約130個，主要單體的結構形式有單層門式剛架結構、多高層鋼框架結構、多高層鋼框架+柱間支撐結構以及鋼框排架結構等。該公司經與業(yè)主溝通，達成協(xié)議，確定項目設計、施工采用中國規(guī)范、標準。

2 地震動參數取值

地震動參數的取值是多層或高層鋼框架+支撐結構設計中一個非常重要的設計參數。尤其是在工業(yè)廠房中，大型設備位于廠房的高樓層處，水平地震作用對結構影響很大，因此結構設計多采用地震作用組合控制，高烈度地區(qū)尤其如此。

工業(yè)廠房中單層門式剛架輕鋼結構和鋼框架+排架的結構形式使用比較普遍。其中，單層門式剛架輕鋼結構主要用于倉庫類建筑。其結構形式抗震性能良好，變形或位移限制相對寬松，風荷載對單層的門式剛架起控制作用，因此基本風壓在門式剛架的結構中是非常關鍵的參數。鋼框架+排架的結構形式，即底部2～3層為鋼框架，上部由于工藝需求配置行車，從而形成排架結構。對于這種結構形式，地震作用和風荷載均有可能成為控制作用，需要結合工程實際具體計算分析。

2.1 建設地條件

根據業(yè)主提供的建設地條件，中方團隊掌握到以下參數：1）場地風險類別為II；2）重要性系數為1.0；3）抗震設計類為D類；4）地面峰值加速度為0.5 g；5）MCER—響應譜最大為1.1 g。

業(yè)主提供的投標階段工程地質勘察報告中提及“在提議的+15 m的廠房最終地面高程區(qū)域內，計算出的平均SPTs（標準貫入試驗）表明，有9個鉆孔點被劃分為場地級SE(軟土壤)，22個鉆孔為立地級SD(中等土壤)，7個鉆孔為立地級SC(硬土或軟巖)。在提議的+19 m的廠房最終地面標高區(qū)域內，有1個鉆孔點被劃分為Site Class SE(BH-X1)，2個鉆孔點被劃分為SD(BH-X2和BH-X4)，1個鉆孔點被劃分為SC（BH-X3）”。根據上述內容，可以確定該項目大部分場地類別為SD類(中等土壤)。

2.2 地震動參數的計算

地震動參數的計算有3種計算方法，可互相驗證計算結果，以保證參數取值的準確。

2.2.1 計算方法1

可根據羅開海、王亞勇的《中美歐抗震設計規(guī)范地震動參數換算關系的研究》[1]一文中提出的中美歐抗震設計規(guī)范地震動參數換算關系公式進行計算。

式中：Acc為中國規(guī)范Ⅱ類場地上475年重現期地震基本地面運動峰值加速度；Tg為與美國規(guī)范IBC—2003中的C類或D類場地相對應的Ⅱ類場地的反應譜特征值。Fa為反應譜短周期段場地系數；Fv為反應譜長周期段場地系數；γus為2 500年重現期（50年超越概率2%）的0.2 s譜加速度與475年重現期（50年超越概率10%）的0.2 s譜加速度的比值；S1為反應譜1 s處B類土，阻尼比為5%的最大考慮地震（重現期為2 475年）下加速度反應譜值；Ss為反應譜0.2 s處B類土，阻尼比為5%的最大考慮地震（重現期為2 475年）下加速度。

公式中各相關參數獲得如下：

1）S1、Ss。業(yè)主提供的資料《項目現場地震危險性分析報告》中顯示，見表1。

表1 平均5%阻尼幾何平均水平加速度 g

根據參數定義，從表1中可以查出S1=0.395 g，Ss=1.459 g。

2）Fa、Fv。根據美國荷載規(guī)范《建筑物和其他結構最小設計荷載》（ASCE 7-16）表11.4-1，查得場地系數Fa=1.0（場地類別為D類）。根據ASCE 7-16表11.4-2查得場地系數Fv=1.905（場地類別為D類）。短周期場地系數Fa、長周期場地系數Fv相關取值見表2、表3。

表2 短周期場地系數Fa

表3 長周期場地系數Fv

注：1）參閱ASCE/SEI 7-16第11.4.8節(jié)對特定場地的地面運動的要求。

3）γUs。根據表1，γUs為2 500年重現期（50年超越概率2%）的0.2 s譜加速度為1.459g，475年重現期（50年超越概率10%）的0.2 s譜加速度為0.802g。γUs=1.459/0.802=1.819。

根據上述參數計算得：Acc=0.32 g，Tg=0.516 s。

2.2.2 計算方法2

方法2同樣根據式（1）、式（2）進行計算，但參數選取方式有所不同。1）通過當地網站提供的資料，可以查出以下參數：S1=0.416 5 g；Ss=1.061 6 g；PGA=0.480 2 g。2）根據總包方提供的資料，查表得Fa=1.075，Fv=1.883 5。3）根據參考文獻[1]中規(guī)定國際上統(tǒng)一將γUs=1.5。根據式（1）、式（2）計算得：Acc=0.304 g；Tg=0.687 4 s。

2.2.3 計算方法3

2000年以后的《國際建筑規(guī)范》IBC系列，采用以50年超越概率2%來定義的最大考慮地震作為極限地震，并以此進行全美國的地震動區(qū)劃；以最大考慮地震的2/3(1.5的倒數）作為設計地震，使美國的防倒塌水平達到統(tǒng)一[1]。

據此，設計人員只需從總承包方或業(yè)主方得到PGA，就可以直接計算出設計地震加速度值。根據總承包方通過當地有關網站提供的資料，可以查出項目地點的參數PGA值為0.480 2 g，則相應設計地震的地面加速度值為0.480 2×2/3=0.320 1 g。

2.3 分析結果

該項目《巖土工程勘察報告》提到“平均峰值基巖加速度為0.32 g，持續(xù)時間為19～26 s，推薦用于地震穩(wěn)定性分析”。這相當于《統(tǒng)一建筑規(guī)范》(UBC)地震帶3的指定，其相關加速度為0.3 g。

綜上分析，得出以下結論：項目結構設計按中國現行規(guī)范設計，抗震設防烈度可以取值為8度，設計基本地震加速度值為0.3 g。

3 風荷載參數取值

3.1 基本風速資料依據核證

根據業(yè)主提供的建設地條件資料，基本風速為34.7 m/s，但是此基本風速的來源條件并沒有描述，若簡單地參考國內的海邊城市的建設經驗進行設計，顯然無理論依據，因此在設計前首先需弄清此基本風速是在哪種條件下測得的：是依據《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）相關要求，按離地10 m高，觀測時距為10 min的自記，平均年最大風速數據，且經統(tǒng)計分析確定為重現期為50年的最大風速；還是依據ASCE 7-16，按地面粗糙類別為C、距地面10 m高度處、時距 為3 s等條件測得的風速值。

若是按中國規(guī)范標準測得，那么根據《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）第8.1.2條條文說明中的公式ω0=v02/1 600，可計算出基本風壓值ω0=0.753 kN/m2。若是按美國規(guī)范標準測得，根據《論述中美風荷載的換算關系》一文中的換算公式V中=0.7V美，計算得V中=24.29 m/s，ω0中=v02/1 600=0.369 kN/m2。二者有較大差距。

根據后期業(yè)主有關基本風速的回復郵件可知：1）他們的參考文獻、標準和文獻主要為《建筑和其他結構的最小設計荷載》（SNI-1727）、澳大利亞規(guī)范《亞太地區(qū)設計風速》（HB-212-2002）、J.D.Holmes的著作Wind Loading on Structures。2）根據SNI 1727,基本風速是在觀測時距為3 s陣風速度觀測高度高出地面10 m,地面粗糙類別為C類的條件下測得，這個基本風速由授權機構根據建構筑物的風險類別確定，因為印尼當地沒有任何有關的描述圖。3）業(yè)主方用HB-212-2002計算了印度尼西亞許多地方的基本風速。根據文獻，整個印度尼西亞地區(qū)的基本風速為34.7 m/s，重現期約為100 a。然而，如果考慮50年的重現期，該值減少到32.1 m/s。4）在J.D.Holmes的書中，印度尼西亞處于極端風級的第I區(qū)，基本風速取為35 m/s。5）根據SNI-1727/ASCE-7進行風荷載計算時，建議參考RFP規(guī)定的基本風速34.7 m/s。

從上述信息可以明確，基本風速是根據美國規(guī)范標準測得，轉換成中國現行規(guī)范的基本風壓為0.37 kN/m2。

3.2 分析結論

由于項目地點位于海邊，考慮國內設計團隊對當地實際情況并不是十分了解，最主要的設計依據是總包方以及業(yè)主方的郵件回復，因此對基本風壓的取值比較有顧慮。相較于中國國內的海邊城市而言，基本風壓取值為0.37 kN/m2，取值偏小，甚至小于國內內陸城市的取值。

但經查閱相關資料[3]，設計人員發(fā)現該地區(qū)位于赤道無風帶，這就解決了有關項目地點位于海邊，基本風壓卻取值為0.37 kN/m2疑慮。赤道無風帶是出現在赤道附近對流層底層風向多變的弱風或無風帶，一般位于赤道附近南、北緯5°之間的地帶。這里太陽終年近乎直射，是地表年平均氣溫最高的地帶。該地帶溫度的水平分布比較均勻，水平氣壓梯度很小，氣流以輻合上升為主，風速微弱。本項目所在地松巴哇島位于東經116°45′32.2′′，南緯8°55′12.95′′，從地理位置上看位于近赤道，鄰近赤道無風帶。

綜合考慮，本項目結構設計按中國現行規(guī)范，基本風壓建議取0.40 kN/m2。

4 結論

綜上所述，設計人員應該在結合工程實際的前提下，相對保守地取值。結構設計參數不能僅憑經驗判斷進行取值，尤其是重要的結構設計參數，需要找到確鑿的信息和規(guī)范依據，甚至是通過多種方法互相驗證，才能保證設計參數的準確性。