中國與孟加拉國地震動參數(shù)對比研究

華麗晶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

孟加拉國自然環(huán)境和地質條件較復雜，基礎建設發(fā)展相當落后[1-4]，在近幾年共建“一帶一路”倡議的推動下，中國在孟加拉國承擔的鐵路、道路和市政等工程項目日益增多[5-6]。但孟加拉國位于地震活躍地帶，這些項目的巖土工程勘察與設計均需執(zhí)行孟加拉抗震標準或國際抗震標準[7]。

我國GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范(2016年版)[8]、GB 18306—2015中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[9]、GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準[10]等抗震設計標準均屬于中國工程勘察與設計行業(yè)的通用標準。孟加拉建筑規(guī)范中關于地震作用的規(guī)定是依據美國規(guī)范的體系編制的，如孟加拉國建筑規(guī)范《Bangladesh National Building Code 2020》[11]大體上是基于IBC-06國際建筑規(guī)范[12]和美國土木工程協(xié)會標準ASCE 7-05 建筑物和其他構筑物最小設計荷載[13]制定的。雖然目前中國與世界其他國家抗震理念相似，但由于規(guī)范體系的差異，中國抗震規(guī)范和孟加拉國抗震規(guī)范從設計理念至抗震計算公式區(qū)別均較大。將我國工程抗震規(guī)范與孟加拉國工程抗震規(guī)范進行比較，找到這些抗震規(guī)范之間的內部聯(lián)系和區(qū)別，可將孟加拉國的工程勘察資料按照國內相關規(guī)范進行相互對比與相互轉換，方便中國工程師快速掌握當?shù)氐目拐鹪O計要求，正確選擇和應用各項工程抗震參數(shù)，在滿足當?shù)毓こ炭拐鹨?guī)范的前提下進行工程抗震設計，有利于順利開展建筑工程項目。

本文以孟加拉國建筑規(guī)范《Bangladesh National Building Code 2020》BNBC(2020)Part 6為藍本，對其中地震動參數(shù)設計理念、地震區(qū)劃、場地類型和設計反應譜等多方面進行了論述，將國內的主要工程抗震規(guī)范和孟加拉國BNBC2020進行對比，以滋相關專業(yè)勘察設計人員進行探討與參考。

1 抗震設防標準

目前中國普遍采用《建筑抗震設計規(guī)范》《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》《建筑工程抗震設防分類標準》等抗震設計規(guī)范，其中抗震標準和兩圖一表的相互結合為國標的基本特征。

中國抗震規(guī)范包含的主要概念有：超越概率、重現(xiàn)期、土的類型、場地類型、設計基本地震加速度、設計特征周期、抗震設防烈度、地震基本烈度以及地震分組等。具有以下特征：采用“三水準設防目標，兩階段設計步驟”；依據巖土名稱和性狀，并結合土層剪切波速劃分土的類型；地震區(qū)劃圖采用的50 a超越概率10%，場地條件為硬土，即Ⅱ類場地作為標準場地；采用了雙軌制的辦法，同時使用地震動參數(shù)區(qū)劃圖與地震烈度區(qū)劃圖，即設計基本地震加速度與基本地震烈度；地震動參數(shù)有：峰值加速度、加速度反應譜特征周期值與加速度反應譜平臺值。

目前孟加拉國普遍采用孟加拉國建筑抗震設計遵循《國家建筑規(guī)范》即《Bangladesh National Building Code》(下文簡稱 BNBC2020)。BNBC2020適用于該規(guī)范規(guī)定的所有建筑物或構筑物。

BNBC2020規(guī)范包含的主要概念有：超越概率、場地類型、峰值加速度、加速度反應譜特征周期值、地震分區(qū)系數(shù)等。具有以下特征：采用單一的抗震設防目標和概率設計理念；采用三個指標對建筑場地進行分類：土層標貫次數(shù)、剪切波速和不排水剪切強度，將場地劃分為7類；地震分區(qū)圖采用最大考慮地震MCE和設計基準地震DBE來衡量地震作用；主要地震動參數(shù)包括峰值加速度PGA與加速度反應譜特征周期值Tc等。

1.1 建筑重要性類別

BNBC2020規(guī)范根據建筑物和其他構筑物使用性質，按照建筑物倒塌對人類生命的后果、對震后即刻的公共安全和民防的重要性以及倒塌的社會和經濟后果，將建筑物分為四類，如表1所示。建筑物類別從Ⅰ到 Ⅳ，其中Ⅰ類代表在發(fā)生故障時對人類生命危害較小的建筑物和其他構筑物，Ⅳ類代表關鍵設施。每個建筑物或其他構筑物應被分配到最高適用的使用分類級別。應允許根據用途和評估的荷載條件類型將同一結構劃分為多個使用類別。按照表1所劃分的建筑物類別，根據使用類別的不同，建筑物可以采用大于1的重要性系數(shù)來設計更高的地震力。

表1 建筑物分類及重要性系數(shù)

1.2 抗震設防標準

《建筑抗震設計規(guī)范》中抗震設防目標可總結為：“大震不倒、中震可修和小震不壞”。

BNBC2020中抗震設防目標：為新結構物的設計和施工提供指導，以在遭受地震地面運動時將所有的結構壽命風險降到最低；與普通建筑相比，增加高使用率建筑的預期性能，并改進關鍵性結構在地震后的功能；在重大地震中設計和建造建筑物而不造成任何損害，在經濟上是不容許的。因此，在不影響結構體完整性的情況下，在結構的首選位置允許非彈性變形與結構破壞的產生，且防止在大震時結構倒塌。

從抗震設防目標而言，BNBC2020與《建筑抗震設計規(guī)范》相似，規(guī)定結構在大震中不能倒塌，對于重要的結構需保證地震后的工作性能，類似于《建筑抗震設計規(guī)范》中“大震不倒，中震可修”的抗震設防理念。

2 地震動參數(shù)相關規(guī)定及對比分析

2.1 地震區(qū)劃

《建筑抗震設計規(guī)范》是依據50 a超越概率10%的地震基本烈度(中震)將我國劃分為四個區(qū)(6度、7度、8度、9度)，然后按每個區(qū)50 a超越概率63%的眾值烈度(小震)的地面運動加速度峰值來計算地震作用。

BNBC2020定義地震的影響采用最大考慮地震，其在50 a有2%的超越概率。BNBC2020中地震作用是用最大考慮地震MCE和設計基準地震DBE來衡量。根據地震震中分布、地面運動衰減、地球物理和構造數(shù)據等，將全國劃分四個地震區(qū)，每個地震分區(qū)對應一個分區(qū)系數(shù)Z，其代表在非常堅硬的土壤或巖石(SA場地)上考慮的最大地震動峰值加速度(PGA)，詳如表2所示。將PGA與分區(qū)系數(shù)的乘積乘以2/3可得到設計基準地震，再修正系數(shù)可得計算到地震作用。BNBC2020未明確DBE的超越概率，但可取為5%～10%。

表2 孟加拉地震分區(qū)系數(shù)

2.2 場地類型

《建筑抗震設計規(guī)范》判定根據覆蓋層厚度與剪切波速，將場地分成4類(Ⅰ類包含兩個亞類：Ⅰ0與Ⅰ1)，其中覆蓋層厚度最大為20 m。

BNBC2020基于場地地表以下30 m以內的土壤特性(標貫擊數(shù)、平均剪切波速、不排水抗剪強度)，將場地劃分為SA,SB,SC,SD,SE,S1和S2類型，詳見BNBC2020規(guī)范，其中覆蓋層計算厚度為30 m。

BNBC2020中SA類場地的平均剪切波速大于800 m/s，近似于《建筑抗震設計規(guī)范》中的Ⅰ0類場地；但BNBC2020中其他各類型場地的覆蓋土層的描述和平均剪切波速均無法與《建筑抗震設計規(guī)范》準確對應。BNBC2020中SE類場地，基巖埋深介于5 m與20 m之間時，《建筑抗震設計規(guī)范》判定為Ⅱ類，而BNBC2020認為SE類場地下地震會對建筑結構產生較大影響，應增大地震設計參數(shù)；S1和S2場地下，BNBC2020要求開展專門的設計反應譜研究，但《建筑抗震設計規(guī)范》只需根據覆蓋層厚度，按Ⅲ類或Ⅳ類場地開展抗震設計。因此BNBC2020抗震要求最嚴格。

2.3 地震動峰值加速度

2.3.1 中國標準與孟加拉標準設計地震動峰值加速度異同

BNBC2020定義巖石或非常堅硬的土壤，即SA場地，設計基準地震動峰值加速度PGA=2/3(ZI/R)，然而，在設計中，地震動是通過反應衰減系數(shù)R以及結構重要性系數(shù)I來修正的，因此：

(1)

BNBC2020抗震設計中，地震動參數(shù)主要為地震區(qū)劃或地震區(qū)劃系數(shù)Z，即地震動峰值加速度，反應譜曲線中的TC對應于《建筑抗震設計規(guī)范》中的特征周期Tg，然后根據場地土分類、建筑物重要性系數(shù)I、結構自振周期T、反應修正系數(shù)(結構體系阻尼比)R通過簡化方程系列修正得到相應場地的設計地震動峰值加速度。

《建筑抗震設計規(guī)范》給出了Ⅱ類場地抗震設防烈度與基本地震動峰值加速度。而BNBC2020明確了SA類場地下最大考慮地震加速度，近似于《建筑抗震設計規(guī)范》中Ⅰ0類場地下罕遇地震峰值加速度。

2.3.2 中國標準與孟加拉標準設計地震動峰值加速度的轉換

《建筑抗震設計規(guī)范》列出了Ⅱ類場地下PGA向其他場地類別變化的系數(shù)Fa，因此Ⅰ0類場地罕遇地震動PGA可以反過來計算Ⅱ類場地下罕遇地震動PGA，根據《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的附錄E得出式(2)：

amax(Ⅱ，50,2%)=amax(Ⅰ0，50,2%)/Fa

(2)

其中，amax(Ⅱ,50,2%)為Ⅱ類場地下罕遇地震動PGA；amax(Ⅰ0,50,2%)為Ⅰ0類場地下罕遇地震動PGA；Fa為場地調整系數(shù)，取值參照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的附錄E。

從技術層面來講，目前貴州省內可研發(fā)并應用的農機化優(yōu)化技術很多，當然，整體思路還是要做到因地制宜，積極創(chuàng)新采用多模式實現(xiàn)農作物水稻的育插秧機械化，推廣工廠化育秧技術和集中播種分散育秧技術。另外就是要全面推廣庭院小棚育秧、拌漿育秧這些適合于個體農戶的農機化技術，做到農機化技術工藝優(yōu)化點面結合，切實解決困擾省內多年的水稻機設備插秧育秧難的現(xiàn)實難題。

由于BNBC2020中SA類場地最大考慮地震PGA近似于中國規(guī)范中Ⅰ0類場地罕遇地震PGA，因此可得式(3):

amax(Ⅱ，50,2%)=amax(SA，50,2%)/Fa

(3)

中國規(guī)范中基本地震動PGA是罕遇地震動PGA的確定基準，因此可根據Ⅱ類場地罕遇地震動PGA反過來計算基本地震動PGA，得出式(4)：

amax(Ⅱ，50,10%)=amax(Ⅱ，50,2%)/K

(4)

根據式(3)和式(4)可知：

amax(Ⅱ，50,10%)=amax(SA，50,2%)/(Fa·K)

(5)

其中，K為Ⅱ類場地下罕遇地震動PGA與基本地震動PGA之比，其取值分別見《建筑抗震設計規(guī)范》《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》。

根據式(5)分別轉換計算孟加拉國四個不同地震分區(qū)下的最大考慮地震加速度amax(SA，50，2%)=0.12g,0.20g,0.28g,0.36g，換算結果如表3所示。

表3 中國地震加速度分區(qū)與孟加拉國地震分區(qū)的換算關系

2.4 地震反應譜

地震反應譜為既定地震加速度作用下，質點自振周期對單質點體系彈性最大反應的影響曲線。在各國抗震標準中，彈性反應譜理論仍是現(xiàn)階段抗震設計的最基本理論[15]。

2.4.1 設計反應譜加速度

反應譜基于彈性分析，但為了考慮非彈性變形引起的能量耗散和結構冗余，通過引入反應修正系數(shù)R來降低譜加速度[16]。結構設計時，選取最大考慮地震(MCE)地震動水平的2/3作為設計基本地震(DBE)。設計地震的譜加速度由式(6)給出。

(6)

其中，Sa為設計譜加速度(不小于0.67bZIS，g)；b為用于計算設計譜加速度Sa下限的系數(shù)，推薦值為0.15；Z為地震分區(qū)系數(shù)，取值見表2;I為結構重要性系數(shù)，取值見表1；R為反應衰減系數(shù)，根據結構體系類型取值，取值詳見BNBC2020規(guī)范，I/R比值不能大于1；Cs為結構(建筑物)周期和土壤類型(場地等級)函數(shù)關系標準化的加速度反應譜。

基于非彈性分析的反應譜，直接使用設計基本地震(DBE)，根據式(6)(采用R=1，I=1)獲取對應的設計加速度反應譜。

2.4.2 標準化的設計地震加速度反應譜

在標準化的加速度反應譜(Cs)中考慮了土體局部條件對反應譜的影響，其取決于土壤系數(shù)S,以及作用不同場地等級的TB,TC,TD(見表4)，介于TB和TC的Cs表示恒定的譜加速度，典型類型的彈性反應譜加速度(系數(shù))曲線圖和不同場地類別的標準化的設計地震加速度反應譜函數(shù)曲線如圖1所示[17]。

由于S1型場地土具有極低的剪切波速和低的材料阻尼，能產生異常的場地放大和土與結構相互作用效應；S2型場地土具液化性及濕陷性特點對結構在地震動時可產生較大的破壞。故對于代表特殊土壤類型S1或S2的場地或重要的項目，應針對局部地震動進行特異性研究以獲得設計反應譜，而不是使用簡化方程式(6)。這種通過場地特異性分析的目的是確定場地條件在局部地震下的地震動，其置信度比使用簡化方程式高。

《建筑抗震設計規(guī)范》與BNBC2020設計反應譜曲線(如圖1所示)形狀相似，分為升高段、水平段與降低段。《建筑抗震設計規(guī)范》中結構阻尼比、抗震設防烈度、場地特征周期對反應譜曲線取值存在影響；BNBC2020中結構的阻尼比、結構重要性系數(shù)、場地土堅硬程度、結構延性、區(qū)域系數(shù)對設計反應譜曲線取值存在影響。

中國建筑抗震規(guī)范和BNBC2020的主要區(qū)別如下：

1)《建筑抗震設計規(guī)范》未明確標準化反應譜受場地土質變化的影響程度，僅特征周期Tg受到影響，BNBC2020中標準反應譜大小受場地放大系數(shù)S影響，放大系數(shù)S的最大和最小值分別為1.4與1。在完好基巖場地和0.05阻尼比條件下，《建筑抗震設計規(guī)范》標準化反應譜水平段數(shù)值為1，BNBC2020為2.5。

2)當場地類型為Ⅰ0，阻尼比為0.05，結構自振周期最大和最小值分別為1 s與0.2 s時，《建筑抗震設計規(guī)范》中標準反應譜曲線的降低段衰減指數(shù)為0.9，曲線降低段衰減速率大于直線降低段。在SA類場地(場地類型同中國規(guī)范Ⅰ0)，0.05阻尼比時，BNBC2020結構自振周期水平段值為0.2 s～0.4 s，當達到0.4 s～2 s時，衰減指數(shù)增長到1，高于同一場地類別下《建筑抗震設計規(guī)范》速率，結構自振周期增大到2 s～4 s時，衰減指數(shù)為2，遠大于《建筑抗震設計規(guī)范》對應數(shù)值。當《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)準化反應譜周期截止到6 s時，BNBC2020只截止到4 s。根據兩國規(guī)準化反應譜的對比可知，在場地均為完好基巖的前提下，《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)準化反應譜水平段(0.2 s～Tg)數(shù)值遠低于BNBC2020；在直線降低段(Tg～2 s)的衰減指數(shù)略低于BNBC2020，在曲線降低段(Tg>2 s)時衰減指數(shù)遠低于BNBC2020。

3)在進行地震作用下結構的彈性動力分析時，BNBC2020直接采用近似于地震基本烈度的地震動參數(shù)。為了得到彈性計算反應譜，BNBC2020將“設計地震”反應譜除以反應譜修正系數(shù)R，近似于《建筑抗震設計規(guī)范》中“多遇地震”。依據結構延性狀態(tài)對R取值，R與結構延性成正比。

4)BNBC2020規(guī)定應采用地震安全性評估報告得出的場地反應譜或根據BNBC2020給定的標準反應譜進行抗震設計。中國抗震設計應采用《建筑抗震設計規(guī)范》給定的標準反應譜。

3 結論

本文從建筑重要性類別和抗震設防標準兩方面系統(tǒng)對比中國和孟加拉國抗震設計規(guī)范中地震動參數(shù)設計理念差別，從地震區(qū)劃、場地類型、地震反應譜、地震動參數(shù)取值等方面系統(tǒng)對比中孟規(guī)范中抗震設計基本規(guī)定。通過本文的對比研究，主要得出以下結論：

1)BNBC2020中地震作用是用最大考慮地震和設計基準地震來衡量。根據地面運動衰減和地球物理數(shù)據等，將全國劃分四個地震區(qū)。將每個區(qū)的分區(qū)系數(shù)乘以2/3得到設計基準地震，再修正系數(shù)可得計算到地震作用。

2)從抗震設防目標而言，BNBC2020規(guī)定結構在大震中不能倒塌，對于重要的結構需保證地震后的工作性能，近似于《建筑抗震設計規(guī)范》中“大震不倒，中震可修”的抗震設防理念。

3)BNBC2020抗震要求比《建筑抗震設計規(guī)范》更嚴格。BNBC2020中SA類場地的平均剪切波速大于800 m/s，與《建筑抗震設計規(guī)范》的Ⅰ0類場地基本對應；BNBC2020中SE類場地，《建筑抗震設計規(guī)范》判定為Ⅱ類，而BNBC2020認為應增大地震設計參數(shù)；在S1和S2場地下，BNBC2020要求開展專門的設計反應譜研究，但《建筑抗震設計規(guī)范》只需根據覆蓋層厚度，按Ⅲ類或Ⅳ類場地開展抗震設計。

4)《建筑抗震設計規(guī)范》給出了Ⅱ類場地抗震設防烈度與基本地震動峰值加速度。而BNBC2020明確了SA類場地下最大考慮地震加速度，近似于《建筑抗震設計規(guī)范》中Ⅰ0類場地下罕遇地震峰值加速度。

5)《建筑抗震設計規(guī)范》中結構阻尼比、抗震設防烈度、場地特征周期均對反應譜曲線取值存在影響；BNBC2020中結構的阻尼比、結構重要性系數(shù)、場地土堅硬程度、結構延性、區(qū)域系數(shù)對設計反應譜曲線取值存在影響。