我國中、低烈度區(qū)罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)的選取

王玨 程宇 安曉文 文雯 姚姜森

摘要：采用概率地震危險性（PSHA）方法計算了我國中、低烈度區(qū)位于主要經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)的28個大中城市50年超越概率3%和2%的地震動峰值加速度，為比較中、低烈度區(qū)罕遇地震不同設(shè)防水準(zhǔn)的影響提供了定量數(shù)據(jù)；計算了中、低烈度區(qū)50年超越概率3%和2%地震作用下對應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)的屈服加速度，評價其抗震能力。結(jié)果表明：50年超越概率2%對應(yīng)的屈服加速度明顯大于50年超越概率3%的對應(yīng)值。根據(jù)分析結(jié)果，建議抗震設(shè)計規(guī)范將中、低烈度區(qū)罕遇地震的設(shè)防水準(zhǔn)統(tǒng)一至50年超越概率2%。

關(guān)鍵詞：抗震設(shè)防；設(shè)防水準(zhǔn)；PGA；屈服加速度；中、低烈度區(qū)；罕遇地震

中圖分類號：P315.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2023）03-0415-07

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0046

0引言

地震是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，發(fā)震地點和時間具有較大的隨機(jī)性，且通常破壞性很大。我國地處歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶之間，地震災(zāi)害頻發(fā)，21世紀(jì)以來我國發(fā)生的5級以上地震超過500次，截至2018年地震災(zāi)害導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失超過1.4萬億元（國家統(tǒng)計局，2020）。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2015）（以下簡稱“2015區(qū)劃圖”），我國已實現(xiàn)抗震設(shè)防全覆蓋，Ⅶ度及以上地區(qū)面積約占國土總面積的58%，Ⅷ度及以上地區(qū)面積約占國土總面積的18%，可見地震災(zāi)害是我國防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)面臨的主要威脅之一。

為防御地震破壞，我國從《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GBJ11—89）（以下簡稱“89規(guī)范”）開始確定了“大震不倒，中震可修，小震不壞”的抗震設(shè)計目標(biāo)，多年來這一建筑抗震設(shè)防思想在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用（羅開海，2017）。然而，隨著人們對地震災(zāi)害特點的不斷深入認(rèn)識和人類社會發(fā)展對抗震設(shè)防需求的變化，我國建筑物的抗震能力還不能與社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展相匹配（薄景山等，2022；任軍宇等，2021；肖意等，2021）?，F(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）（以下簡稱“2010規(guī)范”）中不同烈度區(qū)罕遇地震的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不一致，是當(dāng)前抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和防災(zāi)對策中存在的較為突出的問題（羅開海等，2018）。

89規(guī)范和2010規(guī)范抗震設(shè)計規(guī)范均規(guī)定，罕遇地震（大震）指的是一般場地條件下50年超越概率2%～3%的地震，具體規(guī)定為Ⅶ度區(qū)及以下罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)為50年超越概率3%、Ⅷ度區(qū)為2.5%、Ⅸ度區(qū)為2%。與之相對應(yīng)的罕遇地震的重現(xiàn)期在1642～2475年，可見不同烈度區(qū)罕遇地震的風(fēng)險水平差異明顯。這樣的規(guī)定直接導(dǎo)致抗震設(shè)計時不同烈度區(qū)所采用的建筑結(jié)構(gòu)防倒塌設(shè)計地震動不在統(tǒng)一的概率水平，烈度越低的地區(qū)，防倒塌設(shè)計地震動參數(shù)也越低。數(shù)十年來的地震宏觀破壞經(jīng)驗表明，現(xiàn)階段我國工程抗震形勢是中、低烈度區(qū)一旦發(fā)生超設(shè)防地震時，地震災(zāi)害風(fēng)險將顯著高于高烈度區(qū)，因此2010規(guī)范采用的罕遇地震風(fēng)險水平不一致會使得中、低烈度區(qū)建筑物的地震安全形勢惡化（羅開海，劉培，2016）。

目前工程界對中、低烈度區(qū)罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題已有定性的認(rèn)識，但對罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)取值不統(tǒng)一會導(dǎo)致地震動峰值加速度有何變化，以及據(jù)此進(jìn)行抗震設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力差異等問題，尚無定量的分析結(jié)果。本文利用第一次全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險普查“一省一市”地震評估與區(qū)劃試點工作取得的最新資料和2015區(qū)劃圖中概率地震危險性分析方法（ProbabilisticSeismicHazardAnalysis，簡稱PSHA），計算了我國中、低烈度地區(qū)大中城市50年超越概率3%與2%的地震動參數(shù)，并利用該結(jié)果計算了采用這兩組參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計所得到的建筑結(jié)構(gòu)的屈服加速度，據(jù)此對不同罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的抗震能力差異進(jìn)行初步評價。

1中、低烈度區(qū)大中城市50年超越概率3%與2%的地震動參數(shù)

根據(jù)地域上分布相對均勻、且在主要經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)的原則，本文挑選了2015區(qū)劃圖規(guī)定的0.05g區(qū)、0.10g區(qū)和0.15g區(qū)中的28個大中城市作為計算點。采用2015區(qū)劃圖推薦的考慮地震活動時、時空不均勻的概率分析方法，計算了這28個大中城市50年超越概率3%和2%的地震動參數(shù)，并將計算結(jié)果與2010規(guī)范的中、低烈度區(qū)罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)的概率界定和參數(shù)取值進(jìn)行比較分析。

1.1基巖地震動參數(shù)

PSHA計算中所使用的地震帶、潛在震源區(qū)及其地震活動性參數(shù)和地震動衰減關(guān)系均采用2015區(qū)劃圖推薦的方案。其中潛在震源區(qū)劃分和地震活動性模型主要參考了“中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖地震活動性參數(shù)確定工作報告”（全國地震區(qū)劃圖編制地震活動性參數(shù)確定工作組，2011）；地震動衰減關(guān)系采用2015區(qū)劃圖建立的地震動參數(shù)衰減關(guān)系（俞言祥等，2013）。中國地震區(qū)、帶劃分及各計算點所處位置如圖1所示。每個計算點選擇其所在地震帶及周邊的多個地震區(qū)、帶內(nèi)的潛源進(jìn)行計算，以保證可能對計算點產(chǎn)生影響的潛源不

1.2一般場地條件（Ⅱ類場地）地震動參數(shù)

通常情況下，基巖地震動參數(shù)需要轉(zhuǎn)換為地表地震動參數(shù)才能為抗震設(shè)防所采用。據(jù)2015區(qū)劃圖的技術(shù)方法（高孟潭，2015），一般場地條件（Ⅱ類場地）和基巖場地（Ⅰ1類場地）對應(yīng)的加速度分檔和這兩種場地類別之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)經(jīng)驗值見表2。從基巖場地地震動參數(shù)轉(zhuǎn)換到地表地震動參數(shù)時，通常表示如下：

Amax（Ⅱ）=Amax（Ⅰ1）Fa（1）

式中：Amax（Ⅱ）為Ⅱ類場地地震動峰值加速度；Amax（Ⅰ1）為基巖場地地震動峰值加速度；Fa為不同場地類別之間峰值加速度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

當(dāng)Amax（Ⅰ1）處在不同加速度分檔之間時，F(xiàn)a按表2中給出的控制點進(jìn)行線性插值。表3給出了按照上述轉(zhuǎn)換方法得到的28個城市一般場地條件（Ⅱ類場地）地震動峰值加速度。

從表3可看出，超越概率水準(zhǔn)的高低直接影響抗震設(shè)計所對應(yīng)的地震動參數(shù)的大小。為討論我國中、低烈度區(qū)50年超越概率3%和2%的地震動峰值加速度與2010規(guī)范中罕遇地震峰值加速度取值的差異，做以下3種比較。

0.05g區(qū)（Ⅵ度區(qū)），2010規(guī)范中罕遇地震峰值加速度取值為122Gal，計算點50年超越概率3%、2%峰值加速度均值分別為126和144Gal，可見50年超越概率3%峰值加速度計算值與規(guī)范值相當(dāng)，超越概率2%峰值加速度均值較規(guī)范值大18%。

0.10g區(qū)（Ⅶ度區(qū)），2010規(guī)范中罕遇地震峰值加速度為218Gal，計算點50年超越概率3%、2%峰值加速度均值分別為218和253Gal，50年超越概率3%峰值加速度計算值與規(guī)范值相當(dāng)，2%峰值加速度計算均值較規(guī)范值大16%。

0.15g區(qū)（Ⅶ度半?yún)^(qū)），2010規(guī)范中罕遇地震峰值加速度為314Gal，計算點50年超越概率3%、2%峰值加速度均值分別為285和340Gal，50年超越概率3%峰值加速度計算值小于規(guī)范值，如前所述2010規(guī)范采用的設(shè)防水準(zhǔn)應(yīng)為50年超越概率2.5%，2%峰值加速度計算均值則較規(guī)范值大8.4%。

從上述結(jié)果看，烈度值越低，50年超越概率3%和2%的地震動峰值加速度的差值越大。低烈度區(qū)罕遇地震的設(shè)防水準(zhǔn)采用50年超越概率3%，會使大震的風(fēng)險水平被低估，致使建筑防倒塌水準(zhǔn)也偏低。

地震的發(fā)生具有很大的不確定性，在中、低烈度區(qū)造成嚴(yán)重災(zāi)害的強(qiáng)震時有發(fā)生（《中國地震年鑒編輯部》，2002，2017）。隨著人們對地震災(zāi)害的認(rèn)識不斷深入和人類社會發(fā)展對抗震設(shè)防需求的提高，對于一座城市，盡管發(fā)生破壞性地震的概率極小，但破壞性地震一經(jīng)發(fā)生往往產(chǎn)生巨災(zāi)，損失慘重（薄景山等，2019）。因此，在中、低烈度區(qū)（Ⅵ度區(qū)和Ⅶ度區(qū)）罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)采用50年超越概率3%可能會加大該類地區(qū)的地震災(zāi)害風(fēng)險。

2不同罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)對典型建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的影響

本文從建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性出發(fā)，以地震屈服加速度作為評價指標(biāo)，討論采用50年超越概率3%和2%作為設(shè)計參數(shù)的建筑物的抗震能力。

地震屈服加速度是指設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大設(shè)計承載力所對應(yīng)的譜加速度值，是建筑物抗震能力總的評價指標(biāo)之一。屈服加速度的大小可以反映建筑物抗御地震作用的能力（尹之潛，1994；尹之潛等，2003）。表4給出了我國城鎮(zhèn)現(xiàn)有的6種量大面廣的典型建筑類型（尹之潛，楊淑文，2021）。

式中：λ2為結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力組合系數(shù)；αd是設(shè)計地震加速度，單位為g；re是地震作用分項系數(shù)，rg是重力荷載分項系數(shù)影響值，rd是材料強(qiáng)度抗震調(diào)整系數(shù)，這3個參數(shù)采用2010規(guī)范給出的不同結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行取值；rs為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載為調(diào)整系數(shù)，磚結(jié)構(gòu)一般取1.25，鋼混結(jié)構(gòu)按實際配筋率與計算配筋率之比取值（建筑抗震設(shè)計規(guī)范，GB50011—2010；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，GB50068—2018）。

本文按照公式（2）、（3）計算了我國中、低烈度區(qū)8個大中城市典型建筑結(jié)構(gòu)以50年超越概率3%和2%地震動峰值加速度為設(shè)計參數(shù)的地震屈服加速度（表5）。表5中K是2010規(guī)范中罕遇地震對應(yīng)的地震加速度峰值。從計算結(jié)果看，對不同烈度區(qū)、不同結(jié)構(gòu)類型而言，50年超越概率2%對應(yīng)的屈服加速度總體上均明顯大于50年超越概率3%的對應(yīng)值。在設(shè)防加速度為0.05g（Ⅵ度）的地區(qū)，不同結(jié)構(gòu)類型的50年超越概率3%和2%罕遇地震所對應(yīng)的屈服加速差異為12%～20%，0.10g（Ⅶ度）地區(qū)的差異為14%～19%，0.15g（Ⅶ度）地區(qū)的差異為17%～21%。按2010規(guī)范，0.15g及以下的中、低烈度區(qū)罕遇地震均采用50年超越概率3%的地震動峰值加速度，因此當(dāng)遭遇大震危險時，中、低烈度區(qū)的房屋建筑抗震能力相對高烈度地區(qū)更加偏于不安全。

3結(jié)論

本文利用PSHA方法，計算了中、低烈度區(qū)大中城市50年超越，概率3%和2%的地震動峰值加速度。在此基礎(chǔ)上，以屈服加速度為指標(biāo)，對比分析了中低烈度區(qū)罕遇地震不同設(shè)防水準(zhǔn)下建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)PSHA結(jié)果，現(xiàn)行2010規(guī)范規(guī)定的Ⅵ度、Ⅶ度地區(qū)罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)所對應(yīng)的地震動峰值加速度值明顯低于PSHA方法的結(jié)果。建議修訂抗震規(guī)范時，應(yīng)綜合考慮社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地震與工程抗震研究新成果和抗震設(shè)防思想的發(fā)展動態(tài)，充分體現(xiàn)“以人為本、人人平等”的原則，將我國不同烈度區(qū)建筑抗震設(shè)計采用的罕遇地震風(fēng)險水平統(tǒng)一為50年超越概率2%。

（2）根據(jù)50年超越概率3%和2%所對應(yīng)的地震屈服加速度計算結(jié)果，當(dāng)遭遇大震危險時，在2010規(guī)范的中、低烈度區(qū)罕遇地震風(fēng)險水平下，房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力相對高烈度地區(qū)的更加偏于不安全。根據(jù)我國國情，大幅度提高現(xiàn)有抗震設(shè)防烈度分布并不現(xiàn)實，也不科學(xué)（中華人民共和國國務(wù)院，2021）。因此，對于中、低烈度的地區(qū)，將罕遇地震的設(shè)防水準(zhǔn)由50年超越概率3%提高至2%是比較科學(xué)、合理的。

地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是一個涉及科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性和政策性等多個方面的綜合性工程技術(shù)問題。本文僅用不同概率水準(zhǔn)地震動參數(shù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)屈服加速度一個指標(biāo)討論了中、低烈度區(qū)罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)偏低的問題。在今后的研究中，在地震風(fēng)險普查建筑物抽樣調(diào)查工作獲得的詳細(xì)資料的基礎(chǔ)上，可采用完整的建筑物地震易損性分析方法，評估中、低烈度區(qū)兩種罕遇地震設(shè)防水準(zhǔn)下的建筑的抗震能力，為抗震設(shè)計提供論證資料和決策依據(jù)。

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