针对地震烈度进行抗震设防问题的探讨

马常地 郭明珠

0 引言

由于当前的经济技术水平，我国建筑结构的抗震设防目标是针对三个水准的地震烈度考虑的，采用的抗震设计方法是围绕两种水平的地震烈度的不同概率可能采用两阶段的设计工作。在这种指标下建筑结构抗震设防的主要技术路线是:1)根据历史地震文献和地震地质资料等进行地震危险性分析，以得到地震烈度的时间和空间分布数据，然后应用概率论和统计理论并结合我国的经济技术水平得到我国的地震烈度区划图;2)依据地震烈度区划图，针对两阶段的设计方法提供两套设计地震动参数并提出相应的概念设计要求和结构构造要求。由此可见，我国的抗震设防工作是围绕地震烈度这一概念进行的，地震烈度是我国建筑结构的抗震设防指标。

1 地震烈度的历史和应用

地震烈度是一种最古老的地震强度衡量指标，用来衡量地震对人造工程和地表破坏程度以及人的感觉。由于地震烈度不用仪器进行测定，而是通过在地震区对地震作用的实际观察得出，因而可以对历史地震确定其烈度。这样，通过地震烈度这一概念，历史地震记录可以作为现代地震危险性估计的重要参考。

有学者认为地震烈度的概念是由Mercalli在1902年首先提出的。事实上19世纪80年代意大利的Rossi和瑞士的Forel就已经提出了最早的地震烈度表。不过的确是Mercalli首先将地震烈度定为12级。1931年，Wood与Neumann根据加州的情况对地震烈度表进行了重新的修改，这就是世界上比较通用的地震烈度表。

地震烈度最成功的和最有价值的应用是在震后绘制等震线图上，将地震破坏用数字等级进行描述产生的烈度图确实提供了比较粗略但却有价值的地面震动分布、地表土和地下地质结构层的影响、震源区以及与保险和工程问题相关的信息。

2 关于结构的抗震设防目标

工程设防目标是以最少的代价建造具有合理安全度的、满足实用要求的工程结构。安全度概念的提出是由于人们认识到结构强度与外部荷载都有一定随机性。目前的结构抗震理论认为:对于地震这类偶然性很大的荷载，保证结构在任何状态下都具有合理的安全度在经济上是不划算的，甚至在技术上也是不可能的。于是人们认识到结构的抗震安全度并不能绝对的保证，而应该追求结构在不同地震遭遇可能性水平上的相对安全度，从而形成了以概率论为基础的抗震设防目标。

建立上述的针对抗震设防标准的概率模型，需要大量实际工程地震记录。目前积累的强震记录只有不到100年的历史，在时间跨度上是远远不够的。历史地震记录具有很大的时间跨度，是一种不容忽视的资料。而对于历史地震，地震烈度是唯一一个可以有效还原并与近现代强震记录相连接的概念。在这个意义上，人们选择地震烈度作为抗震设防标准的指标存在着一定的必然性。有了更长的时间跨度和更丰富的资料，人们有理由认为以地震烈度为指标建立的抗震设防目标至少在概率意义上更加精确。

3 针对地震烈度进行抗震设防存在的问题

地震烈度是一个十分复杂、模糊和笼统的主观的概念。这一概念产生于人们尚无有效的测量地震动物理参数的工具的时候。当时的地震学者用它来描述和比较某次地震在相关地区产生的影响程度的大小。地震烈度的概念发展至今，地震烈度表是其目前最精细的使用参照。不可否认，地震烈度表仍然是非常粗略的。由于地震烈度包括人的感受、地震动引起的响动之类无法量化的多重指标，这就导致了每次强震过后，强震区的烈度划分总是存在争议。由于地震烈度具有多指标综合性，在多个指标评定结果相差较多时，如何综合评定，这往往就取决于个人主观决定。不仅如此，具体到衡量地震烈度的每个指标的应用同样带有较大的随意性。目前的地震工程领域已经认识到包括结构类型，场地条件，震源机制在内的诸多因素对地震作用的影响。在实际的结构抗震工程中，认识较为成熟的影响因素已经考虑到结构抗震设计之中。地震烈度为设防指标显然没有区分种种因素造成的差异，从而也说明，在一定程度上地震烈度是一个落后的概念。总而言之，地震烈度是个十分粗略的概念，在建筑结构抗震设计中使用这一概念作为抗震设防指标是不恰当的。

地震作为一个极为复杂的自然现象，地震动参数之间往往不存在明确的对应关系，事实上地震烈度和任一地震动参数之间的对应关系更加模糊。自从20世纪30年代～50年代，人们逐渐积累了不少的地震记录，并依靠这些资料试图建立地震烈度与某个地震动参数的对应关系。最后的结论是:寻求地震动的任一单项参数与烈度的对应关系是徒劳的。这一事实的存在也就导致了在抗震工程中无法以地震烈度为出发点，直接合理的得到建筑结构的抗震设防参数，也无法经由合理的计算方法，将结构抗震验算的结果回归至地震烈度并依据三水准的设防目标来检验。考虑到地震烈度与地震动参数的对应关系极不明确，可以设想地震烈度与结构抗震概念设计要求和构造要求的对应关系更加不明确。很显然，地震烈度不是目前建筑结构抗震设防技术水准可以直接把握的概念，而在本质上，地震烈度在实际抗震设计中已经在很大程度上被绕开了。以地震烈度作为抗震设防标准的指标存在着建筑结构的抗震设计与抗震设防目标的脱节现象。

4 关于地震动潜在破坏势

地震动潜在破坏势概念的提出旨在估计和比较地震动对结构的破坏作用。由于这一概念涉及到的问题在地震工程领域非常重要，研究者已经就其在各个角度展开研究，并取得了丰硕成果。目前，已经提出的用来量度地震动潜在破坏势的地震动特性有:震级、地震烈度、地震动峰值、地震动增量峰值、结构的地震反应峰值、延性需求、输入能量等。更有人提出过采用多个地震动特性的综合量化指标。尽管迄今为止还未有让人信服的成果出现，不过研究结果越来越让人满意了。相对于地震烈度，采用地震动潜在破坏势作为抗震设防指标存在着许多优势:1)地震动潜在破坏势是一个专门应用于描述和评价地震动的结构破坏作用的概念，相对于地震烈度，它的针对性更强;2)地震动潜在破坏势是一个可以量化的概念，因为它采用具有明确物理意义和工程抗震设计意义的地震动参数作为指标，从而更适用于实际抗震工程中“三水准”抗震设防目标的检验和“两阶段”抗震设计方法的实施;3)现阶段地震动潜在破坏势的研究一直在试图找到更能确切表征它的地震动参数和方法，从某种意义上，地震动潜在破坏势的研究代表了当前人们工程地震和结构抗震的认识水平，采用它作为抗震设防指标更有利于应用地震工程方面的最新研究成果。

5 结语

在目前的技术层次之下，建筑结构抗震设防工作实际上是以地震的动力特性和结构的动力反应特性为理论依据开展的。考虑到目前关于地震烈度与地震的动力特性和结构的动力反应特性之间关系的研究成果和结论，针对地震烈度这个模糊的概念进行建筑结构的抗震设防无疑脱离了工程抗震实际。我认为有必要对建筑结构抗震设防指标进行重新思考，而地震动潜在破坏势作为一个针对性强、工程意义明确、可准确量化和描述并体现了抗震工程实际研究成果的概念显然是一个更有前景的考虑。

［1］ GB 50011-2002，建筑抗震设计规范［S］.

［2］ 胡聿贤.地震工程学［M］.第2版.北京:地震出版社，2006:10-110.

［3］ 王光远.建筑结构的震动［M］.北京:科学出版社，1978:27-34.

［4］ 李爱群，高振世.工程结构抗震设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004:12-25.

［5］ 翟长海，谢礼立.估计和比较地震动潜在破坏势的综合评述［J］.地震工程与工程振动，2002，22(5):1-7.