试论抗震设防目标、两阶段设计方法及抗震设防标准的意义

2012-01-27梁亚楠辽河石油装备制造总公司

中国科技信息 2012年15期

梁亚楠辽河石油装备制造总公司

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“小震不坏、中震可修、大震不倒”是我国建筑抗震设防的三水准目标，三水准设防目标是通过“两阶段设计”这一方法来实现的。而抗震设防标准是衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度或设计地震动参数及建筑抗震设防类别确定。准确理解抗震设防目标、两阶段设计方法及抗震设防标准的意义是结构工程师解决建筑抗震难题的必备基础知识。

抗震设防目标；两阶段设计方法；抗震设防标准

1 前言

当我们不考虑地震作用的情况下进行建筑的结构设计时，要求结构在规定荷载作用下处于或基本处于弹性工作阶段，结构设计要有足够的强度，保证安全，又要有足够的刚度，保证结构的变形在使用许可范围之内。例如，我们设计楼板或是主梁时，在竖向恒载及活载作用下，除了必须满足强度要求外，其挠度变形也必须控制在许可范围内，从而使之在使用功能上和外观上均能满足要求。又如，在设计高耸结构时，设计者将会考虑在大风作用下结构依然保持弹性状态。总之，结构抵抗一般的荷载作用时，设计者必须遵循的基本原则是使结构在预期荷载作用下保持在或基本保持在弹性工作状态，结构内力的分析与设计一般采用弹性分析方法。在实际工程中，按照这样的原则设计出来的结构，如果没有遇到特殊的情况，在预期的荷载作用下，极少出项严重破坏、过度变形等不正常状态。而地震作用则不同，地震动的影响次数少，作用时间短，各次地震的强度差异很大。而且地震本身的随机性很强，在某一地区，某一基准期内，可能出现的最大地震动是一个随机变量，事先无法预知。若要求在各种强度地震动下，结构仍然保持弹性状态是很不经济的，甚至是不可能的。因此，结构的抗震设计与结构抵抗其他荷载作用的设计是不同的，对于结构工程师而言，在进行工程抗震设计时，首先必须要清楚“地震作用有别于其他荷载的特殊情况”，进而才能准确理解与把握符合这一特殊情况的结构设计基本原则，即结构抗震设计的抗震设防目标、两阶段设计方法及抗震设防标准，然后才能在工程的抗震设计中实现“安全可靠、经济适用”的原则。

2 抗震设防目标

我国的《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第1.0.1条规定：“为贯彻执行国家有关建筑工程、防灾减灾的法律法规并实行以预防为主的方针，使建筑经抗震设防后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，制定本规范。按本规范进行抗震设计的建筑，其基本的抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用;当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。使用功能或其他方面有专门要求的建筑，当采用抗震性能化设计时，具有更具体或更高的抗震设防目标”。

作为抗震设计规范的第一条规定，其目的是为了明确建筑抗震设防的政策、方针和基本目的，同时，给出了现阶段抗震设计的基本思想，及抗震设防目标的问题。我国现行《抗震规范》沿用了89规范的“三水准”的抗震设计思想，即通常所说的“小震不坏、中震可修、大震不倒”。真确理解三水准设防目标，需要弄清楚以下两个问题：

2.1 三水准设防目标的由来和含义

我国抗震规范经历了74版、78版，要求“建筑物遭遇到相当于设计烈度的地震影响时，建筑物允许有一定程度的损坏，不加修理或稍加修理仍能继续使用”，但是辽宁海城和唐山地震的发生，震中烈度都比预估的要高，特别是唐山大地震竟比预估高出5度。基于这种基本烈度地震具有很大不确定性的事实，89规范在修订过程中提出要对78规范的设防标准进行适当的调整，做出了如下一些规定：

(1)在遭受本地区规定的基本烈度地震影响时，建筑可能有损坏，但不致危及人民生命和生产设备的安全，不需修理或稍加修理即可恢复使用；(2)在遭受较常遇到的、低于本地区规定的基本烈度的地震影响时，建筑不损坏；(3)在遭受预估的、高于基本烈度的地震影响时，建筑不致倒塌或发生危及人民生命财产的严重破坏。

上述三点规定可概括为“小震不坏、中震可修、大震不倒”这样一句话，即89规范以来，我国建设工程界秉承的抗震设防思想。

按照上述抗震设防思想，从结构受力角度看，当建筑遭遇第一水准烈度地震（小震）时，结构应处于弹性工作状态，可以采用弹性体系动力理论进行结构和地震反映分析，满足强度要求，构件应力完全与按弹性反应谱理论分析的计算结果相一致；当建筑遭遇第二水准烈度地震（中震）时，结构越过屈服极限，进入非弹性变形阶段，但结构的弹塑性秉性被控制在某一限度内，震后残留的永久变形不大；当建筑遭遇第三水准烈度地震（大震）时，建筑物虽然破坏比较严重，但整个结构的非弹性变形仍受到控制，与结构倒塌的临界变形尚有一段距离，从而保证建筑内部人员的安全。

2.2 关于“大震”和“小震”的界定

基本烈度是指在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为10%的地震烈度，相当于474年一遇的烈度值；多遇地震烈度，是指在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为63%的地震烈度值，相当于50年一遇的地震烈度值；罕遇地震烈度是值在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为2%～3%的地震烈度值，相当于1600～2500年一遇的地震烈度值。

由于我国的地震烈度区划图或地震动参数区划图只给出了基本烈度或基本设计地震加速度，因此，为了贯彻上述三水准设防思想，首要问题是如何确定“小震”和“大震”，即多遇地震和罕遇地震的界定问题，找出它们与基本烈度地震之间的关系。事实上，在89规范的修订过程中，修订编制组曾对此问题进行过专题研究。研究结构表明：根据对我国华北、西北和西南地区45座城镇地震危险性分析，多遇地震烈度可取50年超越概率为63.2%的众值烈度，其大小比基本烈度约低1.55倍；而50年超越概率为2%～3%的罕遇地震烈度约为基本烈度高1度左右。这就是我国抗震规范沿用至今的关于大震和小震的界定。

事实上，这样的界定只是在1977年版的地震区划图的基础上对我国少数城市进行地震危险性分析的平均结果，具有一定的局限性，而且与1977年以后各版地震区划图的平均结果存在一定的差异。实际上，根据高孟潭等人1992年对全国7000多个场地的地震动危险性分析结果的统计分析，大震与中震的地震烈度差值普遍小于1度，而且遇有明显的地区性。但是，为了保持规范的延续性，在《建筑抗震设计规范》GB50011-2001（2008年版）仍然保持了这样的界定。

3 两阶段设计方法

建筑抗震设计规范的三个水准设防目标是通过“两阶段设计”来实现。第一阶段设计是承载力验算，其可靠性既要满足在第一设防水准下具有必要的承载力，又要满足第二水准的损坏可修的目标。第二阶段设计是弹塑性变形验算，对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑，要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。对大多数的结构，可只进行第一阶段的设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。

“两阶段设计”的具体方法和步骤是：

第一阶段设计：第一步采用第一水准烈度的地震动参数，先计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力等荷载效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行构件截面设计，从而满足第一水准的强度要求；第二步是采用第一地震动参数计算出结构的弹性层间位移角，使其不超过规定的限值；同时采取相应的抗震够着措施，保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能，从而自动满足第二水准的变形要求。

第二阶段设计：采用第三水准烈度的地震动参数，计算出结构（特别是柔弱楼层和抗震薄弱环节）的弹塑性层间位移角，使之小于《抗震规范》限值；并结合采用必要的抗震构造措施，从而满足第三水准的防倒塌要求。

4 抗震设防标准

抗震设防标准是衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度或设计地震动参数及建筑抗震设防类别确定。抗震设防烈度是指按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况，取50年内超越概率10%的地震烈度。设计地震动参数是指抗震设计用的地震加速度（速度、位移）时程曲线、加速度反应谱和峰值加速度。抗震设防分类是根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成的人员伤亡、直接和间接经济损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素，对各类建筑所做的设防类别划分。我国的国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB50023-2008将建筑抗震设防类别分为：特殊设防类、重点设防类、标准设防类和适度设防类。