浅谈新版《中国地震动参数区划图》对北京地区建筑结构设计的影响

2016-11-29苗启松陈曦

城市与减灾 2016年3期

苗启松　陈曦

苗启松陈曦

地震对建筑结构的作用，影响因素众多，如震级、震源深度、震中距、场地类别、结构自身动力特性等。就客观因素而言，震级、震源深度、震中距及场地类别的影响较为关键，在我国现行的《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中，以抗震设防烈度、设计地震分组及场地类别来表示。

2015年5月15日，新版《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）由国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布，并将于2016年6月1日起正式实施。新一代地震动参数区划图给出的全国设防参数整体上有了适当提高，就北京地区而言，主要涉及两个方面调整：第一，门头沟、昌平、怀柔、密云等区县设防烈度由原Ⅶ度（0.15 g）、二组调整为Ⅷ度（0.20 g）、二组；第二，东城、西城等剩余12个区县均由原Ⅷ度（0.20 g）、一组调整至Ⅷ度（0.20 g）、二组。

以Ⅱ类场地为例（下文中以Tg1表示旧版《中国地震动参数区划图》中场地特征周期，Tg2表示新版《中国地震动参数区划图》中场地特征周期），结构各自振周期范围内，门头沟等四区县水平地震影响系数放大了约33%，如图1、图2所示（本文中结构阻尼比均取5%）。东城、西城等剩余12个区县，当结构自振周期位于0 ～Tg1时，水平地震影响系数未变化；结构自振周期位于Tg1～5Tg2时，最大位置处，水平地震影响系数放大约12.8%；当结构自振周期大于5Tg2时，水平地震影响系数放大2.17% ～3.34%。

对不同场地类别下，北京地区水平地震影响系数放大倍数进行整理，统计结果见表1。

苗启松，现任北京市建筑设计研究院有限公司副总工程师、复杂结构研究院院长，中国建筑学会抗震防灾分会常务理事、高层建筑抗震专业委员会副主任、抗震加固专业委员会委员，国家一级注册结构工程师，教授级高级工程师。主要从事建筑结构抗震及消能减震技术、加固改造技术、结构预制装配技术等研究及设计咨询工作，主持或参编了《建筑抗震设防分类标准》、《建筑消能减震技术规程》、《建筑物移位纠倾增层改造技术规程》、《北京地区建筑抗震鉴定及加固技术规程》等多本国家或地方规范，多项成果荣获北京市和建设部科技进步奖及优秀建筑结构设计奖。

陈曦,1987年7月出生于江苏省盐城市，2008年于东南大学土木工程学院获学士学位,2011年于中国地震局工程力学研究所获硕士学位，现就职于北京市建筑设计研究院有限公司复杂结构研究院，主要从事建筑结构抗震设计咨询、加固改造技术研究等工作。

图1　设计规范反应谱（Ⅱ类场地，δ=5%）

图2　地震动影响系数放大倍数（Ⅱ类场地，δ=5%）

表1　不同自振周期下，水平地震影响系数放大倍数

由表1统计结果可见：第一，本次地震动参数区划调整对门头沟、昌平、怀柔、密云四区县的结构设计影响较大，各周期范围内结构地震作用放大1/3；第二，对东城、西城等12个区县，仅在结构自振周期落于Tg1～5Tg2范围内时有较大影响，地震力放大12.8%～22.2%；第三，对于东城、西城等12个区县中长周期结构（T＞5Tg2）的设计，本次调整影响较小，地震力放大2.2% ～6.3%。

徐培福等人通过对414栋我国已建或已通过超限审查的高层建筑结构统计分析，归纳出不同高度建筑结构的周期分布规律见表2。

表2　建筑高度与结构前三阶自振周期的关系

图3　建筑高度与结构一阶自振周期的关系

图4　建筑高度与结构二阶自振周期的关系

以Ⅷ度（0.20 g）、一组提升为Ⅷ度（0.20 g）、二组为例，忽略高阶振型对结构地震作用计算的影响，不同场地类别下，本次地震动参数区划调整对下述高度范围内建设的建筑影响较大（北京地区），详见表3。

表3　不同场地类别下，地震动参数区划调整的建筑高度影响范围

此外，新版《中国地震动参数区划图》的另一大特色是，其在附录中列出了全国各省（自治区、直辖市）乡镇府所在地、县级以上城市的Ⅱ类场地地震动峰值加速度和基本地震动加速度反应谱特征周期。需要注意的是：北京部分乡镇（街道），场地地震动峰值加速度及基本地震动加速度反应谱特征周期均进行了调整，如平谷区马坊镇，基本烈度由Ⅷ度调整为Ⅷ度半，设计地震分组由第一组调整为第二组；部分乡镇（街道），设计地震分组由第一组调整为第三组，如平谷区黄松峪乡。

场地类别为Ⅱ类时，上述两类调整导致的规范反应谱变化及水平地震影响系数放大倍数如图5、图6所示。

为便于考察地震分组及烈度变化导致的水平地震影响系数变化，考虑将水平地震影响系数的放大作用分解为两部分：一是“烈度效应”，即基本烈度提高对水平地震影响系数的影响；二是“分组效应”，即地震分组变化对水平地震影响系数的影响，采用公式可以表达为：水平地震影响系数放大倍数=烈度效应系数×分组效应系数。

该方法可用于快速判断因《中国地震动参数区划图》调整而造成设计水平地震作用变化。例如，当场地类别为Ⅱ类时，若基本烈度由Ⅷ度调整为Ⅷ度半，设计地震分组由第一组调整为第二组，烈度效应系数在全周期范围内均为1.5，分组效应系数在结构自振周期位于Tg2～5Tg1时最大，取值1.128（详见表1统计结果），因此最大位置处，设计水平地震作用放大至1.692倍；若基本烈度不调整，设计地震分组由第一组调整为第三组，烈度效应系数取值为1.0，分组效应系数在结构自振周期位于Tg2～5Tg1时最大，取值1.254，因此最大位置处，设计水平地震作用放大至1.254倍（详见图6统计结果）。

1959年，我国以苏联规范（CH-8-57）为依据编制了第一部有关结构抗震设计的规范草案——《地震区建筑规范草案》。1964年由中国科学院工程力学研究所（现中国地震局工程力学研究所）牵头，在“1959草案”基础上结合我国自己的研究成果，编制了《地震区建筑设计规范（草案稿）》。1974年以《地震区建筑设计规范（草案稿）》为基础，增加了液化判别等要求后，正式出版了我国第一本结构抗震设计规范——《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11—74）。

唐山地震后，国家基本建设委员会建筑科学研究院（现中国建筑科学研究院）会同相关研究单位对《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11—74）进行了大幅修订，补充了对结构抗震有效的构造措施，出版了《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11—78），以下简称“78版规范”。

图5　设计规范反应谱（Ⅱ类场地，δ=5%）

图6　地震动影响系数放大倍数（Ⅱ类场地，δ=5%）

1989年我国，对《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11—78）进行了重新修订，同时将其更名为“建筑抗震设计规范”（GBJ 11—89），以下简称89版规范。

2001年、2008年、2010年、2016年，随着近现代科学技术的发展及多次大地震带来的经验教训，我国对《建筑抗震设计规范》进行了较大幅度修订，相继出版了2001、2008、2010、2016版《建筑抗震设计规范》（2016版抗规报审中）。

以规范设计反应谱为例，78版规范设计反应谱仅与场地土条件有关，阻尼比取值5%，反应谱长周期段以1/T的规律下降。89版规范考虑了近、远震和不同场地条件下特征周期Tg，阻尼比取值5%，反应谱长周期段以1/T0.9的规律下降。为避免地震作用太小，78版、89版规范均对长周期结构设定了一个下限值为αmin=0.2αmax的水平段。2001版规范对89版规范的设计反应谱做了较大的改动，采用3个设计地震分组取代近、远震分组，提供了不同阻尼比反应谱曲线的调整方法。同时，为适应高层建筑的周期要求，将设计反应谱曲线的周期延长至6 s，并将长周期段分成曲线下降段和直线下降段两部分。2010版规范保持了2001版规范设计反应谱的基本构架，仅对曲线下降段衰减指数、直线下降段的下降斜率及阻尼调整系数进行了微调。

以北京地区、Ⅷ度、Ⅱ类场地，阻尼比为5%的标准反应谱比较78版、89版、2001版、2010版、2016版《建筑抗震设计规范》中设计反应谱的变化，如图7所示。

考虑到78版规范中是以基本烈度作用下的αmax值绘制的设计反应谱曲线，上图中对其进行了折算以与其他规范相比较，折算系数：0.45/0.16。

由图7和图8可见，相比于2001版及2010版设计规范，当结构自振周期落于0.35～ 2.0 s区域时，2016版设计规范地震作用放大显著，最大位置处，水平地震影响系数放大12.7%；相比于89版设计规范，当结构自振周期落于0.3～ 3.5 s区域时，地震作用放大显著，最大位置处，水平地震影响系数放大30.0%；相比于78版设计规范，当结构自振周期落于0.3 ～3.0 s区域时，地震作用放大显著，最大位置处，水平地震影响系数放大52.0%。

在78版规范中，结构总水平地震荷载Q0=Cα1W，其中：C表示结构影响系数，对于钢筋混凝土框架结构，C取值0.30（≤50 m），无筋砌体结构，C取值0.45；W表示产生地震荷载的建筑总重量。