第五代中国地震动参数区划图的理解与应用

2018-08-31李世柏袁明生

电力勘测设计 2018年8期

李世柏，袁明生

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川成都 610021)

1 地震区划图的修订背景

1.1 我国地震区划图的编制历史

我国的地震区划工作，至今已形成第五代区划图。第一代主要是参照前苏联标准体系编制的1957年版《中国地震烈度区域划分图》；第二代为满足中长期地震预测未来100 a要求的1977年版《中国地震烈度区划图》；第三代采用基本烈度概念和50 a超越概率10%概率分析方法编制的1990年版《中国地震烈度区划图》；第四代地震区划图是广大工程设计人员所熟悉的2001年版《中国地震动参数区划图》GB18306－2001，开始了地震基本烈度向地震动参数的过渡；第五代地震区划图即现行的2015年5月15日发布、2016年6月1日实施的2015年版《中国地震动参数区划图》GB 18306－2015。

1.2 第五代地震区划图的编制特点

(1)四级地震作用：50 a超越概率63%的常遇地震动；50 a超越概率10%的基本地震动；50 a超越概率2%的罕遇地震动；新增了年超越概率10-4的极罕遇地震动。四级地震作用的地震重现期分别约为50 a、475 a、2475 a和10000 a。

(2)建筑物抗倒塌概念： 50 a超越概率2%的罕遇地震动参数是抗倒塌的基准。多年来，一般工程主体建筑物抗倒塌(大震)地震动参数由中震乘以外推系数求得，其值偏小难以达到抗倒塌目的。而住宅抗震设计基本以弹性设计(小震)为主，一般不做抗倒塌验算。

(3)修订原则：以50 a超越概率10%地震动峰值加速度与50 a超越概率2%地震动峰值加速度/1.9二者中的较大值作为编图指标(基本地震动)，多数地区参数有所提高，以确保抗倒塌目标实现。分别采用滑动速率法、地震矩率法和历史地震法评估大震复发周期，以保证抗倒塌水准设防参数的安全合理。提供的极罕遇地震动峰值加速度是基本地震动峰值加速度的3倍，主要用于抗震规划和地震应急备灾，对应对大震巨灾具重大意义。

(4)技术方法：采用国际上通用的概率地震危险性分析方法。

(5)计算编图：场点密度为0.1°×0.1°，约10.5万计算点，4倍精度于第四代区划图的0.2°×0.2°。编图指标为Ⅱ类建筑场地条件下的Max(αmaxⅡ100%/50Y，αmaxⅡ2%/50Y/1.9)，即取αmaxⅡ100%/50Y和αmaxⅡ2%/50Y/1.9二者大值。Tg根据50 a超越概率10%地震动峰值加速度αE与vE计算求得Tg=2π×vE/αE。

(6)基本地震动定义：相当于50 a超越概率10%的地震动，包括基本地震动峰值加速度和加速度反应谱特征周期Ⅱ类建筑场地条件下的基本地震动加速度定义为Max(αmaxⅡ100%/50Y，αmaxⅡ2%/50Y/1.9)。

(7)《中国地震动峰值加速度区划图》GB 18306－2015图A.1的主要特点：αmax共分0.05 g、0.10 g、0.15 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g六个分区，不再有小于0.05 g分区；0.10 g及以上地区面积由49%上升到58%，其中0.20 g及以上地区面积由12%上升到18%。

(8)《中国地震动加速度反应谱特征周期区划图》GB 18306－2015图B.1的主要特点：Tg共分0.35 s、0.40 s、0.45 s三个分区；0.40 s及以上地区面积由55%上升到59%，其中0.40 s由24%上升到27%，0.45 s由31%上升到32%。

1.3 主要变化

与第四代区划图相比，第五代区划图GB18306－2015的主要变化体现在如下几个方面：①全文强制改为条文强制；②增加了地震动、地震动参数、重大建设工程、一般建设工程、基本地震动、多遇地震动、罕遇地震动、极罕遇地震动等术语、定义；③扩充了II类建筑场地地震动峰值加速度确定、II类场地地震动加速度反应谱特征周期确定、场地地震动参数调整等内容；④修订了附录A、附录B中地震动参数的内容；⑤增加了全国城镇II类场地基本地震动参数、场地类别划分、地震动参数分区范围。

1.4 技术要素

(1)补编强震目录：共收编有记录以来至2010年底中国大陆及邻区4.7级以上破坏性地震8780次。

(2)复核修订1990年以前地震目录：新增10条，修订26条，列入疑难13条。

(3)潜在震源区模型：概率地震危险性分析方法PSHA于1968年由Cornell提出。第三代、第四代区划图采用了我国的概率地震危险性分析方法CPSHA(1996年)。

(4)地震动参数衰减关系分区：以地震区带为基本单元，共分为青藏区、新疆区、东部强震区、中部强震区。

(5)地震烈度衰减关系：采用境内377个4级以上地震等震线图，每个震级和烈度独立测定，长、短轴方向分别进行回归分析。

(6)地震动参数衰减关系：参考美国西部地区强震数据库16个地震268条记录，对6.5级以上、以下和长、短轴方向分别进行回归分析。加入汶川强震记录基岩强震数据，采用转换方法建立我国各分区的地震动参数衰减关系。

1.5 法规政策关系

《中国地震动参数区划图》GB 18306－2015是强制性国家标准，是关于建设工程地震安全和抗震设防的最低要求，是基础性标准，必须得到有效实施。

该标准是面向现在和未来的抗震设防标准，对已经建成的建设工程不具溯及力。也就是说，颁布实施前已经建成或已经批准并在建的工程应按照建设和批准建设时适用的标准进行抗震设防。

2 地震动参数的确定方法

2.1 地震动参数概念

(1)加速度反应谱参数：峰值加速度αm、平台值放大系数βm、第一拐点周期值T0、第二拐点周期值(特征周期)Tg见图1。

图1 工程抗震设计规范中设计地震动反应谱曲线

(2)第四代区划图的单参数调整：先确定基岩场地的地震动参数，而后基于I类和II类建筑场地之间的经验公式(1～1.25倍)确定II类建筑场地的峰值加速度；只对反应谱特征周期进行调整。

(3)各国对场地地震动参数调整：美国、加拿大、德国、印度等国家考虑了场地条件对峰值加速度的影响，并利用加大Tg值反映软弱场地的放大效应；中国第四代区划图、日本、澳大利亚等国家只考虑场地条件对Tg的影响而不对αm和βm进行调整。

(4)场地地震动效应研究：近年来国内场地影响系数Fa研究分析，表明基岩场地上峰值加速度总是小于附近土层，且持续时间较短。共性认识：①场地条件对地震动峰值加速度和反应谱平台值均有明显影响；②与基岩相比，土层对地震动峰值加速度和反应谱平台值总体趋势有放大作用；③相对II、III类建筑场地，IV类建筑场地放大作用较弱；④土层场地对地震动的放大作用总体上具有随地震动增强而减少的趋势。

(5)第五代区划图采用双参数调整：基于II类建筑场地，对地震动峰值加速度进行调整，调整系数为0.72～1.30，基于I1类建筑场地调整系数为0.90～1.63(见图2)；对场地基本地震动反应谱特征周期进行调整，增加了I0一档。

图2 不同类型场地影响系数随地震动峰值加速度αm变化曲线

2.2 地震动参数的确定

2.2.1 四级地震作用地震动峰值加速度

新增极罕遇地震(年超越概率10-4)、罕遇地震(50年超越概率2%)、常遇地震(50年超越概率63%)作用参数。与基本地震动比值分别为根据10485个计算点资料统计，建议K1、K2、K3分别取平均值2.9、1.9和1/3。

2.2.2 基本地震动峰值加速度αmax的确定

(1)首先查《中国地震动峰值加速度区划图》GB18306－2015图A.1，得到II类建筑场地条件下基本地震动峰值加速度分区值再结合工程场地类别，按附录E查表E.1(无需插值)得调整系数Fa，二者相乘得到不同场地条件下基本地震动峰值加速度

(2)标准附录C列举了乡镇所在地和县级以上城市的动参数值。

(3)分区界限附近地震动峰值加速度应按就高原则或专门研究确定。

2.2.3 基本地震动加速度反应谱特征周期Tg的确定

(1)首先查《中国地震动加速度反应谱特征周期区划图》GB18306－2015图B.1，得到II类建筑场地条件下基本地震动反应谱特征周期分区值再结合工程场地类别，确定不同建筑场地条件下基本地震动加速度反应谱特征周期

(2)标准附录C列举了乡镇所在地和县级以上城市的动参数值。

(3)分区界限附近地震动峰值加速度应按就高原则或专门研究确定。

2.2.4 多遇地震动、罕遇地震动、极罕遇地震动峰值加速度的确定

当工程需要时，多遇地震动、罕遇地震动、极罕遇地震动峰值加速度的确定流程如下：①查标准附录A得到II类场地条件下基本地震动峰值加速度分区值；②乘以K1、K2、K3分别得到II类场地条件下极罕遇地震动、罕遇地震动、多遇地震动等各级地震作用下的峰值加速度；③查表E.1通过对加速度进行线性插值，求得调整系数，最后得到不同场地条件下多遇地震动、罕遇地震动、极罕遇地震动等各级地震作用下的峰值加速度。

2.2.5 多遇地震动、罕遇地震动加速度反应谱特征周期的确定

当工程需要时，多遇地震动、罕遇地震动加速度反应谱特征周期的确定流程如下：①查标准附录B得到II类场地条件下基本地震动加速度反应谱特征周期分区值；②查表1得到不同场地条件下的加速度反应谱特征周期调整值；③多遇地震动加速度反应谱特征周期按基本地震动加速度反应谱特征周期取值，罕遇地震动加速度反应谱特征周期应大于基本地震动加速度反应谱特征周期取值，增幅不低于0.05 s。

2.2.6 地震动放大系数反应谱平台值的确定

(1)强震动观测记录分析结果，NGA数据库152个地震3896条加速度反应谱记录、汶川主震112条和庐山地震62条加速度反应谱记录，平台值均值基本位于2.5附近。

(2)标准附录F地震动峰值加速度按阻尼比5%的规准化地震动加速度反应谱最大值(αmaxβm)的1/2.5倍确定，也就同时规定了放大系数为2.5。

2.2.7 场地地震动峰值加速度与地震烈度的关系

当需要采用地震烈度作为地震危险性的宏观衡量尺度用于工程抗震设防或防震减灾目的时，可将相应地震动峰值加速度转换为II类建筑场地地震动峰值加速度后，再按标准附录G确定地震烈度。地震烈度共分为VI、VII、VIII、IX和≥X等5档，对应于基本地震动作用下的地震烈度可以理解为第三代、第四代区划图的“地震基本烈度”。

3 工程应用问题的思考与建议

3.1 地震安全性评价问题

我国《防震减灾法》规定，重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程，应当进行地震安全性评价和其所确定的抗震设防要求进行抗震设防。一般建设工程按照地震烈度区划图或者地震动参数区划图所确定的抗震设防要求进行抗震设防。

从法规层面讲，第五代区划图适用于一般建设工程的抗震设防，重大建设工程仍需进行地震安全性评价。

根据《中国地震局关于贯彻落实国务院清理规范第一批行政审批中介服务事项有关要求的通知》(中震防发[2015]59号)，需开展地震安全性评价确定地震设防要求的建设工程项目(暂行)清单中，除核电、大型水利水电工程，以及特殊设防类(甲类)房屋建筑和城市基础设施工程外，其它工程项目，包括发电、输电工程均不再需要进行地震安全性评价工作。

3.2 区划图分区界限附近取值问题

第五代图明确规定了分区界限附近地震动参数应按就高原则或专门研究确定。由于地震研究程度差和区划图编制精度低等历史原因，第三代区划图时电力行业解释为±2 mm即分区线两侧8 km范围，各省市自治区对分区界限附近也有不同的解释。

随着全国范围地震研究程度不断加深，第五代图的制图和计算精度已提高至场点密度0.1°×0.1°，场点图示范围约5～7 mm2，相当于每80～110 km2有一个计算场点，是第四代图0.2°×0.2°的4倍精度。参考区划图中县级以上城市取值实例，城市中心距离分界线2 km(图示距离0.5 mm)较低一侧的部分县城，也并未取高值。在对区划图进行初始化处理、采用经纬度精确定位等条件下，笔者认为，取分区线两侧8 km的范围已偏于保守。

因此建议，当场地位于分区界限较低一侧，场地中心距离分界线(中线)2 km以上(图示距离大于0.5 mm)或场地边界范围偏离分区线(线宽约0.2 mm、不压线)时即可取低值。

3.3 各级地震作用下的地震动参数问题

除基本地震动作用外，本标准还规定了多遇地震动、罕遇地震动、极罕遇地震动作用下的峰值加速度和多遇地震动、罕遇地震动作用下地震动加速度反应谱特征周期的确定方法。

笔者认为，本区划图实施后，抗震设计规范等抗震设防标准亦会有一个相应调整、修订的过程。目前情况下，还是习惯性提供基本地震动作用下地震动参数为宜，仅当工程抗震设防需要时亦可提供其它各级地震作用下的地震动参数。

3.4 地震动参数的建议

(1)为避免出现误用，地震动参数应直接从第五代区划图查取。第五代区划图附录C列出了全国各省(自治区、直辖市)乡镇政府所在地、县级以上城市的II类场地条件下基本地震动峰值加速度和加速度反应谱特征周期值，其仅代表了乡镇和城市中心地区的地震动参数值，而不能代表其行政区划全范围的参数值，行政中心地区和行政偏远地区的参数值可能不一定相同。

(2)对发电和输电工程，先提供II类场地条件下基本地震动峰值加速度、反应谱特征周期，再按场地类别分区段提供调整后的基本地震动峰值加速度、反应谱特征周期，并在平面图上标示场地类别界线。

对线路工程，可研阶段、初步设计阶段可按不同路段分别提供II类场地条件下基本地震动峰值加速度和按场地类别调整后的基本地震动峰值加速度，并在报告书插图上标示分界线。施工图设计阶段应逐基提供II类场地条件下基本地震动峰值加速度和按场地类别调整后的基本地震动峰值加速度。根据工程需要，亦可提供加速度反应谱特征周期。