中国与孟加拉国地震动参数对比研究

华丽晶

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

孟加拉国自然环境和地质条件较复杂，基础建设发展相当落后[1-4]，在近几年共建“一带一路”倡议的推动下，中国在孟加拉国承担的铁路、道路和市政等工程项目日益增多[5-6]。但孟加拉国位于地震活跃地带，这些项目的岩土工程勘察与设计均需执行孟加拉抗震标准或国际抗震标准[7]。

我国GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)[8]、GB 18306—2015中国地震动参数区划图[9]、GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准[10]等抗震设计标准均属于中国工程勘察与设计行业的通用标准。孟加拉建筑规范中关于地震作用的规定是依据美国规范的体系编制的，如孟加拉国建筑规范《Bangladesh National Building Code 2020》[11]大体上是基于IBC-06国际建筑规范[12]和美国土木工程协会标准ASCE 7-05 建筑物和其他构筑物最小设计荷载[13]制定的。虽然目前中国与世界其他国家抗震理念相似，但由于规范体系的差异，中国抗震规范和孟加拉国抗震规范从设计理念至抗震计算公式区别均较大。将我国工程抗震规范与孟加拉国工程抗震规范进行比较，找到这些抗震规范之间的内部联系和区别，可将孟加拉国的工程勘察资料按照国内相关规范进行相互对比与相互转换，方便中国工程师快速掌握当地的抗震设计要求，正确选择和应用各项工程抗震参数，在满足当地工程抗震规范的前提下进行工程抗震设计，有利于顺利开展建筑工程项目。

本文以孟加拉国建筑规范《Bangladesh National Building Code 2020》BNBC(2020)Part 6为蓝本，对其中地震动参数设计理念、地震区划、场地类型和设计反应谱等多方面进行了论述，将国内的主要工程抗震规范和孟加拉国BNBC2020进行对比，以滋相关专业勘察设计人员进行探讨与参考。

1 抗震设防标准

目前中国普遍采用《建筑抗震设计规范》《中国地震动参数区划图》《建筑工程抗震设防分类标准》等抗震设计规范，其中抗震标准和两图一表的相互结合为国标的基本特征。

中国抗震规范包含的主要概念有：超越概率、重现期、土的类型、场地类型、设计基本地震加速度、设计特征周期、抗震设防烈度、地震基本烈度以及地震分组等。具有以下特征：采用“三水准设防目标，两阶段设计步骤”；依据岩土名称和性状，并结合土层剪切波速划分土的类型；地震区划图采用的50 a超越概率10%，场地条件为硬土，即Ⅱ类场地作为标准场地；采用了双轨制的办法，同时使用地震动参数区划图与地震烈度区划图，即设计基本地震加速度与基本地震烈度；地震动参数有：峰值加速度、加速度反应谱特征周期值与加速度反应谱平台值。

目前孟加拉国普遍采用孟加拉国建筑抗震设计遵循《国家建筑规范》即《Bangladesh National Building Code》(下文简称 BNBC2020)。BNBC2020适用于该规范规定的所有建筑物或构筑物。

BNBC2020规范包含的主要概念有：超越概率、场地类型、峰值加速度、加速度反应谱特征周期值、地震分区系数等。具有以下特征：采用单一的抗震设防目标和概率设计理念；采用三个指标对建筑场地进行分类：土层标贯次数、剪切波速和不排水剪切强度，将场地划分为7类；地震分区图采用最大考虑地震MCE和设计基准地震DBE来衡量地震作用；主要地震动参数包括峰值加速度PGA与加速度反应谱特征周期值Tc等。

1.1 建筑重要性类别

BNBC2020规范根据建筑物和其他构筑物使用性质，按照建筑物倒塌对人类生命的后果、对震后即刻的公共安全和民防的重要性以及倒塌的社会和经济后果，将建筑物分为四类，如表1所示。建筑物类别从Ⅰ到 Ⅳ，其中Ⅰ类代表在发生故障时对人类生命危害较小的建筑物和其他构筑物，Ⅳ类代表关键设施。每个建筑物或其他构筑物应被分配到最高适用的使用分类级别。应允许根据用途和评估的荷载条件类型将同一结构划分为多个使用类别。按照表1所划分的建筑物类别，根据使用类别的不同，建筑物可以采用大于1的重要性系数来设计更高的地震力。

表1 建筑物分类及重要性系数

1.2 抗震设防标准

《建筑抗震设计规范》中抗震设防目标可总结为：“大震不倒、中震可修和小震不坏”。

BNBC2020中抗震设防目标：为新结构物的设计和施工提供指导，以在遭受地震地面运动时将所有的结构寿命风险降到最低；与普通建筑相比，增加高使用率建筑的预期性能，并改进关键性结构在地震后的功能；在重大地震中设计和建造建筑物而不造成任何损害，在经济上是不容许的。因此，在不影响结构体完整性的情况下，在结构的首选位置允许非弹性变形与结构破坏的产生，且防止在大震时结构倒塌。

从抗震设防目标而言，BNBC2020与《建筑抗震设计规范》相似，规定结构在大震中不能倒塌，对于重要的结构需保证地震后的工作性能，类似于《建筑抗震设计规范》中“大震不倒，中震可修”的抗震设防理念。

2 地震动参数相关规定及对比分析

2.1 地震区划

《建筑抗震设计规范》是依据50 a超越概率10%的地震基本烈度(中震)将我国划分为四个区(6度、7度、8度、9度)，然后按每个区50 a超越概率63%的众值烈度(小震)的地面运动加速度峰值来计算地震作用。

BNBC2020定义地震的影响采用最大考虑地震，其在50 a有2%的超越概率。BNBC2020中地震作用是用最大考虑地震MCE和设计基准地震DBE来衡量。根据地震震中分布、地面运动衰减、地球物理和构造数据等，将全国划分四个地震区，每个地震分区对应一个分区系数Z，其代表在非常坚硬的土壤或岩石(SA场地)上考虑的最大地震动峰值加速度(PGA)，详如表2所示。将PGA与分区系数的乘积乘以2/3可得到设计基准地震，再修正系数可得计算到地震作用。BNBC2020未明确DBE的超越概率，但可取为5%～10%。

表2 孟加拉地震分区系数

2.2 场地类型

《建筑抗震设计规范》判定根据覆盖层厚度与剪切波速，将场地分成4类(Ⅰ类包含两个亚类：Ⅰ0与Ⅰ1)，其中覆盖层厚度最大为20 m。

BNBC2020基于场地地表以下30 m以内的土壤特性(标贯击数、平均剪切波速、不排水抗剪强度)，将场地划分为SA,SB,SC,SD,SE,S1和S2类型，详见BNBC2020规范，其中覆盖层计算厚度为30 m。

BNBC2020中SA类场地的平均剪切波速大于800 m/s，近似于《建筑抗震设计规范》中的Ⅰ0类场地；但BNBC2020中其他各类型场地的覆盖土层的描述和平均剪切波速均无法与《建筑抗震设计规范》准确对应。BNBC2020中SE类场地，基岩埋深介于5 m与20 m之间时，《建筑抗震设计规范》判定为Ⅱ类，而BNBC2020认为SE类场地下地震会对建筑结构产生较大影响，应增大地震设计参数；S1和S2场地下，BNBC2020要求开展专门的设计反应谱研究，但《建筑抗震设计规范》只需根据覆盖层厚度，按Ⅲ类或Ⅳ类场地开展抗震设计。因此BNBC2020抗震要求最严格。

2.3 地震动峰值加速度

2.3.1 中国标准与孟加拉标准设计地震动峰值加速度异同

BNBC2020定义岩石或非常坚硬的土壤，即SA场地，设计基准地震动峰值加速度PGA=2/3(ZI/R)，然而，在设计中，地震动是通过反应衰减系数R以及结构重要性系数I来修正的，因此：

(1)

BNBC2020抗震设计中，地震动参数主要为地震区划或地震区划系数Z，即地震动峰值加速度，反应谱曲线中的TC对应于《建筑抗震设计规范》中的特征周期Tg，然后根据场地土分类、建筑物重要性系数I、结构自振周期T、反应修正系数(结构体系阻尼比)R通过简化方程系列修正得到相应场地的设计地震动峰值加速度。

《建筑抗震设计规范》给出了Ⅱ类场地抗震设防烈度与基本地震动峰值加速度。而BNBC2020明确了SA类场地下最大考虑地震加速度，近似于《建筑抗震设计规范》中Ⅰ0类场地下罕遇地震峰值加速度。

2.3.2 中国标准与孟加拉标准设计地震动峰值加速度的转换

《建筑抗震设计规范》列出了Ⅱ类场地下PGA向其他场地类别变化的系数Fa，因此Ⅰ0类场地罕遇地震动PGA可以反过来计算Ⅱ类场地下罕遇地震动PGA，根据《中国地震动参数区划图》中的附录E得出式(2)：

amax(Ⅱ，50,2%)=amax(Ⅰ0，50,2%)/Fa

(2)

其中，amax(Ⅱ,50,2%)为Ⅱ类场地下罕遇地震动PGA；amax(Ⅰ0,50,2%)为Ⅰ0类场地下罕遇地震动PGA；Fa为场地调整系数，取值参照《中国地震动参数区划图》中的附录E。

从技术层面来讲，目前贵州省内可研发并应用的农机化优化技术很多，当然，整体思路还是要做到因地制宜，积极创新采用多模式实现农作物水稻的育插秧机械化，推广工厂化育秧技术和集中播种分散育秧技术。另外就是要全面推广庭院小棚育秧、拌浆育秧这些适合于个体农户的农机化技术，做到农机化技术工艺优化点面结合，切实解决困扰省内多年的水稻机设备插秧育秧难的现实难题。

由于BNBC2020中SA类场地最大考虑地震PGA近似于中国规范中Ⅰ0类场地罕遇地震PGA，因此可得式(3):

amax(Ⅱ，50,2%)=amax(SA，50,2%)/Fa

(3)

中国规范中基本地震动PGA是罕遇地震动PGA的确定基准，因此可根据Ⅱ类场地罕遇地震动PGA反过来计算基本地震动PGA，得出式(4)：

amax(Ⅱ，50,10%)=amax(Ⅱ，50,2%)/K

(4)

根据式(3)和式(4)可知：

amax(Ⅱ，50,10%)=amax(SA，50,2%)/(Fa·K)

(5)

其中，K为Ⅱ类场地下罕遇地震动PGA与基本地震动PGA之比，其取值分别见《建筑抗震设计规范》《中国地震动参数区划图》。

根据式(5)分别转换计算孟加拉国四个不同地震分区下的最大考虑地震加速度amax(SA，50，2%)=0.12g,0.20g,0.28g,0.36g，换算结果如表3所示。

表3 中国地震加速度分区与孟加拉国地震分区的换算关系

2.4 地震反应谱

地震反应谱为既定地震加速度作用下，质点自振周期对单质点体系弹性最大反应的影响曲线。在各国抗震标准中，弹性反应谱理论仍是现阶段抗震设计的最基本理论[15]。

2.4.1 设计反应谱加速度

反应谱基于弹性分析，但为了考虑非弹性变形引起的能量耗散和结构冗余，通过引入反应修正系数R来降低谱加速度[16]。结构设计时，选取最大考虑地震(MCE)地震动水平的2/3作为设计基本地震(DBE)。设计地震的谱加速度由式(6)给出。

(6)

其中，Sa为设计谱加速度(不小于0.67bZIS，g)；b为用于计算设计谱加速度Sa下限的系数，推荐值为0.15；Z为地震分区系数，取值见表2;I为结构重要性系数，取值见表1；R为反应衰减系数，根据结构体系类型取值，取值详见BNBC2020规范，I/R比值不能大于1；Cs为结构(建筑物)周期和土壤类型(场地等级)函数关系标准化的加速度反应谱。

基于非弹性分析的反应谱，直接使用设计基本地震(DBE)，根据式(6)(采用R=1，I=1)获取对应的设计加速度反应谱。

2.4.2 标准化的设计地震加速度反应谱

在标准化的加速度反应谱(Cs)中考虑了土体局部条件对反应谱的影响，其取决于土壤系数S,以及作用不同场地等级的TB,TC,TD(见表4)，介于TB和TC的Cs表示恒定的谱加速度，典型类型的弹性反应谱加速度(系数)曲线图和不同场地类别的标准化的设计地震加速度反应谱函数曲线如图1所示[17]。

由于S1型场地土具有极低的剪切波速和低的材料阻尼，能产生异常的场地放大和土与结构相互作用效应；S2型场地土具液化性及湿陷性特点对结构在地震动时可产生较大的破坏。故对于代表特殊土壤类型S1或S2的场地或重要的项目，应针对局部地震动进行特异性研究以获得设计反应谱，而不是使用简化方程式(6)。这种通过场地特异性分析的目的是确定场地条件在局部地震下的地震动，其置信度比使用简化方程式高。

《建筑抗震设计规范》与BNBC2020设计反应谱曲线(如图1所示)形状相似，分为升高段、水平段与降低段。《建筑抗震设计规范》中结构阻尼比、抗震设防烈度、场地特征周期对反应谱曲线取值存在影响；BNBC2020中结构的阻尼比、结构重要性系数、场地土坚硬程度、结构延性、区域系数对设计反应谱曲线取值存在影响。

中国建筑抗震规范和BNBC2020的主要区别如下：

1)《建筑抗震设计规范》未明确标准化反应谱受场地土质变化的影响程度，仅特征周期Tg受到影响，BNBC2020中标准反应谱大小受场地放大系数S影响，放大系数S的最大和最小值分别为1.4与1。在完好基岩场地和0.05阻尼比条件下，《建筑抗震设计规范》标准化反应谱水平段数值为1，BNBC2020为2.5。

2)当场地类型为Ⅰ0，阻尼比为0.05，结构自振周期最大和最小值分别为1 s与0.2 s时，《建筑抗震设计规范》中标准反应谱曲线的降低段衰减指数为0.9，曲线降低段衰减速率大于直线降低段。在SA类场地(场地类型同中国规范Ⅰ0)，0.05阻尼比时，BNBC2020结构自振周期水平段值为0.2 s～0.4 s，当达到0.4 s～2 s时，衰减指数增长到1，高于同一场地类别下《建筑抗震设计规范》速率，结构自振周期增大到2 s～4 s时，衰减指数为2，远大于《建筑抗震设计规范》对应数值。当《建筑抗震设计规范》规准化反应谱周期截止到6 s时，BNBC2020只截止到4 s。根据两国规准化反应谱的对比可知，在场地均为完好基岩的前提下，《建筑抗震设计规范》规准化反应谱水平段(0.2 s～Tg)数值远低于BNBC2020；在直线降低段(Tg～2 s)的衰减指数略低于BNBC2020，在曲线降低段(Tg>2 s)时衰减指数远低于BNBC2020。

3)在进行地震作用下结构的弹性动力分析时，BNBC2020直接采用近似于地震基本烈度的地震动参数。为了得到弹性计算反应谱，BNBC2020将“设计地震”反应谱除以反应谱修正系数R，近似于《建筑抗震设计规范》中“多遇地震”。依据结构延性状态对R取值，R与结构延性成正比。

4)BNBC2020规定应采用地震安全性评估报告得出的场地反应谱或根据BNBC2020给定的标准反应谱进行抗震设计。中国抗震设计应采用《建筑抗震设计规范》给定的标准反应谱。

3 结论

本文从建筑重要性类别和抗震设防标准两方面系统对比中国和孟加拉国抗震设计规范中地震动参数设计理念差别，从地震区划、场地类型、地震反应谱、地震动参数取值等方面系统对比中孟规范中抗震设计基本规定。通过本文的对比研究，主要得出以下结论：

1)BNBC2020中地震作用是用最大考虑地震和设计基准地震来衡量。根据地面运动衰减和地球物理数据等，将全国划分四个地震区。将每个区的分区系数乘以2/3得到设计基准地震，再修正系数可得计算到地震作用。

2)从抗震设防目标而言，BNBC2020规定结构在大震中不能倒塌，对于重要的结构需保证地震后的工作性能，近似于《建筑抗震设计规范》中“大震不倒，中震可修”的抗震设防理念。

3)BNBC2020抗震要求比《建筑抗震设计规范》更严格。BNBC2020中SA类场地的平均剪切波速大于800 m/s，与《建筑抗震设计规范》的Ⅰ0类场地基本对应；BNBC2020中SE类场地，《建筑抗震设计规范》判定为Ⅱ类，而BNBC2020认为应增大地震设计参数；在S1和S2场地下，BNBC2020要求开展专门的设计反应谱研究，但《建筑抗震设计规范》只需根据覆盖层厚度，按Ⅲ类或Ⅳ类场地开展抗震设计。

4)《建筑抗震设计规范》给出了Ⅱ类场地抗震设防烈度与基本地震动峰值加速度。而BNBC2020明确了SA类场地下最大考虑地震加速度，近似于《建筑抗震设计规范》中Ⅰ0类场地下罕遇地震峰值加速度。

5)《建筑抗震设计规范》中结构阻尼比、抗震设防烈度、场地特征周期均对反应谱曲线取值存在影响；BNBC2020中结构的阻尼比、结构重要性系数、场地土坚硬程度、结构延性、区域系数对设计反应谱曲线取值存在影响。