地震环境下不同重要性建筑的抗震设防水准_马玉宏

收稿日期:2004-08-10;　修订日期:2004-10-01
基金项目:国家自然科学基金资助项目(59895410);地震学联合基金和国家重点基础研究发展规划项目(95130603) 作者简介:马玉宏(1972-),女,黑龙江穆棱人,博士,主要从事防震减灾工程研究.
文章编号:1004-4574(2004)05-0117-05
地震环境下不同重要性建筑的抗震设防水准
马玉宏1
,谢礼立
2,3
,赵桂峰
4
(1.广州大学工程抗震研究中心,广东广州510405;2.中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨150080;
3.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001;
4.广州大学土木工程学院,广东广州510405)
摘要:针对我国进行建筑物重要性分类时没有考虑地震环境影响的现实,采用地震危险性分析的方法将我国划分为地震危险性不同的3个区。

同时,在采用调整设计基准期来标定建筑的重要性类别的基础上,利用地震动参数的危险性曲线,分析了不同重要性建筑在不同危险性特征分区内、不同设防概率水准(常遇、偶遇、罕遇地震)下的地震动参数(设防烈度、地震影响系数和地震地面运动加速度)的取值,最终证实调整结构的设计基准期并考虑地震环境的影响是标定结构的重要性从而调整设防等级的一种好方法。

关键词:地震危险性分析;超越概率;抗震设防水准;地震动参数;重要性分类中图分类号:P315.9 文献标识码:A
Seismic design levels of building structures with different importance
factors in consideration of earthquake environment
MA Yu -hong 1,XIE Li -li 2,3,ZHAO Gui -feng 4
(1.Earthquake Engineering R es earch Test Center ,Guangz hou Univers it y ,Guangzhou 510405,China ;2.Ins titute of Engineering Mechanics ,China Earthquake Adminis tration ,Harbin 150080,China ;3.Harbin Ins titute of Tec hnology ,Harbin 150001,China ;
4.School of Civil Engineering ,Guangz hou U niversit y ,Guangzhou 510405,China )
A bstract :The influence of earthquake envir onment is not considered during classifying importance of building structures in China .In this paper ,the whole range of China is classified as three zones with differ ent seismic hazard characters by the method of seismic hazard analysis .At the sa me time ,the service period of buildings is rec ommended to demarcate importance of buildings .Then ,according to the seismic hazard curve for mulas of various ground motion parameters ,the
ground motion parameters at the three design levels of the buildings with different importance are analyzed in c onsideration of various seismic hazard characteristics of the region where buildings located .The research indicates that this method can correctly reflect importance of the buildings .Key words :seismic hazard analysis ;exceedance pr obability ;seismic design level ;ground motion para meter ;classifica -tion of importance
我国现行的建筑抗震设计规范(GB50011-2001)将建筑物的重要性分为甲、乙、丙、丁四类,并相应采用不同的设防等级,但对地震作用不作重要性调整(甲类应高于本地区抗震设防烈度的要求,其值应按批准的地震安全性评价结果确定),仅采用增减烈度的方法对不同重要性类别的建筑采取不同的抗震措施及构造措
13卷5期2004年10月自　然　灾　害　学　报JOURNAL OF NATURAL DISASTERS Vol .13,No .5Oct .,2004
施。

由于增减烈度的方法会导致不同地区设防标准的不协调,可能造成有的地区设防标准过高、偏于安全保守,有的地区则设防标准偏低、存在不安全隐患。

不考虑所在地区存在的地震危险性差异,同样重要性类别的建筑物采取相同的抗震措施,当位于不同地震危险性地区时,其抗震能力的增减差别会很大。

也就是说,同样重要性类别的建筑物,在不同危险性特征区内,其抗震能力的提高完全可能是不同的,体现不出它真正的重要性含义。

而事实上,我国地域辽阔,每个地区的地震活动性都很不相同,因此在确定不同重要性建筑的设防水准时考虑地震危险性的差异是十分必要的。

本文在采用调整设计基准期来标定建筑物重要性类别的基础上,采用地震危险性分析的方法将我国划分为地震危险性不同的3个区,并利用地震动参数的危险性曲线,分析不同重要性建筑在不同危险性特征分区内、不同设防概率水准(常遇、偶遇、罕遇地震)下的地震动参数(设防烈度、地震影响系数、地震地面运动加速度)的取值。

1　中国地震危险性特征分区
目前地震工程研究者普遍接受的观点是:烈度的概率分布符合极大值的极值III 型
[1]
,即
F III (i )=exp [-(ω-i ω-ε
)k
] (i ≤ω)
(1)
式中:F III (i )为分布函数;ω为上限值,对于地震烈度,一般取ω=12度;ε为众值烈度;k 为形状参数。

为方便起见,利用《中国地震烈度区划图(1990)》中给出的50a 超越概率10%对应的基本烈度I 0值,可推导出烈度的危险性曲线公式:
lg {-ln [1-P (I ≥i )]}+0.9773=k lg (ω-i
ω-I 0
)
(2)
式中,P (I ≥i )为烈度i 相应的超越概率,其它符号同上。

以形状参数k 作为表征不同地区地震危险性差异的特征参数,通过对全国及邻区6376个点的k 值的分析可将全国分为地震危险性不同的3个区:Ⅰ区(k =6)、Ⅱ区(k =10)、Ⅲ区(k =20),所编制的《中国地震危险性特征区划图(草图)》见图1。

图1　中国地震危险性特征区划图(草图)
Fig .1　Seismic hazard character zoning map of china (sketch map )
(注:由于缺少台湾省和华南部分地区的统计数据,所以造成了图中的空白区)
2　地震动参数危险性曲线
在我国抗震设计规范中对结构进行抗震验算时,地震影响系数α是表征结构地震作用的关键参数,该参数包含了地面运动的强烈程度和结构反应的大小。

利用地震影响系数αmax 与烈度I 的数量关系及烈度的危险性曲线公式,可推导出αmax 的危险性曲线公式为
lg [-ln (1-P )]+0.9773=k lg (0.85-lg αmax
0.85-lg α10max
)(3)
·118·自　然　灾　害　学　报 13卷
式中,α10
max 为50a 超越概率10%
对应的地震影响系数最大值,见表1;P 为地震影响系数对应的超越概率,k 为形状参数。

表1
3个烈度水准不同烈度所对应的αmax 值(
GB50011—2001)Table 1　Seismic influence coefficient αmax for three design levels (
GB50011-2001)烈度6度7度8度9度多遇地震(小震)0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32偶遇地震(基本烈度)0.120.23(0.34)0.45(0.68)0.90罕遇地震(大震)
-0.50(0.72)
0.90(1.2)
1.40
地面运动加速度值是抗震设计规范中的一项重要基本参数,在工程设计中其取值的高低直接影响抗震设防的标准和基本建设投资。

我国抗震设计规范将50a 设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值定义为设计基本地震加速度。

根据设计基本地震加速度A 10max 与烈度的数量关系,采用与烈度和地震影响系数危险性曲线公式类似的推导方法,可推导出地面最大加速度A 10
max 的危险性曲线公式:
lg {-ln [1-P ]}+0.9773=k lg (1.5-lg A max
1.5-lg A 10max )(4)
式中:P 为对应的超越概率值;k 为形状参数;A 10ma x 为相应于50年超越概率10%
的地震地面最大加速度,见表2。

表2
3个烈度水准不同烈度所对应A max 的值(GB50011-2001)
Table 2　M aximum ground motion acceleration A max for three design levels (GB50011-2001)
cm /s 2
烈度6度7度8度9度多遇地震(小震)1835(55)70(110)140偶遇地震(基本烈度)50100(150)200(300)400罕遇地震(大震)
--220(310)
400(510)
620
3　用设计基准期标定建筑的重要性类别
建筑物的设计基准期不同,其重要性就会不同,例如,一般建筑的设计基准期可采用50a ,而核工业建筑由于其重要性,设计基准期可采用200a 。

因此采用设计基准期T L 来标定建筑的重要性类别能够直观地体
现各类建筑的重要性含义。

文献[3]通过分析给出了不同重要性建筑设计基准期的合理建议值,甲、乙类建筑的设计基准期T L 由50a 延长到200a ,100a ,而丁类建筑的设计基准期则由50a 缩短到40a ,见表3[3],从而定量说明了甲、乙、丙、丁这4类建筑重要性的差别。

此外,根据发生在T L =50·φ年内复发周期为T R 年的地震的超越概率P 与在50a 内发生同样复发周期T R 的地震的超越概率P ″之间的关系(见式(5))求得设计基准期不同的4类建筑的相当超越概率见表3。

P ″=1-(1-P )
1/φ
(5)
表3
不同重要性建筑不同设防水准的相当超越概率
Table 3　Correspondin g exceedance probability of the building with different importance
factors at different design levels
%
重要性类别甲类
乙类丙类丁类T L =200T L =100T L =50T L =40常遇地震(T L a ,63%)22
39
63
71偶遇地震(T L a ,10%)351012罕遇地震(T L a ,3%)
0.8
1.5
3
4
4　考虑地震环境的各类建筑不同概率水准下的设防参数分析
在已知各类建筑设计基准期、地震危险性分区及不同设防水准的相当超越概率P ″的情况下,利用地震动参数危险性曲线公式(2),(3),(4)可分别求得任意给定不同类别的建筑在50a 内不同概率水准相应的设
·
119·5期马玉宏等:地震环境下不同重要性建筑的抗震设防水准
防烈度、地震影响系数最大值和地面最大加速度A max 的值。

各类建筑在不同分区内的计算结果见表4～表6。

表4　各类建筑不同危险性分区下不同概率水准的设防烈度
Table 4　Seismic fortification intensities of the buildings for three seismic design levels
in different seismic hazard characteristic zones
度
类别超越概率6度
7度8度9度Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区常
遇地震
甲200a ,63%5.15.55.76.26.66.87.47.67.88.58.78.9乙100a ,63%4.25.05.55.56.26.66.87.37.78.18.58.8丙50a ,63%3.34.55.34.75.76.46.27.07.57.68.28.6丁40a ,63%3.04.35.24.55.66.36.06.97.57.58.28.6偶遇地震
甲200a ,10%7.26.86.48.07.67.38.88.58.39.69.49.2乙100a ,10%6.76.46.27.67.37.28.48.38.19.39.29.1丙50a ,10%666777888999丁40a ,10%5.85.95.96.86.977.97.98.08.98.99.0罕遇地震
甲200a ,3%8.17.46.78.78.17.69.48.98.510.09.79.4乙100a ,3%7.77.16.68.47.97.59.18.78.49.89.59.3丙50a ,3%7.16.76.47.97.67.38.78.58.29.69.49.2丁
40a ,3%
6.9
6.5
6.3
7.7
7.5
7.2
8.6
8.4
8.2
9.4
9.3
9.1
表5　各类建筑不同危险性分区下不同概率水准的地震影响系数
Table 5　M aximum seismic influence coefficients αmax of the buildings for three seismic design levels
in different seismic hazard characteristic zones
类别
6度
7度8度9度Ⅰ区
Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区
Ⅱ区
Ⅲ区
Ⅰ区
Ⅱ区
Ⅲ区
Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区常
遇地震
甲0.060.080.100.14(0.21)0.17(0.26)0.20(0.30)0.30(0.47)0.35(0.55)0.40
(0.61)0.660.750.82乙0.040.060.090.08(0.14)0.13(0.20)0.18(0.27)0.20(0.34)0.28(0.46)0.36(0.56)0.490.640.76丙0.020.040.070.05(0.09)0.10(0.16)0.15(0.24)0.13(0.24)0.23(0.38)0.32(0.52)0.350.540.71丁0.020.040.070.04(0.07)0.09(0.15)0.15(0.23)0.11(0.21)0.21(0.35)0.31(0.50)0.320.500.69偶遇地震
甲0.260.190.150.44(0.60)0.34(0.48)0.28(0.41)0.75(1.05)0.62(0.89)0.53(0.78)1.321.151.02乙0.190.160.140.34(0.48)0.29(0.42)0.26(0.38)0.62(0.89)0.55(0.80)0.50(0.74)1.141.040.97丙0.120.120.120.23(0.34)0.23(0.34)0.23(0.34)0.45(0.68)0.45(0.68)0.45(0.68)0.900.900.90丁0.100.110.120.21(0.31)0.22(0.32)0.22(0.33)0.41(0.63)0.43(0.65)0.44(0.66)0.840.870.88罕遇地震
甲0.500.300.200.76(0.98)0.50(0.68)0.35(0.49)1.18(1.54)0.84(1.16)0.63(0.90)1.851.441.16乙0.370.250.180.59(0.79)0.42(0.58)0.32(0.45)0.96(1.30)0.73(1.03)0.58(0.85)1.591.301.09丙0.260.190.150.44(0.60)0.34(0.48)0.28(0.41)0.75(1.05)0.62(0.89)0.53(0.78)1.321.151.02丁
0.22
0.17
0.15
0.38(0.53)0.31(0.45)0.27(0.39)0.67(0.96)0.58(0.84)0.51(0.76)
1.22
1.09
0.99
由表4～表6可见:
(1)在同一设防水准下,不同危险性分区内,某类建筑某一烈度对应的地震烈度、地震影响系数及地面运动最大加速度的差异均较大,而不是一个固定值,说明在确定不同重要性结构的抗震设防水准中考虑不同地区地震危险性的差异是十分必要的;
(2)在常遇地震下,从I 区至III 区,某类建筑的设防烈度、地震影响系数及地面最大加速度均逐渐增大;
·120·自　然　灾　害　学　报 13卷
而在罕遇地震的情况则恰好相反,说明在不同危险性特征区内进行截面设计、强度验算及弹塑性变形验算时需设防的地震动参数差别很大。

规范在规定设防地震动参数时没有考虑地震危险性的差异会造成有的地区
偏于保守,有的地区偏于不安全;
(3)在相同的特征分区和设防水准下,甲类建筑的地震影响系数及地面运动最大加速度均大于乙、丙、丁类建筑,说明在同一危险性特征区内,甲类建筑需设防的烈度最大,设防的标准最高,乙、丙、丁类建筑的设防标准依次降低,真正体现了建筑结构不同重要性的差异。

表6　各类建筑不同危险性分区下不同概率水准的地面最大加速度A max
Table 6　Maximum ground motion acceleration A max of the buildings for three seismic design levels
in different seismic hazard characteristic zones
cm /s 2
类别
6度
7度8度9度Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区多
遇地震
甲27354259(94)73
(114)86
(131)131
(209)156
(243)177
(271)291332365乙15253636(61)56(90)76(117)89(150)126(202)160(248)217283339丙8183121(38)42(70)66(104)57(103)100(166)144(227)157238313丁6162917(32)38(64)64(101)49(91)93(155)139(220)140224305偶遇地震
甲1098164191(265)150(214)123(180)335(466)276(395)236(346)588509453乙806758148(212)127(185)113(167)273(392)242(353)221(326)505462430丙505050100(150)100(150)100(150)200(300)200(300)200(300)400400400丁44464889(136)93(141)97(146)183(278)190(287)195(293)374384392罕遇地震
甲21212883334(434)219(300)152(217)524(682)374(512)279(399)823640513乙157********(348)184(257)138(199)429(575)326(455)258(373)708576484丙1098164191(265)150(214)123(180)335(466)276(395)236(346)589510453丁
92
73
61
166(234)
137(197)
117(173)
299(423)
257(371)
227(334)
541
482
440
5　结论
本文建议在采用设计基准期T L 来标定建筑物重要性类别的同时,应考虑不同地区地震危险性特征的差异。

通过对不同重要性建筑在不同危险性特征分区内、不同设防概率水准(常遇、偶遇、罕遇地震)下的地
震动参数(设防烈度、地震影响系数、地震地面运动加速度)的取值进行分析后证明:随着地震危险性特征分区的不同,设防地震动参数也会有很大的差别,在确定不同重要性建筑的抗震设防水准时考虑地震危险性差异是十分必要的,考虑地震危险性特征差异的方法能避免过高或者过低估计建筑物的设防荷载。

参考文献:
[1]　龚思礼.建筑抗震设计手册[M ].北京:中国建筑工业出版社,1994.
[2]　李亚琦.中国地震危险性特征区划[D ].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,1999.
[3]　谢礼立,马玉宏.不同重要性结构的抗震设防水准[J ].哈尔滨建筑大学学报,2002,(5):1-4.
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121·5期马玉宏等:地震环境下不同重要性建筑的抗震设防水准。