考虑地震环境的设计常遇地震和罕遇地震的确定
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这种做法考虑了不同地区的地震危险性差异消除了在全国范围内采用增减相同烈度的方式来定义大震小震烈度所导致的不同地区设防标准不协调这一矛盾因此该法不仅科学合理而且能平息我国工程抗震设计界近二十年来对此引起的各种争议从而一方面避免了抗震投资的巨大浪费另一方面消除了不安全因素为设计人员提供了极大的方便提高了效率
第 4" 卷第 5 期 4::4 年 4 月 文章编号： 5::: = >?>@ A 4::4 B :5 = ::!" = :C
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考虑地震ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ境的设计常遇地震和罕遇地震的确定
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^C_
5
前言
设防水准是指工程设计中如何根据客观的设防环
境和已定的设防目标，并考虑具体的社会经济条件来 确定采用多大的设防参数， 或者说， 应选择多大强度的 地震作为防御的对象 抗震能力。 目前我国抗震设计规范 A b+# 55—?@ B 以烈度区划
基金项目：国家自然科学基金 A C@?@C!5: B ， 地震学联合基金和国 家重点基础研究发展规划 《 大陆强震机理与预测 》项 目 A @C5":>:" B 资助。 作者简介：马玉宏 A 5@E4 = 收稿日期： 4::5 年 " 月 B， 女， 黑龙江穆棱人， 工学博士。
" 地震烈度的概率分布及烈度危险性 曲线的公式
目前，地震工程研究者普遍接受的观点是：烈度和 各种地震动参数的概率分布符合极值分布
#! $
， 但究竟极
值! 、 、 这需要对地震烈度和 " #型中哪一种更符合实际， 地震动参数的概率分布进行检验和分析。文献 # % $ 统计 和检验了我国华北、 西北、 西南三个地区 !& 个城镇地震 危险性分析的结果，认为地震烈度的概率分布符合极值 #型。文献 # & $ 也以三个城市的 &’ 年超越概率 ()* 、 拟合出超越概率 +’* 、 )* 、 "* 对应的烈度为已知数据， ! 与烈度 " 的关系式，并得出地震烈度的概率分布符合 极值#型的结论。由于烈度有上限值，因此我们初步认 为极值 # 型可能更符合地震烈度概率分布的实际情 况。极大值的极值#型分布可表达为 !%$ & , ,+## , $ - . /01 2 $! ! !%" 式中，! 为上限值， 对于地震烈度， 一般取 ! . +" 度； " 为众值烈度； & 为形状参数。 由于在地震危险性分析的结果 , 即 《 中国地震烈
马玉宏 5， 谢礼立 58 4
A 5D 哈尔滨工业大学土木工程学院， 黑龙江哈尔滨 5C::@:； 黑龙江哈尔滨 5C::?: B 4D 中国地震局工程力学研究所，
摘要： 本文在地震危险性特征分区图的基础上， 通过对全国不同地震危险性特征区内的 5@:C 个城镇的危险性特征的分析， 探讨 了考虑地震环境的设计常遇地震和罕遇地震烈度、地震影响系数和地面最大加速度的合理取值，指出在抗震设计中考虑不同地 区地震危险性差异的必要性， 为更好地贯彻“ 小震不坏， 中震可修， 大震不倒” 的抗震设计目标提供了新的依据。 关键词：地震危险性特征；超越概率；抗震设计；危险性曲线 中图分类号：F"5C7 " 文献标识码：G
表! #$%&’ !
烈度差 中、 小震 - +&1 / 平均值 标准差 中、 大震 - ’1 / 中、 大震 - &1 / 中、 大震 - "1 / 平均值 标准差 平均值 标准差 平均值 标准差 地震危险性分区
差为 (% !, 度，规范规定值 $ 度与 “ 中、大震”烈度差 - ’1 、 &1 、 "1 / 的标准方差分别为 (% ’2 度、 (% !" 度、 (% +, 度，即规范值与实际计算结果偏差较大，这说明 对属于不同分区的城镇采用现有规范的规定值进行 “ 小震” 下的强度验算和 “ 大震” 下的变形验算会产生一 定的偏差， 有时过于保守， 有时偏于不安全。因此我们 建议对不同的危险性分区采用不同的 “ 小震” 和“ 大震” 烈度值。 - ! / 比较由形状参数的实际计算值 !0 和分区平均 “ 值 ! 所求得的 “ 小震” 、 大震” 烈度差可以发现： 在各 危险性特征区内，二者的烈度差的平均值均相差很 小。这说明， 为了简便起见， 在以后的分析中采用形状 参数分区平均值 ! 代替实际计算值 !0 是合适的。 表 $ 中规定的“ 中、 小震” 和“ 中、 大震” 烈度差均为 小数烈度，虽然在实际工程应用中小数烈度的物理意 义无法解释清楚， 但是进行 “ 小震” 作用下的强度验算 和“ 大震” 作用下的变形验算时需要的是地震影响系数 最大值 !789， 该值的物理意义十分明确， 因而有必要研 “ 究在不同危险性分区内 “ 小震” 、 大震” 所对应 !789 的 取值情况。
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,"图+ <=5> + 基本烈度 ( 度的地区地震危险性曲线
式中， 其它符号同 ! , "$ $ - 为烈度 $ 相应的超越概率， 上。 可见，对于给定的一个场地，若已知基本烈度 "’ 和形状参数 & 的值，即可求出任意给定烈度 $ 所对应 的超越概率 !；同理，也可以求出任意给定超越概率 ! 所对应的烈度 $。
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! 考虑地震环境的设计常遇地震和罕 遇地震烈度的取值
对于小震 , 常遇地震 - 、 中震 , 偶遇地震 - 、 大震 , 罕 遇地震 - ，规范采用设计基准期内不同的超越概率来 体现。与现有规范相统一， 对小震取其设计基准期 &’ 年内的超越概率为 ()* ；对中震取其设计基准期 &’ 年内的超越概率为 +’* ；对大震取其设计基准期 &’
^5_
，它直接关系到未来结构物的
，通过对
全国不同地震危险性特征区内的 5@:C 个城镇的危险 !"
性特征的分析，探讨考虑了地震环境后常遇地震和罕 遇地震烈度、地震影响系数和地面最大加速度的合理 取值， 期望为较合理地制定抗震设防标准提供依据。
每一基本烈度对应同一形状参数值 & - 也会大不相同， 实际上忽略了不同地区地震危险性的差异。 为了考虑不同地区地震危险性特征的差异，文献 # & $ 以形状参数 & 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 ()%( 个点的 & 值的 分析将全国分为 ! 区 , & . (-、 区 , & . +’ - 、 " #区 , & . 中国地震危险性特征区划图 "’ - 三个区，并编制了 《 , 草图 - 》 。 用形状参数 & 的三个不同取值将我国划分成三 个地震危险性特征区以后，每一基本烈度可对应三个 不同的 & 值，而不是象现有规范那样取同一值，这说 明用形状参数 & 可以反映不同地区地震危险性的差 异。在进行抗震设防时， 意味着任意烈度 & 值的不同， 所对应的超越概率和发生概率的不同，也意味着 “ 小 “ 震” 、 大震” 所对应的烈度、 地震影响系数和地面最大 加速度的不同。 以基本烈度为 ( 度的地区为例， 当位于 危险性特征区 ! 区、 区、 其对应的形状参数 & " #区时， , " - 计算出的危 均可取 (、 、 三个不同的值， 用公式 +’ "’ “ 险性曲线也有三条 , 见图 + - ， 其“ 小震” 、 大震” 烈度、 地震影响系数和地面最大加速度也分别可取三个不 同的值，从而满足了在抗震设防时考虑不同地区地震 危险性差异的需要。
[ (
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中给出了超越概率 +’* 对应的基本 度区划图 , +33’ - 》 为方便起见， 可以利用烈度 "’ 及其超越概 烈度 "’ 值， 率值代入式 , + - 推导出烈度危险性曲线公式 # & $ 45 6 2 +7 # + 2 ! , "$ $ - $ 8 9 ’: 3%%) . &45
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)
中国地震危险性特征分区
在我国现有规范中， 对于每一基本烈度， 形状参数
即使基本烈度相同， 由于不 & 均取为常量 # ; $ 。事实上， 同地区的地震活动性不同， 其地震危险性 , 即形状参数 !!
年内的超越概率为 ’1 或 &1 。本节将利用全国 $2(" 个城市的地震危险性特征 - 基本烈度 "( 值、特征参数 研究三个不同的危险性 ! 的实际计算值 / 和公式 - ’ / ， 特征分区中小震、 大震所对应烈度的取值情况。 分析中采用的 $2(" 个城镇的数据是从 $22( 年烈 度区划图上采集， 并由 345 软件转化得来的， 基本包括 了全国县以上的城镇。其中，属于 ! 区的仅有 "& 个城 镇，基本烈度取值范围为 + 度 6 2 度；属于 " 区的有 基本烈度取值范围为 " 度 6 2 度； 属于 #区的 $!&) 个， 有 !$! 个， 基本烈度的取值范围为 ! 度 6 , 度。 利用公式 - ’ / 计算! 区 "& 个城镇、 区 $!&) 个城 " 镇、 #区 !$! 个城镇超越概率为 $(1 的烈度与所对应 “ 的“ 小震” 、 大震” 烈度差的平均值和标准差见表 $。 其 中，形状参数分别采用实际计算值 !( 和分区平均值 ! . +、 $(、 ’(。 由表 $ 可见： -$/ “ 中、 小震” 和“ 中、 大震” 烈度差随着危险性特征 分区的不同而不同， 并不是一个固定值， 这说明在抗震设 防中考虑地震危险性差异是十分必要的，分区可以将规 范中忽略了的地震危险性特征的差异考虑进来。 “ - ’ / 从危险性特征 ! 区到#区， 中、 小震” 烈度差 - +&1 / 和 “ 中、 大震” 烈度差 （ ’1 、 &1 、 "1 / 均逐渐变 小。也就是说， 在! 、 、 中震” 烈度相同的条件 " # 区内 “ “ 下， 区的烈度差最大， 其“ 小震” 烈度最小， 大震” 烈 ! “ 度最大； 而 #区的烈度差最小， 其“ 小震” 烈度最大， 大 震” 烈度最小。 - & / 我国现有规范的规定值 - $% "" 度和 $ 度 / 与各 分区内的“ 中、 小震” 和“ 中、 大震” 烈度差的平均值相差 较大，对于根据实际计算值 !0 所求得的结果来说：规 范规定值 $% "" 度与“ 中、 小震” 烈度差 - +&1 / 的标准方
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摘要： 本文在地震危险性特征分区图的基础上， 通过对全国不同地震危险性特征区内的 5@:C 个城镇的危险性特征的分析， 探讨 了考虑地震环境的设计常遇地震和罕遇地震烈度、地震影响系数和地面最大加速度的合理取值，指出在抗震设计中考虑不同地 区地震危险性差异的必要性， 为更好地贯彻“ 小震不坏， 中震可修， 大震不倒” 的抗震设计目标提供了新的依据。 关键词：地震危险性特征；超越概率；抗震设计；危险性曲线 中图分类号：F"5C7 " 文献标识码：G
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对于小震 , 常遇地震 - 、 中震 , 偶遇地震 - 、 大震 , 罕 遇地震 - ，规范采用设计基准期内不同的超越概率来 体现。与现有规范相统一， 对小震取其设计基准期 &’ 年内的超越概率为 ()* ；对中震取其设计基准期 &’ 年内的超越概率为 +’* ；对大震取其设计基准期 &’
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每一基本烈度对应同一形状参数值 & - 也会大不相同， 实际上忽略了不同地区地震危险性的差异。 为了考虑不同地区地震危险性特征的差异，文献 # & $ 以形状参数 & 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 ()%( 个点的 & 值的 分析将全国分为 ! 区 , & . (-、 区 , & . +’ - 、 " #区 , & . 中国地震危险性特征区划图 "’ - 三个区，并编制了 《 , 草图 - 》 。 用形状参数 & 的三个不同取值将我国划分成三 个地震危险性特征区以后，每一基本烈度可对应三个 不同的 & 值，而不是象现有规范那样取同一值，这说 明用形状参数 & 可以反映不同地区地震危险性的差 异。在进行抗震设防时， 意味着任意烈度 & 值的不同， 所对应的超越概率和发生概率的不同，也意味着 “ 小 “ 震” 、 大震” 所对应的烈度、 地震影响系数和地面最大 加速度的不同。 以基本烈度为 ( 度的地区为例， 当位于 危险性特征区 ! 区、 区、 其对应的形状参数 & " #区时， , " - 计算出的危 均可取 (、 、 三个不同的值， 用公式 +’ "’ “ 险性曲线也有三条 , 见图 + - ， 其“ 小震” 、 大震” 烈度、 地震影响系数和地面最大加速度也分别可取三个不 同的值，从而满足了在抗震设防时考虑不同地区地震 危险性差异的需要。
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中国地震危险性特征分区
在我国现有规范中， 对于每一基本烈度， 形状参数
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年内的超越概率为 ’1 或 &1 。本节将利用全国 $2(" 个城市的地震危险性特征 - 基本烈度 "( 值、特征参数 研究三个不同的危险性 ! 的实际计算值 / 和公式 - ’ / ， 特征分区中小震、 大震所对应烈度的取值情况。 分析中采用的 $2(" 个城镇的数据是从 $22( 年烈 度区划图上采集， 并由 345 软件转化得来的， 基本包括 了全国县以上的城镇。其中，属于 ! 区的仅有 "& 个城 镇，基本烈度取值范围为 + 度 6 2 度；属于 " 区的有 基本烈度取值范围为 " 度 6 2 度； 属于 #区的 $!&) 个， 有 !$! 个， 基本烈度的取值范围为 ! 度 6 , 度。 利用公式 - ’ / 计算! 区 "& 个城镇、 区 $!&) 个城 " 镇、 #区 !$! 个城镇超越概率为 $(1 的烈度与所对应 “ 的“ 小震” 、 大震” 烈度差的平均值和标准差见表 $。 其 中，形状参数分别采用实际计算值 !( 和分区平均值 ! . +、 $(、 ’(。 由表 $ 可见： -$/ “ 中、 小震” 和“ 中、 大震” 烈度差随着危险性特征 分区的不同而不同， 并不是一个固定值， 这说明在抗震设 防中考虑地震危险性差异是十分必要的，分区可以将规 范中忽略了的地震危险性特征的差异考虑进来。 “ - ’ / 从危险性特征 ! 区到#区， 中、 小震” 烈度差 - +&1 / 和 “ 中、 大震” 烈度差 （ ’1 、 &1 、 "1 / 均逐渐变 小。也就是说， 在! 、 、 中震” 烈度相同的条件 " # 区内 “ “ 下， 区的烈度差最大， 其“ 小震” 烈度最小， 大震” 烈 ! “ 度最大； 而 #区的烈度差最小， 其“ 小震” 烈度最大， 大 震” 烈度最小。 - & / 我国现有规范的规定值 - $% "" 度和 $ 度 / 与各 分区内的“ 中、 小震” 和“ 中、 大震” 烈度差的平均值相差 较大，对于根据实际计算值 !0 所求得的结果来说：规 范规定值 $% "" 度与“ 中、 小震” 烈度差 - +&1 / 的标准方