工程抗震设防中的烈度与加速度

工程抗震设防中的烈度与加速度

作者：鄢家全郝玉芹

烈度与加速度都是描述地震作用下地面震动或影响的标量，但在工程抗震设防中的作用却各不相同。它们类似于佳肴制作中的盐与糖。各种佳肴均离不开盐，但未必需要糖；即便是以糖为主要佐料的甜食，如果稍加一点点盐，则味道会更美好。它们之间可以互为补充，却不能相互代替。本文拟通过相关问题的论述，希望有助于科学地看待安评工作中烈度与加速度的结果。

抗震设计离不开烈度

当前，我国的抗震设计仍然是以概念设计为主。只有少数工程结构才使用抗震验算或模型实验等辅助设计手段。在概念设计中的抗震措施要求，是根据国内外震害经验的总结而规定的。所以，我国现行的各抗震设计规范大都是以“设防烈度”或“设计烈度”为依据的。特别是地基处理、选材选型和结构抗震措施等，均要求按烈度分档进行设计。就是在大型水利枢纽工程或核电厂的地安评工作中，甲方也都要求有“地震基本烈度复核”的内容。在《核电厂抗震设计规范》（GB50267-79，P12）中还规定，对安全壳等结构和构件的抗震措施，应符合现行国家标准《建筑抗震设计规范》对Ⅸ度抗震设防时的有关要求。可以说，当今中国的抗震设计还离不开烈度，只有少数需要进行抗震验算或模型实验的工程才用到加速度。

烈度与地面运动参数之间的关系

烈度与地面运动参数之间的关系是复杂的，还未找到由加速度换算烈度的科学依据。在《中国地震烈度表》（GB/T17742-99）中所列的地面运动强度标志，包括了水平加速度峰值和水平速度峰值。在相应的宣贯教材（P72~75）中，对该标志的依据和含义做了论述，尤其强调了“平均值”的重要性。且该标志只是综合评定烈度的依据之一，既不是“必要”依据，也不是“充分”依据。

世界上一些早期的烈度表，也曾把等价的地面加速度峰值作为烈度表的一部分。但在上世纪中后期的广泛讨论中（国外地震，1975.5,P5~24），相当一致的意见认为，烈度的定量标准应该全面反应地震的强度、频谱和持时，并对单纯以地

面加速度峰值评定烈度持否中，就删去了这部分内容。他们认为，烈度与地面运动参数之间不能以简单的关系来表述。同样有证据说明，地面加速度不是影响烈度的非常重要的参数。因此，不再把地面运动参数（如加速度）包括到烈度表中来。

越来越多的观测资料表明，相同烈度下的地面运动强度数据有很大的离散性，上下限的数值可以相差几倍到几十倍，显示出烈度与地面运动强度之间的相关性甚小，其关系复杂。胡聿贤院士在他著的《地震工程学》（P184～189）中，也曾论述过烈度同地面运动强度之间的复杂关系，指出了在考虑烈度同加速度峰值之间的关系时，至少还应考虑震级的因素。对同一烈度，由于震级的不同，加速度可以在一个数量级之间变化。正是由于这种复杂关系的存在，导致了在地震烈度与地面运动强度之间难以建立简单的对应关系。在《地震工程学》（P191~192）中，专门论述了分别以烈度为自变量和以地面加速度峰值为自变量所得的统计关系式差别很大。如若从烈度Ⅷ度推算的加速度峰值为0.25g；而从0.25g推算的烈度却为Ⅵ度强（6.7度）。人们无法接受这种差异。很显然，胡聿贤院士在十年前就已告诫我们，即使建立了地震烈度同加速度峰值之间的某种对应关系，并不能说明加速度峰值同烈度之间存在类似的对应关系。

合理看待烈度与加速度结果之间的变异性差异

安评结果实质上是对场地在未来工程寿期内可能遭遇的地震风险性所作的估计。这种估计是建立在现有资料和科学认识水平上的。安评结果的科学性，首先是指可重复性和唯一性。一样的资料和分析方法，不同安评单位应该得到相同的结果。然而，由于资料的不完备和认识水平的局限性，安评结果的不确定性是在所难免的。这种不确定性的大小，可以用变异系数（方差与均值之比值）来描述。

潘华在博士论文《概率地震危险性分析中参数不确定性研究》中得到：①由于地震统计区的不确定性，在华北地区造成场点烈度变异系数均值为0.04,最大达0.11；基岩PGA变异系数均值近0.3,最大值超过0.85。②地震活动性参数的不确定性影响，烈度变异系数均值为0.031；PGA的变异系数均值达0.18。

该论文仅从地震统计区和地震活动性参数的不确定性，论述了烈度和加速度

峰值结果的变异系数差别。如果再综合考虑潜在震源区、地震震源深度、衰减关系以及场地土层地震动力反应分析的不确定性，其差别会更加明显。

不应简单地用加速度峰值换算烈度

将《中国地震动参数区划图》中的加速度分区等效为基本烈度的规定，并不意味着可以由加速度峰值去换算烈度在国家标准GB18306-2001的提示性附录D中指出：“当涉及地基处理、构造措施或其他防震减灾措施时，地震基本烈度数值可由本标准查取地震动峰值加速度并按表D1确定，也可根据需要做更细致的划分”。其表D1给出了地震动峰值加速度分区与地震基本烈度对照表。在相应的宣贯教材中，未对表D1的科学依据和如何进行“更细致的划分”作说明，暂且将表D1解释为“政策性”的规定。从相应的宣贯教材可知，编制地震动参数区划图的数据，是由五??，考虑到参数不确定影响和与《中国地震烈度区划图（1990）》的过渡，对计算结果进行加权综合，得到每个格点“基岩”场地50年超越概率10%水平下的EPA和EPV值（P62）；在分区时还考虑了与抗震设计规范的衔接等因素（P90）。所以，地震动参数区划图可以理解为加权平均结果。

但是，除极少数Ⅰ级安评工作系采用多方案数据组合的平均值结果为评价依据外，绝大多数安评工作都只是一组数据的结果。由于地震统计区、潜在震源区、地震活动性参数、衰减关系，以及场地土层地震动力反应分析等方面的不确定性，可以用若干个数据组合方案来描述，且不存在唯一正确的方案。因此，采用一组数据方案所得的结果，不可能作为“平均值”看待，也就很难用安评所得的加速度峰值去等效烈度。

综上所述，烈度与加速度在工程抗震设防中的作用不同，其变异性差别也很显著。它们之间是互为补充的关系，绝非相互包容或排斥的关系。作为工程建设部门，选用变异系数较小的标量为主要设防依据是合情合理的。因此，安评工作应当根据抗震设防的实际需求来决定结果的表述形式。就像佳肴制作中的盐与糖，万不可混用。