抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)抗震安全性.ppt

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)抗震安全性 高小旺王菁肖偉孟鋼王巍周曉夫 中國(guó)建筑科學(xué)研究院 提要 工程結(jié)構(gòu)采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于其安全水平是至關(guān)重要的 本文采用投入 效益的工程決策分析方法 對(duì)不同重要性建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討 對(duì) 建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn) GB50223 95中的乙類建筑是否較丙類建筑提高和降低地震作用進(jìn)行抗震截面驗(yàn)算等作了工程投入和地震損失分析 提出了不同重要性的建筑抗震設(shè)防的最佳標(biāo)準(zhǔn) 關(guān)鍵詞工程決策重要建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 1 前言 工程結(jié)構(gòu)抗震的安全性與抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和施工等諸多因素有關(guān) 在這其中 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定是非常關(guān)鍵的 從一定意義上講 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)決定著工程結(jié)構(gòu)抗震安全水平 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)既包括一個(gè)城市的設(shè)防烈度或地震動(dòng)參數(shù) 又包括不同重要性工程因其使用功能的重要性而應(yīng)采用不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 圍繞較正確地確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究 適應(yīng)地震作用隨機(jī)性的特點(diǎn) 采用概率方法確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是較為合適的 采用投入 效益的工程決策分析方法 對(duì)城市抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的若干問(wèn)題進(jìn)行了分析 建筑重要性分類 甲類建筑 特殊要求的建筑 如遇地震破壞會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果的建筑等 乙類建筑 國(guó)家重點(diǎn)抗震城市的生命線工程的建筑 主要指使用功能不能中斷或需要盡快恢復(fù)的建筑 丙類建筑 地震破壞后有一般影響及其它不屬于甲 乙 丁類的建筑 丁類建筑 次要的建筑 如遇地震破壞不易造成人員傷亡和較大損失的建筑 對(duì)乙類建筑中的第1類和第2類是否僅提高一度采取抗震構(gòu)造措施 以及對(duì)于丁類建筑降低一度采取抗震構(gòu)造措施 是否為最優(yōu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 尚需進(jìn)一步探討 2 工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)決策分析方法概要 確定合理的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 必須建立在對(duì)一個(gè)城市或地區(qū)的地震危險(xiǎn)性和對(duì)不同烈度地震作用下造成損失 包括直接損失和間接損失以及人員傷亡等 的科學(xué)分析基礎(chǔ)上 采用抗震設(shè)防 效益分析方法來(lái)確定工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 需要建立目標(biāo)函數(shù) 使之取極值求得最佳決策 目標(biāo)函數(shù)可為期望的總損失 則極值為最小 也可為效益 則極值為最大 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的最佳取值 可為按某一設(shè)防烈度建造房屋和工程的投入與50年內(nèi)該城市或地區(qū)在各種不同烈度地震作用下的期望損失之和W I 為最小來(lái)確定 可用下列公式表示 W I min 2 式中R I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度的工程投入 P i 該城市或地區(qū)I烈度的出現(xiàn)概率 S1 I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度時(shí) 不同地震烈度作用下的直接損失 主要包括工程結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部財(cái)產(chǎn)的損失 S2 I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度時(shí) 不同地震烈度作用下的間接損失 包括停水 停電 火災(zāi)和停產(chǎn)的損失 S3 I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度時(shí) 不同地震烈度作用下的人員傷亡損失 其分析方法可概括為圖1所示的框圖 3 地震損失分析 地震作用下造成的損失 可分為直接經(jīng)濟(jì)損失 間接經(jīng)濟(jì)損失和遠(yuǎn)期損失以及人員傷亡等 這些損失和人員傷亡都與工程結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)有關(guān) 因此 討論地震損失中一個(gè)重要的工作就是對(duì)工程結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的易損性分析 通常我們稱為震害預(yù)測(cè) 3 1地震作用下工程結(jié)構(gòu)的震害預(yù)測(cè)方法 基于可靠度理論的震害預(yù)測(cè)方法 對(duì)采取不同配筋率 軸壓比和體積配箍率的鋼筋混凝土構(gòu)件的屈服 極限變形進(jìn)行了分析 在構(gòu)件配箍率和軸壓比相同的條件下 體積配箍率的增加對(duì)極限位移影響比較大 對(duì)屈服位移影響不大 其規(guī)律是隨著體積配箍率的增加 構(gòu)件的極限變形能力增強(qiáng) 我們?cè)谝翌惤ㄖ恼鸷︻A(yù)測(cè)中引入了這方面的分析結(jié)果 3 2建筑物內(nèi)物資損失分析 地震作用下的建筑物破壞將導(dǎo)致建筑物內(nèi)的物資破壞 特別是工業(yè)廠房的破壞將導(dǎo)致對(duì)廠房中設(shè)備的破壞 因此 在分析工程結(jié)構(gòu)的損失中 應(yīng)對(duì)建筑物內(nèi)的物資損失進(jìn)行分析 這里要說(shuō)明的是 工業(yè)廠房?jī)?nèi)的設(shè)備破壞是由二個(gè)方面引起的 一是由于在地震作用下設(shè)備地腳螺栓抗剪強(qiáng)度不足和浮放設(shè)備傾覆引起的破壞 也就是設(shè)備本身在地震作用下的破壞 二是由于廠房嚴(yán)重破壞或倒塌砸壞設(shè)備產(chǎn)生的 廠房?jī)?nèi)的物資損失主要是指后者 根據(jù)對(duì)震害資料的分析 文獻(xiàn) 建議的建筑物內(nèi)物資損失與物資價(jià)值的比值列于表1 表1建筑內(nèi)物資損失與物資價(jià)值比 3 3地震間接損失的分析 地震的損失除了工程結(jié)構(gòu)的破壞 基礎(chǔ)設(shè)施的失效 建筑物內(nèi)物資和設(shè)備的破壞 次生災(zāi)害引起的構(gòu)筑物和建筑物等破壞以及人員傷亡外 還有由地震破壞造成的停產(chǎn)或減產(chǎn) 特別是原材料工業(yè)部門和能源供應(yīng)部門的停產(chǎn)或減產(chǎn) 會(huì)使依賴于這些能源和原材料加工的工業(yè)部門的生產(chǎn)引起一系列的連鎖反應(yīng) 這種影響往往不僅限于地震區(qū) 而且還波及到其鄰近的地區(qū) 比如 發(fā)電廠主廠房的嚴(yán)重破壞 會(huì)使依靠電力作為能源的工廠停產(chǎn)或部分停產(chǎn) 對(duì)于乙類建筑 其間接損失較丙類建筑要嚴(yán)重得多 這主要是乙類建筑的使用功能一旦中斷 將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大損失 特別是乙類建筑中的調(diào)度信號(hào)樓 網(wǎng)控樓 鐵路行車調(diào)度樓 航管樓等的嚴(yán)重破壞 將導(dǎo)致停電 鐵路與航空運(yùn)輸中斷 其間接損失是非常巨大的 建議乙類建筑的間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下的直接損失的關(guān)系采用表2所列的倍數(shù) c 關(guān)于丁類建筑的間接損失 由于儲(chǔ)存物品價(jià)值低 其間接損失較丙類建筑要小 建議丁類建筑的間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下的直接損失的關(guān)系采用表2中丁類建筑的 c值 表2間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下直接損失的倍數(shù) c 注 乙類建筑為中等破壞且有精密設(shè)備時(shí) c1 0 乙類建筑為嚴(yán)重破壞后倒塌破壞狀態(tài)時(shí) 影響范圍大的取 c的較大值 4 建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)分析 下面僅對(duì) 建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn) 中的乙類和丁類建筑進(jìn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的分析 4 1不同設(shè)防城市50年內(nèi)各地震烈度的發(fā)生概率 在乙類和丁類建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的決策分析中 要給出各烈度在50年內(nèi)發(fā)生的概率 才能分析損失的期望值 在我們運(yùn)用一些城市的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果中 有一些城市的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果中 有一些給出烈度超過(guò)5度 5 5度 6度和6 5度 的概率 作為對(duì)一些城市的決策分析 我們?nèi)? 5 6 49度為6度 6 5 7 49為7度 7 5 8 49為8度 8 5 8 49為9度 9 5 10 49為10度 大于10 5為11度 根據(jù)上述原則 所進(jìn)行的設(shè)防烈度為6 9度的四個(gè)典型城市 在50年內(nèi)發(fā)生6 11度地震的概率列于表3 表36 7度設(shè)防典型城市50年內(nèi)發(fā)生各種地震烈度的概率 4 2破壞概率分析 對(duì)乙類建筑 主要指鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類型 包括鋼筋混凝土框架 高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和單層鋼筋混凝土柱廠房等 該類建筑提高一度采取抗震構(gòu)造措施以及構(gòu)件強(qiáng)剪弱彎 強(qiáng)柱弱梁 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)和柱軸壓比的調(diào)整等 能夠較大的提高構(gòu)件的極限變形能力 對(duì)于乙類建筑中的第1類調(diào)度信號(hào)系統(tǒng)房屋 若提高構(gòu)件的承載能力 在地震作用下延緩了結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服的時(shí)間 在一定強(qiáng)度地震作用下的結(jié)構(gòu)變形將會(huì)減少 再加上又提高一度采取抗震構(gòu)造措施 該結(jié)構(gòu)發(fā)生中等以上破壞的概率將會(huì)減少較多 表4列出了7度區(qū)某城市46幢鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樣本 按丙類建筑設(shè)計(jì) 按提高一度采取構(gòu)造措施及將地震作用增大1 5倍并提高一度采取構(gòu)造措施等三種情況下 在7 8 9度時(shí)不同破壞狀態(tài)下的震害 表47度區(qū)某城市46幢鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樣本采構(gòu)造措施后的震害預(yù)測(cè)結(jié)果 同樣我們也可以分析丁類建筑的單層磚柱廠房按降低一度采取抗震構(gòu)造措施和降低為0 75的承載能力及同時(shí)降低一度采取抗震構(gòu)造措施的震害預(yù)測(cè)結(jié)果 4 3造價(jià)分析 對(duì)于乙類建筑不僅提高一度采取構(gòu)造措施 而且對(duì)于信號(hào)調(diào)度樓還應(yīng)提高地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力驗(yàn)算 對(duì)于丁類建筑不僅降低一度采取構(gòu)造措施 而且還可以降低地震作用進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算 提高地震作用和同時(shí)提高一度采取構(gòu)造措施的乙類建筑的工程造價(jià) 比僅提高一度采取構(gòu)造措施的要增加 其增加的比例可按表5給出的范圍取值 僅提高一度采取構(gòu)造措施時(shí) 取下限值 同時(shí)提高一度地震作用時(shí)取上限值 其它內(nèi)插 對(duì)于丁類建筑降低地震作用和同時(shí)降低一度采取構(gòu)造措施 不同設(shè)防烈度的工程造價(jià)較不設(shè)防的增加值列于表6 若僅降低一度采取構(gòu)造措施時(shí)取表6中的上限值 同時(shí)降低一度地震作用時(shí)取下限值 其它內(nèi)插 表5乙類建筑同時(shí)提高地震作用和提高一度采取構(gòu)造措施比不設(shè)防時(shí)工程造價(jià)的增加比例 表6丁類建筑同時(shí)降低地震作用和降低一度采取構(gòu)造措施比不設(shè)防時(shí)工程造價(jià)的增加比例 4 4抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的分析結(jié)果 在進(jìn)行工程決策分析中 我們采用歸一化的方法 即以乙類建筑提高一度采取構(gòu)造措施抗震設(shè)防的投入與期望損失之和為標(biāo)準(zhǔn)W1 與按丙類建筑設(shè)防的投入與期望損失之和W2及按提高承載能力 按1 5倍地震作用進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算 和同時(shí)提高一度采取構(gòu)造措施抗震設(shè)防的投入與期望損失之和W3相比較 其最小值為乙類建筑的最優(yōu)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)6 9度四個(gè)典型設(shè)防烈度的分析結(jié)果列于表7 表7乙類建筑三種不同設(shè)防要求的分析結(jié)果比較 從表7可以看出 對(duì)于乙類建筑的第1類如指揮調(diào)度樓 從發(fā)揮其正常運(yùn)行的功能來(lái)說(shuō) 構(gòu)件承載力驗(yàn)算中按1 5倍地震作用有助于減輕地震災(zāi)害 對(duì)于乙類建筑的第2類如大中城市的三級(jí)醫(yī)院的住院部 醫(yī)技樓 門診部和大型影劇院等 可僅提高一度采取構(gòu)造措施 對(duì)于乙類建筑的第3類如工廠變電站等 可采取抗震性能好 經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系 并按本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度采取抗震措施 乙類建筑中第1類的重要性系數(shù)可采用1 5 并且僅乘在地震作用效應(yīng)上 而不是統(tǒng)乘在所有的荷載效應(yīng)上 這與文獻(xiàn) 2 采用概率方法 對(duì)45個(gè)城市進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析給出的平均100年一遇地震峰值加速度的1 45倍大體一致 也就是說(shuō) 乙類建筑中第1類的地震作用取值為平均100年一遇的地震 對(duì)于丁類建筑采用同樣的方法進(jìn)行分析 以降低一度采取構(gòu)造措施的投入與期望損失之和為標(biāo)準(zhǔn)的W1 與按降低構(gòu)件承載力 系數(shù)采用0 75 并同時(shí)降低一度采取構(gòu)造措施的投入與期望損失之和W2相比較 結(jié)果可以看出 對(duì)于抗震設(shè)防為7 8 9度區(qū)的丁類建筑 可采用該類建筑地震作用的0 75倍進(jìn)行截面抗震驗(yàn)算并降低一度采取構(gòu)造措施 對(duì)于6度則不再降低 文獻(xiàn) 2 運(yùn)用概率方法分析指出 0 75倍的地震作用為平均30年一遇的地震作用與平均50年一遇的地震作用的比值 也就是說(shuō) 丁類建筑可采用平均30年一遇的地震作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面設(shè)計(jì) 0 75系數(shù)也同樣是僅乘在地震作用效應(yīng)上 5 結(jié)束語(yǔ) 本文采用工程決策分析方法 對(duì)不同重要性建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討 給出了不同重要性建筑抗震設(shè)防的最佳標(biāo)準(zhǔn) 筆者認(rèn)為 對(duì)于一個(gè)大型的單體公共建筑和一個(gè)具體的重要性建筑 也可應(yīng)用工程決策的分析方法 確定其最優(yōu)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 使其抗震設(shè)防做到既安全又經(jīng)濟(jì) 參考文獻(xiàn) 1高小旺 鮑靄斌 用概率方法確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào) 1986年2高小旺 鮑靄斌 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及各類建筑物抗震設(shè)計(jì)中 小震 與 大震 的取值 地震工程與工程震動(dòng) 1989 9 1 3高小旺等 工