工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)地震動(dòng)

根據(jù)場(chǎng)地與斷層的相對(duì)位置，方向性效應(yīng)可以分為向前效應(yīng)（forward）、向后效應(yīng)（reverse）和中性效應(yīng)（neutral），如果斷層的破裂方向朝向場(chǎng)地或破裂方向與震源（hypocenter）和場(chǎng)地連線的夾角較小的話，場(chǎng)地的效應(yīng)稱為向前方向性效應(yīng)；如果斷層的破裂方向背離場(chǎng)地或破裂方向與震源和場(chǎng)地連線的夾角較小的話，稱為向后方向性效應(yīng)；如果場(chǎng)地與震源的連線幾乎垂直于斷層的破裂方向，稱為中性效應(yīng)。通常所說(shuō)的“方向性效應(yīng)”是指向前方向性效應(yīng)，因?yàn)橄蚯胺较蛐孕?yīng)產(chǎn)生的地震動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)更為不利。

斷層破裂所產(chǎn)生的能量波在傳播介質(zhì)中以幾乎等于介質(zhì)剪切波速的速度向場(chǎng)地傳播，使得斷層產(chǎn)生的能量以非常短的時(shí)間到達(dá)場(chǎng)地.

在場(chǎng)地的地震動(dòng)中將產(chǎn)生一個(gè)大的速度脈沖(velocitypulse)，從圖中可以看到來(lái)自每個(gè)子斷層的地震動(dòng)能量幾乎同時(shí)到達(dá)場(chǎng)地A時(shí)，在場(chǎng)地A產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)短持時(shí)、高幅值的地震動(dòng)，而來(lái)自每個(gè)子斷層的地震動(dòng)能量在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間到達(dá)場(chǎng)地B，從而在場(chǎng)地B產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)持時(shí)較長(zhǎng)、幅值較低的地震動(dòng)。工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)地震動(dòng)翟長(zhǎng)海博士哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院Email：zch-hit@Tel:86282027《中華人民共和國(guó)防震減災(zāi)法》

(1997年12月29日第八屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第二十九次會(huì)議通過(guò))抗震減災(zāi)工作應(yīng)依法進(jìn)行第十七條新建、擴(kuò)建、改建建設(shè)工程，必須達(dá)到抗震設(shè)防要求。(為什么要進(jìn)行抗震設(shè)防？)第十九條建設(shè)工程必須按照抗震設(shè)防要求和抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，并按照抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。抗震設(shè)計(jì)的目的和目標(biāo)抗震設(shè)計(jì)的目的

工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的目的是：減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)使地震時(shí)不可缺少的緊急活動(dòng)得以維持和進(jìn)行?？拐鹪O(shè)計(jì)的目標(biāo)

由于地震動(dòng)的隨機(jī)性是很大的，要使得所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在遭受將來(lái)可能發(fā)生的地震時(shí)絕對(duì)不破壞是不現(xiàn)實(shí)和不經(jīng)濟(jì)的。換句話說(shuō)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)不能追求絕對(duì)的安全性，而需要從現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)條件出發(fā)，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在未來(lái)地震作用下發(fā)生破壞的概率為社會(huì)所接受，同時(shí)為當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)條件所允許。

合理的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)和安全之間的合理平衡，這也是抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)。這一目標(biāo)可以表示為使總效益E最大的形式

E＝受益－投資－可能的損失＝最大抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)

受益包括所考慮的工程建成后的直接和間接收獲；投資包括興建此工程的資金及工程建成后的維護(hù)資金；

損失包括人身傷亡、物質(zhì)財(cái)產(chǎn)的直接損失以及連鎖反應(yīng)造成的間接損失、以及政治、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)影響等。若不考慮非結(jié)構(gòu)損失，則上式可近似改為：

結(jié)構(gòu)抗震總費(fèi)用＝工程造價(jià)＋修復(fù)費(fèi)＝最小

用概率方法進(jìn)行分析建筑抗震設(shè)防目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防的概念抗震設(shè)防的重要性設(shè)防依據(jù)設(shè)防目標(biāo)及其實(shí)現(xiàn)建筑類(lèi)別與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)防（seismicfortification

）－對(duì)建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)并采取抗震措施

國(guó)內(nèi)外大量震害證明，進(jìn)行科學(xué)合理的抗震設(shè)防是當(dāng)今減輕地震災(zāi)害的最直接、有效的途徑（雖然有隔震、控制等措施）抗震設(shè)防的重要性

事例1

1976年7月26日在我國(guó)一個(gè)擁有150萬(wàn)人口的唐山市，遭遇7.8級(jí)地震的襲擊，頃刻間整座城市化為一片片瓦礫，人員死亡高達(dá)近25萬(wàn)人，經(jīng)濟(jì)損失超百億元；

1985年一個(gè)擁有100余萬(wàn)人口的智利瓦爾帕萊索市雖遭受了同樣7、8級(jí)地震的襲擊，人員死亡卻只有150人，而且不到一周時(shí)間，整個(gè)城市就恢復(fù)原樣。同樣大小的地震，城市人口也差不多相同，卻產(chǎn)生了如此不同的后果，只是因?yàn)橥郀柵寥R索市的建筑物和設(shè)施曾進(jìn)行了有效抗震設(shè)防?？拐鹪O(shè)防的重要性

事例2日本東京是國(guó)際著名大城市，歷史上曾發(fā)生過(guò)8級(jí)以上大地震。日本政府以及各界一向?qū)Υ耸株P(guān)心和重視，長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于將東京建成一個(gè)能抗御8級(jí)大地震的城市；1986年一次6.2級(jí)地震發(fā)生在東京城底下，一座上千萬(wàn)人口的城市僅死亡2人，整個(gè)城市幾乎未遭到破壞；可是一向認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生大地震危險(xiǎn)的日本第二大港神戶市對(duì)工程抗震設(shè)防就不那么重視：在1995年1月17日的一次6.9級(jí)的地震中，導(dǎo)致了近十萬(wàn)棟房屋毀壞．5500人死亡和約1000億美元的經(jīng)濟(jì)損失?？拐鹪O(shè)防的重要性

事例31988年12月7日前蘇聯(lián)的阿美尼亞共和園發(fā)生一次6.8級(jí)地震，位于震中的斯皮塔克城全城變成廢墟，距震中40公里的列寧納坎市約有80％建筑物毀壞。更遠(yuǎn)的基洛伐克市也有將近50％的建筑物嚴(yán)重破壞或倒場(chǎng)，地震死亡人數(shù)達(dá)4—5萬(wàn)人。該地區(qū)歷史上曾發(fā)生過(guò)數(shù)次6-7級(jí)大地震，但前蘇聯(lián)政府，鑒于城市居住建筑嚴(yán)重短缺，又缺乏資金，便在70年代初期對(duì)大量新建的多層房屋建筑降低設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)．一律從9度降低7度，而恰恰正是這些房屋建筑在該次地震中大量倒塌，造成了眾多的人員傷亡。設(shè)防依據(jù)——抗震設(shè)防烈度定義：按國(guó)家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個(gè)地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度（seismicfortificationintensity）確定：必須按國(guó)家規(guī)定的權(quán)限審批、頒發(fā)的文件（圖件）確定一般情況下，可采用中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖的地震基本烈度度（或設(shè)計(jì)地震基本加速度值）雙軌制對(duì)做過(guò)抗震防災(zāi)規(guī)劃的城市，可按批準(zhǔn)的抗震設(shè)防區(qū)劃（抗震設(shè)防烈度或設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)）進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)防范圍：6-9度back抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)概念：seismicfortificationcriterion

衡量抗震設(shè)防要求的尺度，由抗震設(shè)防烈度和建筑使用功能的重要性確定。怎么確定？

地震極強(qiáng)的隨機(jī)性決定了地震的發(fā)生和特性都不能精確的給出，必須以概率為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測(cè)，給出今后若干年內(nèi)不同強(qiáng)度地震發(fā)生可能性，使用壽命期內(nèi)對(duì)不同頻度和強(qiáng)度的地震，要求結(jié)構(gòu)具有不同的抵抗能力

。三水準(zhǔn)：“小震”“中震”“大震”抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定

建筑抗震規(guī)范提出了三個(gè)烈度水準(zhǔn)的抗震設(shè)防要求。三個(gè)烈度水準(zhǔn)是依據(jù)對(duì)我國(guó)華北、西北、西南三個(gè)地區(qū)45個(gè)城鎮(zhèn)的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，運(yùn)用概率的方法對(duì)“小震”、“中震”與“大震”的概率意義和取值進(jìn)行了分析并給出了相應(yīng)的結(jié)果。三水準(zhǔn)地震作用的標(biāo)定步驟（1）

（1）對(duì)華北、西北、西南三個(gè)地區(qū)的潛在震源、各震源的地震活動(dòng)性、地震傳播過(guò)程的衰減規(guī)律分析的基礎(chǔ)上．給出了45個(gè)城鎮(zhèn)的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，確定我國(guó)地震烈度符合極值III型分布。（2）通過(guò)45個(gè)城鎮(zhèn)不同超越概率所對(duì)應(yīng)的烈度與該城鎮(zhèn)的基本烈度相比較，計(jì)算了比較差的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年內(nèi)超越概率為13％的地震烈度與基本烈度相比較的總體標(biāo)準(zhǔn)差最小。但當(dāng)超越概率在0.09—0.16范圍內(nèi)變化時(shí)，與基本烈度的標(biāo)準(zhǔn)差變化不大。因此，從工程實(shí)際來(lái)考慮，可以粗略的認(rèn)為基本烈度相當(dāng)于50年內(nèi)超越概率為l0％的烈度。三水準(zhǔn)地震作用的標(biāo)定步驟（2）

（3）從概率意義上講，“小震”就是多遇的地震，出于我國(guó)地震烈度的概率分布符合極值III型，極值分布的眾值為其概率密度函數(shù)上的峰點(diǎn)，在極值分布中此值為眾值，所以我們稱此地震烈度為眾值烈度。從地震烈度的重現(xiàn)期來(lái)看，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)限期50年的眾值烈度的超越核率為63.2％：（4）地震的發(fā)生無(wú)論在時(shí)間、地點(diǎn)、強(qiáng)度方面都是隨機(jī)的，已往發(fā)生概率小于5％的強(qiáng)烈地震作用己多次給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重災(zāi)害。因此，其概率水平應(yīng)在50年內(nèi)的超越概率小于5％。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，從既安全又經(jīng)濟(jì)的抗震效果，建議“大震“定義為，在50年內(nèi)超越概率為3％－2％。三水準(zhǔn)地震作用的標(biāo)定步驟（3）

（5）分別計(jì)算這45個(gè)城鎮(zhèn)在50年內(nèi)超越概率為10％的地震烈度與眾值烈度（在50年內(nèi)超越概率為63.2％的地震烈度）之差，并從這45個(gè)城鎮(zhèn)的總體上計(jì)算出其差值的平均值1.55，這樣也可以認(rèn)為基本烈度與眾值烈度差的平均值為1.55度。罕遇地震對(duì)應(yīng)的烈度比基本烈度大約大1度左右。根據(jù)烈度與地震地面峰值加速度的關(guān)系，可得到比基本烈度降低1.55度的眾值烈度所對(duì)應(yīng)的地面峰值加速度的折減系數(shù)為0.34。當(dāng)然也可以知道罕遇地震對(duì)應(yīng)的地面峰值加速度比基本烈度對(duì)應(yīng)的峰值加速度大4－6倍。三水準(zhǔn)地震作用的標(biāo)定地震影響50年超越概率地震重現(xiàn)期眾值烈度小震63.2%50年基本烈度中震10%475年罕遇烈度大震2-3%1642-2475年

一般關(guān)系烈度：Im=I0-1.55,Is<=I0+1

加速度：PGAm=PGA0*1/3；

PGAs=PGAm*(4-6)討論“三水準(zhǔn)及其對(duì)應(yīng)的峰值加速度的折減”？設(shè)防目標(biāo)及其實(shí)現(xiàn)設(shè)防目標(biāo)水準(zhǔn)涵義要求第一水準(zhǔn)小震不壞當(dāng)遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用第二水準(zhǔn)中震可修當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用第三水準(zhǔn)大震不倒當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞實(shí)現(xiàn)方法：兩階段設(shè)計(jì)兩階段設(shè)計(jì)法說(shuō)明：第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求，是通過(guò)概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造措施來(lái)滿足的，對(duì)大多數(shù)結(jié)構(gòu)．可只進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)；只有對(duì)《抗震現(xiàn)范》所規(guī)定的部分結(jié)構(gòu)，如有特殊要求的建筑和地震時(shí)易倒塌的結(jié)構(gòu)以及有明顯薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，才進(jìn)行第三階段的抗震驗(yàn)算

第一階段設(shè)計(jì)：按小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，以及在小震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈性變形：以滿足第一水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求：第二階段設(shè)計(jì)：在大震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈彈塑性變形，以滿足第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防的要求。我國(guó)抗震設(shè)防的依據(jù)是“小震”、“中震”、“大震”？建筑類(lèi)別與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)《規(guī)范2001》根據(jù)建筑使用功能重要性，分為：甲類(lèi)－屬于重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑乙類(lèi)－屬于地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)功能的建筑丙類(lèi)－屬于甲、乙、丁類(lèi)以外的建筑丁類(lèi)－屬于抗震次要建筑策略：不調(diào)整地震力，只是從抗震措施或抗震構(gòu)造措施上考慮建筑的重要性類(lèi)別建筑類(lèi)別與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

甲類(lèi)建筑——地震作用應(yīng)高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，其值應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果確定；抗震措施，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6－8度時(shí)，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當(dāng)為9度時(shí)，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。乙類(lèi)建筑——地震作用應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求；抗震措施，一般情況下。當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6—8度時(shí)，應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求，當(dāng)為9度時(shí)．應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。丙類(lèi)建筑——地震作用和抗震措施均應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。丁類(lèi)建筑——一般情況下．地震作用仍應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求；抗震措施應(yīng)允許比本地區(qū)抗震設(shè)防烈低的要求適當(dāng)降低，但抗震設(shè)防烈度為6度時(shí)不應(yīng)降低。討論：“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)原則小震不壞、中震可修、大震不倒這樣的安全要求是當(dāng)前國(guó)際常用的標(biāo)準(zhǔn)。按此標(biāo)準(zhǔn)選定設(shè)計(jì)地震動(dòng)的大小，以求得安全與經(jīng)濟(jì)的平衡，在原則上十分合理，但難以定量分析導(dǎo)出其數(shù)值，主要困難在于各使用階段的經(jīng)濟(jì)損失難以計(jì)算。為此，人們大多用經(jīng)驗(yàn)性的方法來(lái)決定小、中、大震的超越概率的取值。真正的、定量的安全與經(jīng)濟(jì)的綜合分析，目前尚未見(jiàn)應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的具體分析中。

制定結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防表示是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，牽扯到地震工程學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等各個(gè)學(xué)科，很多學(xué)者正在研究（謝禮立院士的工作，如基于性態(tài)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、可接受死亡率、最優(yōu)設(shè)防烈度等）？《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則》設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

工程的抗震設(shè)計(jì)分析需要以給定的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)為依據(jù)。工程對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的要求，一方面與工程的重要性有關(guān)、另一方面又要考慮工程的特性。設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

從繁簡(jiǎn)程度分，設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)從簡(jiǎn)單到詳細(xì)的排序是：（1）地震烈度，由此換算地震動(dòng)峰值加速度； （2）峰值加速度a或地震系數(shù)k和標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜或標(biāo)準(zhǔn)放大系數(shù)譜，標(biāo)準(zhǔn)譜一般不考慮地震環(huán)境，但可以近似地考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)條件的影響；（3）地震動(dòng)峰值加速度a和峰值速度v，或等效峰值加速度EPA和等效峰值速度EPV，或其“等效對(duì)”，地震系數(shù)k和反應(yīng)譜特征周期或拐點(diǎn)周期Tg＝2

v/a或2

EPV/EPA

。這幾對(duì)值(a和v；EPA和EPV；k和Tg)都可以初步近似地表示隨地震環(huán)境和場(chǎng)地工程地質(zhì)條件而變的反應(yīng)譜，即場(chǎng)地地震相關(guān)反應(yīng)譜；設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

從繁簡(jiǎn)程度分，設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)從簡(jiǎn)單到詳細(xì)的排序是：（1）地震烈度，由此換算地震動(dòng)峰值加速度； （2）峰值加速度a或地震系數(shù)k和標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜或標(biāo)準(zhǔn)放大系數(shù)譜，標(biāo)準(zhǔn)譜一般不考慮地震環(huán)境，但可以近似地考慮場(chǎng)地工程地質(zhì)條件的影響；（3）地震動(dòng)峰值加速度a和峰值速度v，或等效峰值加速度EPA和等效峰值速度EPV，或其“等效對(duì)”，地震系數(shù)k和反應(yīng)譜特征周期或拐點(diǎn)周期Tg＝2

v/a或2

EPV/EPA

。這幾對(duì)值(a和v；EPA和E