抗震设防标准与结构抗震安全性

抗震设防标准与结构抗震安全性高小旺王菁肖伟孟钢王巍周晓夫（中国建筑科学研究院）提要•工程结构采用的抗震设防标准对于其安全水平是至关重要的。本文采用投入－效益的工程决策分析方法，对不同重要性建筑的抗震设防标准进行了探讨，对《建筑抗震设防分类标准》GB50223－95中的乙类建筑是否较丙类建筑提高和降低地震作用进行抗震截面验算等作了工程投入和地震损失分析，提出了不同重要性的建筑抗震设防的最佳标准。关键词工程决策重要建筑设防标准1、前言•工程结构抗震的安全性与抗震设防标准、结构的抗震设计和施工等诸多因素有关。在这其中，抗震设防标准的确定是非常关键的。从一定意义上讲，抗震设防标准决定着工程结构抗震安全水平。抗震设防标准既包括一个城市的设防烈度或地震动参数，又包括不同重要性工程因其使用功能的重要性而应采用不同的设防标准。•围绕较正确地确定抗震设防标准，国内外学者进行了一系列的研究，适应地震作用随机性的特点，采用概率方法确定抗震设防标准是较为合适的。•采用投入－效益的工程决策分析方法，对城市抗震设防标准的若干问题进行了分析。建筑重要性分类：甲类建筑——特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果的建筑等；乙类建筑——国家重点抗震城市的生命线工程的建筑，主要指使用功能不能中断或需要尽快恢复的建筑；丙类建筑——地震破坏后有一般影响及其它不属于甲、乙、丁类的建筑；丁类建筑——次要的建筑，如遇地震破坏不易造成人员伤亡和较大损失的建筑。•对乙类建筑中的第1类和第2类是否仅提高一度采取抗震构造措施，以及对于丁类建筑降低一度采取抗震构造措施，是否为最优的抗震设防标准，尚需进一步探讨。2、工程抗震设防标准决策分析方法概要•确定合理的抗震设防标准，必须建立在对一个城市或地区的地震危险性和对不同烈度地震作用下造成损失(包括直接损失和间接损失以及人员伤亡等)的科学分析基础上。•采用抗震设防—效益分析方法来确定工程抗震设防标准，需要建立目标函数，使之取极值求得最佳决策。目标函数可为期望的总损失，则极值为最小；也可为效益，则极值为最大。抗震设防标准的最佳取值，可为按某一设防烈度建造房屋和工程的投入与50年内该城市或地区在各种不同烈度地震作用下的期望损失之和W(I)为最小来确定.可用下列公式表示:W(I)→min(2)式中R(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度的工程投入；P(i)——该城市或地区I烈度的出现概率；S1(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度时，不同地震烈度作用下的直接损失(主要包括工程结构和结构内部财产的损失)；S2(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度时，不同地震烈度作用下的间接损失(包括停水、停电、火灾和停产的损失)；S3(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度时，不同地震烈度作用下的人员伤亡损失。(1)S3(I)]S2(I))()[(R(I)W(I)1161ISiPi其分析方法可概括为图1所示的框图。某城市的地震危险性分析结果工程结构宜损性模型以某一地震烈度作为抗震设防烈度的工程造价不同强度地震作用下该市地面破坏效应和对工程结构的影响不同地震烈度作用下，按某一地震烈度作为设防标准时工程结构的不同破坏状态的概率某一地震烈度作为设防标准时，工程结构破坏的直接损失、间接损失和人员伤亡根据该城市50年不同地震烈度的出现概率和某一地震烈度作为设防标准时，各烈度地震作用的损失，综合得到期望损失对各地震烈度作为设防烈度的工程造价与期望损失之和进行比较，取极小值对应的地震烈度作为城市的设防标准图1工程抗震设防标准决策分析框图3、地震损失分析•地震作用下造成的损失，可分为直接经济损失、间接经济损失和远期损失以及人员伤亡等。这些损失和人员伤亡都与工程结构的破坏状态有关。因此，讨论地震损失中一个重要的工作就是对工程结构在不同地震作用下的易损性分析，通常我们称为震害预测。3.1地震作用下工程结构的震害预测方法•基于可靠度理论的震害预测方法，对采取不同配筋率、轴压比和体积配箍率的钢筋混凝土构件的屈服、极限变形进行了分析，在构件配箍率和轴压比相同的条件下，体积配箍率的增加对极限位移影响比较大，对屈服位移影响不大，其规律是随着体积配箍率的增加，构件的极限变形能力增强。我们在乙类建筑的震害预测中引入了这方面的分析结果。3.2建筑物内物资损失分析•地震作用下的建筑物破坏将导致建筑物内的物资破坏，特别是工业厂房的破坏将导致对厂房中设备的破坏。因此，在分析工程结构的损失中，应对建筑物内的物资损失进行分析。•这里要说明的是，工业厂房内的设备破坏是由二个方面引起的：一是由于在地震作用下设备地脚螺栓抗剪强度不足和浮放设备倾覆引起的破坏，也就是设备本身在地震作用下的破坏；二是由于厂房严重破坏或倒塌砸坏设备产生的。厂房内的物资损失主要是指后者。•根据对震害资料的分析，文献[７]建议的建筑物内物资损失与物资价值的比值列于表1。表1建筑内物资损失与物资价值比破坏状态基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌民用建筑工业建筑0.00.00.00.00.00.020.250.350.950.903.3地震间接损失的分析•地震的损失除了工程结构的破坏、基础设施的失效、建筑物内物资和设备的破坏、次生灾害引起的构筑物和建筑物等破坏以及人员伤亡外，还有由地震破坏造成的停产或减产。特别是原材料工业部门和能源供应部门的停产或减产，会使依赖于这些能源和原材料加工的工业部门的生产引起一系列的连锁反应。这种影响往往不仅限于地震区，而且还波及到其邻近的地区。比如，发电厂主厂房的严重破坏，会使依靠电力作为能源的工厂停产或部分停产。•对于乙类建筑，其间接损失较丙类建筑要严重得多，这主要是乙类建筑的使用功能一旦中断，将对国民经济产生重大损失。特别是乙类建筑中的调度信号楼、网控楼、铁路行车调度楼、航管楼等的严重破坏，将导致停电、铁路与航空运输中断，其间接损失是非常巨大的。建议乙类建筑的间接损失与各种不同破坏状态下的直接损失的关系采用表2所列的倍数ηc。关于丁类建筑的间接损失，由于储存物品价值低，其间接损失较丙类建筑要小，建议丁类建筑的间接损失与各种不同破坏状态下的直接损失的关系采用表2中丁类建筑的ηc值。表2间接损失与各种不同破坏状态下直接损失的倍数ηc破坏状态基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌乙类建筑丁类建筑0.00.00.00.00.5～1.00.023.0～6.01.08.02～0.02.0注：①乙类建筑为中等破坏且有精密设备时，ηc1.0；②乙类建筑为严重破坏后倒塌破坏状态时，影响范围大的取ηc的较大值。4、建筑抗震设防标准分析•下面仅对《建筑抗震设防分类标准》中的乙类和丁类建筑进行抗震设防标准的分析。4.1不同设防城市50年内各地震烈度的发生概率•在乙类和丁类建筑抗震设防标准的决策分析中，要给出各烈度在50年内发生的概率，才能分析损失的期望值。在我们运用一些城市的地震危险性分析结果中，有一些城市的地震危险性分析结果中，有一些给出烈度超过5度、5.5度、6度和6.5度…的概率。作为对一些城市的决策分析，我们取5.5～6.49度为6度，6.5～7.49为7度，7.5～8.49为8度，8.5～8.49为9度，9.5～10.49为10度，大于10.5为11度。根据上述原则，所进行的设防烈度为6～9度的四个典型城市，在50年内发生6～11度地震的概率列于表3。表36～7度设防典型城市50年内发生各种地震烈度的概率序号50超越概率10%6度7度8度9度10度11度12346.207.008.009.000.20930.39970.33420.06060.05250.16710.40700.328140.007720.03730.16260.394980.005460.0045960.036690.176610.0000110.000220.005340.036090.00.000060.00080.00804.2破坏概率分析•对乙类建筑，主要指钢筋混凝土结构类型，包括钢筋混凝土框架，高层钢筋混凝土结构和单层钢筋混凝土柱厂房等。该类建筑提高一度采取抗震构造措施以及构件强剪弱弯、强柱弱梁、强节点和柱轴压比的调整等，能够较大的提高构件的极限变形能力。对于乙类建筑中的第1类调度信号系统房屋，若提高构件的承载能力，在地震作用下延缓了结构进入屈服的时间，在一定强度地震作用下的结构变形将会减少，再加上又提高一度采取抗震构造措施，该结构发生中等以上破坏的概率将会减少较多。表4列出了7度区某城市46幢钢筋混凝土框架结构样本，按丙类建筑设计、按提高一度采取构造措施及将地震作用增大1.5倍并提高一度采取构造措施等三种情况下，在7、8、9度时不同破坏状态下的震害。表47度区某城市46幢钢筋混凝土框架结构样本采构造措施后的震害预测结果抗震构造措施烈度基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌按丙类建筑设计7890.885260.437980.038800.105420.408760.245380.008730.126910.355080.000580.025990.325920.00.000370.03482提高一度采取抗震构造措施7890.885260.437980.038800.105420.408760.245380.00900250.1399050.456090.0002950.0137350.241210.00.00130.01852增大1.5倍的地震作用，并提高一度采取抗震构造措施7890.943960.665410.125060.052950.279130.393590.002950.049250.316730.000140.00620.16230.00.000010.00338•同样我们也可以分析丁类建筑的单层砖柱厂房按降低一度采取抗震构造措施和降低为0.75的承载能力及同时降低一度采取抗震构造措施的震害预测结果。4.3造价分析•对于乙类建筑不仅提高一度采取构造措施，而且对于信号调度楼还应提高地震作用进行结构构件的承载能力验算；对于丁类建筑不仅降低一度采取构造措施，而且还可以降低地震作用进行构件承载力验算。•提高地震作用和同时提高一度采取构造措施的乙类建筑的工程造价，比仅提高一度采取构造措施的要增加，其增加的比例可按表5给出的范围取值。仅提高一度采取构造措施时，取下限值，同时提高一度地震作用时取上限值，其它内插。•对于丁类建筑降低地震作用和同时降低一度采取构造措施，不同设防烈度的工程造价较不设防的增加值列于表6。若仅降低一度采取构造措施时取表6中的上限值，同时降低一度地震作用时取下限值，其它内插。表5乙类建筑同时提高地震作用和提高一度采取构造措施比不设防时工程造价的增加比例（%）表6丁类建筑同时降低地震作用和降低一度采取构造措施比不设防时工程造价的增加比例（%）房屋类型6789多层与高层钢筋混凝土房屋单层钢筋混凝土柱厂房3.0～5.03.0～4.56.5～10.06.0～9.013.0～20.012.0～18.024.0～35.020.0～30.0房屋类型6789单层砖柱厂房2.02.0～2.83.5～5.08.0～11.04.4抗震设防标准的分析结果•在进行工程决策分析中，我们采用归一化的方法，即以乙类建筑提高一度采取构造措施抗震设防的投入与期望损失之和为标准W1，与按丙类建筑设防的投入与期望损失之和W2及按提高承载能力(按1.5倍地震作用进行构件承载力验算)和同时提高一度采取构造措施抗震设防的投入与期望损失之和W3相比较，其最小值为乙类建筑的最优设防标准。对6～9度四个典型设防烈度的分析结果列于表7。•表7乙类建筑三种不同设防要求的分析结果比较50年超越概率10％的烈度W1/W1W2/W1W3/W167891.01.01.01.01.0981.0891.2031.0970.8950.9420.8070.910•从表7可以看出，对于乙类建筑的第1类如指挥调度楼，从发挥其正常运行的功能来说，构件承载力验算中按1.5倍地震作用有助于减轻地震灾害；对于乙类建筑的第2类如大中城市的三级医院的住院部、医技楼、门诊部