黄世敏：建筑抗震设计若干问题

工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering建筑抗震设计若干问题黄世敏中国建筑科学研究院工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering一、城镇设防变化简况——第五代地震动参数区划图工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering加速度区划图对比工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering特征周期区划图对比工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering县级及以上城镇设防变化统计工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering说明：1、大陆县级及以上城镇共2860个，累计升高的城镇1149个，占44%2、规范附录系根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015和《中华人民共和国行政区划简册2015》以及中华人民共和国民政部发布的《2015年县级以上行政区划变更情况（截止2015年9月12日）》编制。3、附录仅给出了我国各县级及县级以上城镇的中心地区的抗震设防烈度、设计基本地震加速度和所属的设计地震分组。当在各县级及县级以上城镇中心地区以外的行政区域从事建筑工程建设活动时，应根据工程场址的地理坐标查询《中国地震动参数区划图》GB18306-2015，以确定工程场址的地震动峰值加速度和地震加速度反应谱特征周期工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering例：A.0.6辽宁省烈度加速度分组县级及县级以上城镇沈阳市7度0.10g第一组和平区、沈河区、大东区、皇姑区、铁西区、苏家屯区、浑南区（原东陵区）、沈北新区、于洪区、辽中县6度0.05g第一组康平县、法库县、新民市大连市8度0.20g第一组瓦房店市、普兰店市7度0.15g第一组金州区7度0.10g第二组中山区、西岗区、沙河口区、甘井子区、旅顺口区6度0.05g第二组长海县6度0.05g第一组庄河市鞍山市8度0.20g第二组海城市7度0.10g第二组铁东区、铁西区、立山区、千山区、岫岩满族自治县7度0.10g第一组台安县工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering二、关于各类场地地震动峰值加速度调整工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering说明：1、定性正确：统计表明，不同场地地震动峰值加速度会略显不同。历次大地震的经验表明，同样或相近的建筑，建造于Ⅰ类场地时震害较轻，建造于Ⅲ、Ⅳ类场地震害较重。考虑到这种差异，工程建设标准-在89及以后各版抗规通过抗震构造措施的调整已予以考虑3.3.2建筑场地为Ⅰ类时，对甲、乙类的建筑应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施；对丙类的建筑应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震构造措施工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering规范对Ⅰ类场地，仅降低抗震构造措施，不降低抗震措施中的其它要求，如按概念设计要求的内力调整措施。对于丁类建筑，其抗震措施已降低，不再重复降低。3.3.3建筑场地为III、IV类时，设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，除本规范另有规定外，宜分别按抗震设防烈度8度(0.20g)和9度(0.40g)时各抗震设防类别建筑的要求采取抗震构造措施。5.2.5及超限审查技术要点：楼层最小地震剪力系数值对于III、IV类场地至少增加5%。对Ⅲ、Ⅳ类场地，除各章有具体规定外，仅提高抗震构造措施，不提高抗震措施中的其它要求，如按概念设计要求的内力调整措施。工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering2、具体调整系数争议很大，定量有待商榷。世界各国的抗震规范或标准，凡要求不同场地反应谱峰值加速度调整的，加速速度调整的幅度只有特征周期调整幅度的1/3~1/2。故相应的加速度调整幅度不宜大于1.15。欧洲规范相当Ⅲ类场地的加速度峰值甚至比Ⅱ类场地略有减少。3、资料性附录4、不是建设部管辖的工程建设标准，不协调地方如征求意见稿中学校、医院地震作用提高一度要求等5、工程建设标准通过抗震设防分类、抗震措施和抗震计算配套使用，共同保证建筑物抗震安全工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering三、关于结构动反应放大系数的最大值βmax工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering1、结构动力反应系数的最大值βmax是单质点体系质点的最大加速度与地面最大加速度的比值的最大值。从世界各国抗震规范的规定来看，其取值主要在2.0~3.0之间，以βmax=2.5的情况居多。2、我国在《工业与民用建筑抗震设计规范(试行)》TJ11-74制定时，根据陈达生等人对18次地震中45个地震记录的统计结果，规定βmax取3.0。由于当时我国各烈度区的基本地震加速度取值普遍较低（7度的基本地震加速度取值为0.075g），因此，74规范的水平地震影响系数最大值αmax并不大，7度区的αmax=0.075×3.0=0.225≈0.23。工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering3、之后陈达生等人进一步补充地震记录（183个记录）的研究结果表明，βmax的均值在2.0~2.5之间，建议规范取2.25。上世纪80年代，周锡元、符圣聪等人对国内外303个加速度反应谱进行统计分析，结果表明平均反应谱在0.15s~0.35s区间有大致相同的数值，其值域为1.999~2.167，也建议规范的βmax取2.25。基于上述研究成果，同时考虑到当时的国民经济条件，我国自78规范开始βmax取2.25。4、鉴于目前我国国民经济已有较大发展、社会公众对于建筑安全要求越来愈高以及民众对于建筑抗震能力多层次需求等形势，在适当的时机，可以考虑将βmax由2.25提升至2.5，与国际主流规范保持一致。工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering四、关于抗震设计规范和“地震安全性评价”地震动参数的问题工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering存在的问题：1、《防震减灾法》中，对需要进行地震安全性评价重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程有明确的界定。2、对特定的设防烈度，现行规范反应谱的最大值αmax与超越概率有关，而特征周期Tg与超越概率无关；而“安评”反应谱，不但最大值αmax与超越概率有关，而且特征周期Tg还与超越概率相关，大震反应谱的Tg往往大于小震（关于这一点，地震学界存在争论）。工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering3、实际强震记录统计结果表明，加速度反应谱的长周期段（T5Tg）为位移控制段，谱值变化规律为1/T2.033，即为二次曲线下降，衰减指数γ≈2.0。“安评”工作完全按照这一规律给出设计反应谱。但规范考虑到如果按此指数规律下降，T5Tg以后的长周期加速度反应谱的值变得很小，计算长周期结构的地震反应（内力和位移）太小，对结构抗震设计将不起控制作用。出于结构抗震安全考虑，在构建规范反应谱时，将位移控制段调整为直线下降，下降斜率为η1=0.02，实际上提高了设计地震作用。由此可见，“安评”所提供的地震动参数对于高层建筑结构抗震设计是不安全的。工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering中国抗震设计规范反应谱工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering应对措施：1、首先要明确的是，只有极少数的建设工程需要进行“安评”工作，大量的工业与民用建筑、包括高层建筑，只需要按照国家标准中国地震动参数区划图（即建筑抗震设计规范附录A）所规定的地震动参数进行抗震设计。2、从工程使用和抗震安全角度考虑，一般工程应按照国家标准进行抗震设计。重大工程的抗震设计时，在小震作用下，可分别取规范和“安评”的地震动参数计算，取二者计算所得到的结构底部剪力较大者的楼层水平地震力进行结构抗震验算。大震作用下的结构变形验算，则可按规范提供的地震动参数进行。工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering五、关于学校、医院地震作用提高一度（档）的要求工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering地震局相关文件、区划图报批稿中均有学校、医院地震作用提高一度（档）的要求1、房屋建筑的“抗震设防要求”是通过地震区划图、抗震设计、施工质量、房屋建筑使用等诸方面来实现，不是单一的地震动参数就能保障的。由于地震区划图的不确定性（例如，北川和汶川县映秀镇的设防烈度为7度，实际烈度高达11度），制定抗震设计规范标准时，以地震区划图所确定的某一地区的设防烈度为基础，提出“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防要求。这里，“中震”即设防烈度，“小震”约比“中震”小1.55度，“大震”约比“中震”高1度。其目的就是当地震区划图不准确、发生高于设防烈度的“大震”时，做到房屋建筑不倒塌工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering2、抗震措施是抗震设防要求的重要内容，在地震区划图估计的加速度不准确的情况下，具有更为重要的防倒塌作用我国的建筑抗震设计规范，根据不同房屋建筑的重要性，配套提出不同的抗震等级和相应的抗震措施。美、日等国的抗震设计规范中，对不同的房屋建筑规定一个重要性系数（1.25-1.50）来调整结构的地震效应（弯矩和剪力等），与我国的抗震设计规范相似。我国规范所规定钢筋混凝土结构多道抗震防线、“强柱弱梁”和砌体结构的圈梁、构造柱设置等，是在总结了大量震害经验的基础上提出的抗震措施，经历次地震检验，证明是十分有效的。汶川地震中，即使在震中地区，实际烈度高于设防烈度3-4度的情况下，只要严格按照规范设计和建造的房屋建筑，抗震措施到位，仍然可以保证建筑物不倒塌。工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering3、《建筑工程抗震设防分类标准》对二、三级医院、具有外科手术或急诊科的乡镇卫生院，幼儿园和中小学等建筑的抗震设防要求为重点设防类，在抗震设计中要求按提高一度采取抗震措施，其效果高于单一提高地震加速度的效果。对地震动峰值加速度取值笼统“提高一档”的做法，使不同烈度区的地震动加速度提高程度不一致，差别太大，因此是不科学的烈度6789加速度（g）0.050.100.150.200.300.40增大系数2.001.501.331.501.33工程抗震研究所InstituteofEarthquakeEngineering《抗震规范》根据房屋建筑的重要性提高一度采取抗震措施时，针对不同构件规定地震力增大系数。以钢筋混凝土结构为例，仅地震内力就有如下提高（以静力为基数的增大系数）：抗震等级一级二级三级底层柱弯矩增大系数1.3×1.4×1.7/0.80=3.871.3×1.2×1.5/0.8=2.931.3×1.1×1.3/0.80=2.32柱剪力增大系数1.3×1.4/0.80=2.281.3×1.2/0.80=1.951.3×1.1/0.80=1.80墙弯矩增大系数1.3×1.2/0.85=1.84墙剪力增大系数1.3×1.6/0.85=2.451.3×1.4/0.85=2.141.3×1.2/0.85=1.84梁剪力增大系数1.3×1.3/0.75=2.531.3×1.2/0.75=2.081.3×1.1/0.75=1.91可见，抗震设计中，提高一度采取抗震措施完全包络了单一提高地震加速度“一档”所能达到的效果。工程抗震