2工程抗震设准和设计地震动

1、 根据场地与断层的相对位置，方向性效应可以分为向前效根据场地与断层的相对位置，方向性效应可以分为向前效应（应（forward）、向后效应（）、向后效应（reverse）和中性效应（）和中性效应（neutral），），如果断层的破裂方向朝向场地或破裂方向与震源（如果断层的破裂方向朝向场地或破裂方向与震源（hypocenter）和场地连线的夹角较小的话，场地的效应称为和场地连线的夹角较小的话，场地的效应称为向前方向向前方向性性效应效应；如果断层的破裂方向背离场地或破裂方向与震源和场地连线的如果断层的破裂方向背离场地或破裂方向与震源和场地连线的夹角较小的话，称为夹角较小的话，称为向后方向性效应向后方

2、向性效应；如果场地与震源的连线；如果场地与震源的连线几乎垂直于断层的破裂方向，称为几乎垂直于断层的破裂方向，称为中性效应中性效应。通常所说的。通常所说的“方方向性效应向性效应”是指向前方向性效应，因为向前方向性效应产生的是指向前方向性效应，因为向前方向性效应产生的地震动对工程结构来说更为不利。地震动对工程结构来说更为不利。 断层破裂所产生的断层破裂所产生的能量能量波在传播介质中以几波在传播介质中以几乎等于介质剪切波速的速度向场地传播，使得断乎等于介质剪切波速的速度向场地传播，使得断层产生的能量以非常短的时间到达场地层产生的能量以非常短的时间到达场地. . 在场地的地震动中将产生一个在场地的地震

3、动中将产生一个大的速度脉冲大的速度脉冲(velocity pulse)，从图中可以看到来自每个子断，从图中可以看到来自每个子断层的地震动层的地震动能量几乎能量几乎同时到达场地同时到达场地a a时，在场地时，在场地a a产生一个相对短持时、高幅值的地震动，而来自产生一个相对短持时、高幅值的地震动，而来自每个子断层的地震动每个子断层的地震动能量在相对较长的时间到达能量在相对较长的时间到达场地场地b b，从而在场地，从而在场地b b产生一个相对持时较长、幅产生一个相对持时较长、幅值较低的地震动。值较低的地震动。工程抗震设防标准和设计地震动工程抗震设防标准和设计地震动翟长海 博士哈尔滨工业大学土木工程

4、学院email：zch-tel: 86282027中华人民共和国防震减灾法中华人民共和国防震减灾法 (1997(1997年年1212月月2929日第八届全国人民代表大会日第八届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过常务委员会第二十九次会议通过) )抗震减灾工作应依法进行抗震减灾工作应依法进行第十七条第十七条 新建、扩建、改建建设工新建、扩建、改建建设工程，必须达到抗震设防要求程，必须达到抗震设防要求。(为什么要进行抗震设防？为什么要进行抗震设防？)第十九条第十九条 建设工程必须按照抗震设建设工程必须按照抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设计，并按照抗震设计进

5、行施工。计，并按照抗震设计进行施工。抗震设计的目的和目标抗震设计的目的和目标 抗震设计的目的抗震设计的目的 工程结构抗震设计的目的是：减轻结构的工程结构抗震设计的目的是：减轻结构的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，同地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，同时使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进时使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行。行。抗震设计的目标抗震设计的目标 由于地震动的随机性是很大的，要使得所设计由于地震动的随机性是很大的，要使得所设计的结构在遭受将来可能发生的地震时绝对不破坏是的结构在遭受将来可能发生的地震时绝对不破坏是不现实和不经济的。换句话说，结构抗震设计不能不现实和不

6、经济的。换句话说，结构抗震设计不能追求绝对的安全性，而需要从现在的经济条件出发，追求绝对的安全性，而需要从现在的经济条件出发，使设计的结构在未来地震作用下发生破坏的概率为使设计的结构在未来地震作用下发生破坏的概率为社会所接受，同时为当前的经济条件所允许社会所接受，同时为当前的经济条件所允许。 合理的抗震设计应满足经济和安全之间的合理合理的抗震设计应满足经济和安全之间的合理平衡平衡，这也是抗震设计的目标。这一目标可以表示，这也是抗震设计的目标。这一目标可以表示为使总效益为使总效益e e最大的形式最大的形式 e e受益投资可能的损失最大受益投资可能的损失最大抗震设计的目标抗震设计的目标 受益受益包

7、括所考虑的工程建成后的直接和间接收获；包括所考虑的工程建成后的直接和间接收获；投资投资包括兴建此工程的资金及工程建成后的维护资包括兴建此工程的资金及工程建成后的维护资金；金； 损失损失包括人身伤亡、物质财产的直接损失以及连锁包括人身伤亡、物质财产的直接损失以及连锁反应造成的间接损失、以及政治、社会、经济影响反应造成的间接损失、以及政治、社会、经济影响等。等。 若不考虑非结构损失，则上式可近似改为：若不考虑非结构损失，则上式可近似改为： 结构抗震总费用工程造价修复费最小结构抗震总费用工程造价修复费最小 用概率方法进行分析用概率方法进行分析建筑抗震设防目标与标准建筑抗震设防目标与标准 抗震设防的概

8、念抗震设防的概念 抗震设防的重要性抗震设防的重要性 设防依据设防依据 设防目标及其实现设防目标及其实现 建筑类别与设防标准建筑类别与设防标准抗抗 震震 设设 防（防（ seismic fortification ）对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施 国内外大量震害证明，进行科学合理的国内外大量震害证明，进行科学合理的抗震设防是当今减轻地震灾害的最直接、有抗震设防是当今减轻地震灾害的最直接、有效的途径效的途径 （虽然有隔震、控制等措施）（虽然有隔震、控制等措施） 抗震设防的重要性抗震设防的重要性 事例事例1 19761976年年7 7月月2626日在我国一个拥有

9、日在我国一个拥有150150万人口的万人口的唐山唐山市市，遭遇，遭遇7.87.8级地震的袭击，顷刻间整座城市化为一级地震的袭击，顷刻间整座城市化为一片片瓦砾，人员死亡高达近片片瓦砾，人员死亡高达近2525万人，经济损失超百亿万人，经济损失超百亿元；元； 19851985年一个拥有年一个拥有100100余万人口的余万人口的智利瓦尔帕莱索智利瓦尔帕莱索市市虽遭受了同样虽遭受了同样7 7、8 8级地震的袭击，人员死亡却只有级地震的袭击，人员死亡却只有150150人人，而且不到一周时间，整个城市就恢复原样。，而且不到一周时间，整个城市就恢复原样。 同样大小的地震，城市人口也差不多相同，却产同样大小的地

10、震，城市人口也差不多相同，却产生了如此不同的后果，只是因为瓦尔帕莱索市的建筑生了如此不同的后果，只是因为瓦尔帕莱索市的建筑物和设施曾进行了有效抗震设防。物和设施曾进行了有效抗震设防。抗震设防的重要性抗震设防的重要性 事例事例2 2 日本日本东京东京是国际著名大城市，历史上曾发生过是国际著名大城市，历史上曾发生过8 8级以级以上大地震。日本政府以及各界一向对此十分关心和重上大地震。日本政府以及各界一向对此十分关心和重视，长期以来一直致力于将东京建成一个能抗御视，长期以来一直致力于将东京建成一个能抗御8 8级级大地震的城市；大地震的城市；19861986年一次年一次6.26.2级地震发生在东京城级

11、地震发生在东京城底下，一座上千万人口的城市底下，一座上千万人口的城市仅死亡仅死亡2 2人人，整个城市，整个城市几乎未遭到破坏；几乎未遭到破坏； 可是一向认为没有发生大地震危险的日本第二大港可是一向认为没有发生大地震危险的日本第二大港神神户市户市对工程抗震设防就不那么重视：在对工程抗震设防就不那么重视：在19951995年年1 1月月1717日的一次日的一次6.96.9级的地震中，导致了近十万栋房屋毁级的地震中，导致了近十万栋房屋毁坏坏55005500人死亡和约人死亡和约10001000亿美元的经济损失亿美元的经济损失。抗震设防的重要性抗震设防的重要性 事例事例3 3 1988 1988年年12

12、12月月7 7日前苏联的阿美尼亚共和园发生一日前苏联的阿美尼亚共和园发生一次次6.86.8级地震，位于震中的级地震，位于震中的斯皮塔克城斯皮塔克城全城变成废墟，全城变成废墟，距震中距震中4040公里的公里的列宁纳坎市列宁纳坎市约有约有8080建筑物毁坏。更建筑物毁坏。更远的远的基洛伐克市基洛伐克市也有将近也有将近5050的建筑物严重破坏或倒的建筑物严重破坏或倒场，地震死亡人数达场，地震死亡人数达4 45 5万人。该地区历史上曾发生万人。该地区历史上曾发生过数次过数次6-76-7级大地震，但前苏联政府，鉴于城市居住级大地震，但前苏联政府，鉴于城市居住建筑严重短缺，又缺乏资金，便在建筑严重短缺，又

13、缺乏资金，便在7070年代初期对年代初期对大量大量新建的多层房屋建筑降低设防标准新建的多层房屋建筑降低设防标准一律从一律从9 9度降低度降低7 7度，而恰恰正是这些房屋建筑在该次地震中大量倒塌，度，而恰恰正是这些房屋建筑在该次地震中大量倒塌，造成了众多的人员伤亡造成了众多的人员伤亡。设防依据设防依据抗震设防烈度抗震设防烈度 定义定义：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度（防依据的地震烈度（seismic fortification intensity） 确定确定：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件

14、（图件）确定（图件）确定一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度地震基本烈度度度（或（或设计地震基本加速度值设计地震基本加速度值）双轨制双轨制对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划（抗震设防烈度或（抗震设防烈度或设计地震动参数设计地震动参数）进行抗震设防）进行抗震设防 设防范围设防范围 ：6-96-9度度抗震设防标准抗震设防标准 概念概念： seismic fortification criterion 衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设防烈度衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设防烈度和建筑使用

15、功能的重要性确定。和建筑使用功能的重要性确定。怎么确定？ 地震极强的随机性决定了地震的发生和特性都地震极强的随机性决定了地震的发生和特性都不能精确的给出，必须以概率为基础进行预测，给不能精确的给出，必须以概率为基础进行预测，给出今后若干年内不同强度地震发生可能性，使用寿出今后若干年内不同强度地震发生可能性，使用寿命期内对不同频度和强度的地震，要求结构具有不命期内对不同频度和强度的地震，要求结构具有不同的抵抗能力同的抵抗能力 。 三水准：三水准：“小震小震”“”“中震中震”“”“大震大震”抗震设防标准的标定抗震设防标准的标定 建筑抗震规范提出了建筑抗震规范提出了三个烈度水准三个烈度水准的抗的抗震

16、设防要求。震设防要求。 三个烈度水准是依据对我国华北、西北、三个烈度水准是依据对我国华北、西北、西南三个地区西南三个地区4545个城镇的地震危险性分析结个城镇的地震危险性分析结果果，运用概率的方法对，运用概率的方法对 “ “小震小震”、“中震中震”与与“大震大震”的概率意义和取值进行了分析并的概率意义和取值进行了分析并给出了相应的结果。给出了相应的结果。三水准地震作用的标定步骤（三水准地震作用的标定步骤（1） （1）对华北、西北、西南三个地区的潜在震源、各震）对华北、西北、西南三个地区的潜在震源、各震源的地震活动性、地震传播过程的衰减规律分析的基源的地震活动性、地震传播过程的衰减规律分析的基础

17、上给出了础上给出了45个城镇的地震危险性分析结果，确定个城镇的地震危险性分析结果，确定我国地震烈度符合极值我国地震烈度符合极值iii型分布型分布。 （2）通过）通过45个城镇不同超越概率所对应的烈度与该城个城镇不同超越概率所对应的烈度与该城镇的基本烈度相比较，计算了比较差的平均值与标准镇的基本烈度相比较，计算了比较差的平均值与标准差。从计算结果来看，在设计基准期差。从计算结果来看，在设计基准期50年内超越概率年内超越概率为为13的地震烈度与基本烈度相比较的总体标准差最的地震烈度与基本烈度相比较的总体标准差最小。但当超越概率在小。但当超越概率在0.090.16范围内变化时，与基本范围内变化时，与

18、基本烈度的标准差变化不大。因此，从工程实际来考虑，烈度的标准差变化不大。因此，从工程实际来考虑，可以粗略的认为基本烈度相当于可以粗略的认为基本烈度相当于50年内超越概率为年内超越概率为l0的烈度的烈度。三水准地震作用的标定步骤（三水准地震作用的标定步骤（2） （3）从概率意义上讲，）从概率意义上讲，“小震小震”就是多遇的地震，出就是多遇的地震，出于我国地震烈度的概率分布符合极值于我国地震烈度的概率分布符合极值iii型，极值分布型，极值分布的众值为其概率密度函数上的峰点，在极值分布中此的众值为其概率密度函数上的峰点，在极值分布中此值为众值，所以我们称此地震烈度为众值烈度。从地值为众值，所以我们称

19、此地震烈度为众值烈度。从地震烈度的重现期来看，震烈度的重现期来看，在设计基准限期在设计基准限期50年的众值烈年的众值烈度的超越核率为度的超越核率为63.2： （4）地震的发生无论在时间、地点、强度方面都是随）地震的发生无论在时间、地点、强度方面都是随机的，已往发生概率小于机的，已往发生概率小于5的强烈地震作用己多次给的强烈地震作用己多次给人们的生命财产造成了严重灾害。因此，其概率水平人们的生命财产造成了严重灾害。因此，其概率水平应在应在50年内的超越概率小于年内的超越概率小于5。根据计算结果，从既。根据计算结果，从既安全又经济的抗震效果，安全又经济的抗震效果，建议建议“大震大震“定义为，在定义

20、为，在50年内超越概率为年内超越概率为32。三水准地震作用的标定步骤（三水准地震作用的标定步骤（3） （5）分别计算这）分别计算这45个城镇在个城镇在50年内超越概率为年内超越概率为10的地震烈度与众值烈度（在的地震烈度与众值烈度（在50年内超越概率为年内超越概率为63.2的地震烈度）之差，并从这的地震烈度）之差，并从这45个城镇的总体个城镇的总体上计算出其差值的平均值上计算出其差值的平均值1.55，这样也可以认为，这样也可以认为基基本烈度与众值烈度差的平均值为本烈度与众值烈度差的平均值为1.55度。罕遇地震度。罕遇地震对应的烈度比基本烈度大约大对应的烈度比基本烈度大约大1度左右度左右。 根据

21、根据烈度与地震地面峰值加速度烈度与地震地面峰值加速度的关系，可得的关系，可得到比基本烈度降低到比基本烈度降低1.55度的众值烈度所对应的地面度的众值烈度所对应的地面峰值加速度的折减系数为峰值加速度的折减系数为0.34。当然也可以知道罕。当然也可以知道罕遇地震对应的地面峰值加速度比基本烈度对应的峰遇地震对应的地面峰值加速度比基本烈度对应的峰值加速度大值加速度大46倍倍。三水准地震作用的标定三水准地震作用的标定地震影响地震影响50年超越概率年超越概率地震重现期地震重现期众值烈度众值烈度 小震小震63.2%50年年基本烈度基本烈度 中震中震10%475年年罕遇烈度罕遇烈度 大震大震2-3%1642-

22、2475年年 一般关系一般关系 烈度：烈度：im=i0-1.55, is=i0+1 加速度：加速度：pgam=pga0*1/3； pgas=pgam*(4-6)讨论讨论“三水准及其对应的峰值加速度的折减三水准及其对应的峰值加速度的折减”？设防目标及其实现设防目标及其实现 设防目标设防目标水准水准涵义涵义要要 求求第一第一水准水准小震不坏小震不坏当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理仍可继续响时，一般不受损坏或不需修理仍可继续使用使用第二第二水准水准中震可修中震可修当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地

23、震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用理仍可继续使用第三第三水准水准大震不倒大震不倒当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏命的严重破坏 实现方法：两阶段设计实现方法：两阶段设计两阶段设计法两阶段设计法说明说明：第二水准的设防要求，是通过概念设计和构造措施来满：第二水准的设防要求，是通过概念设计和构造措施来满足的，对大多数结构可只进行第一阶段设计；只有对足的，对大多数结构可只进行第一阶段设计；只有对抗震抗震现范现范所规定的部分结构

24、，如有特殊要求的建筑和地震时易倒所规定的部分结构，如有特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，才进行第三阶段的塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，才进行第三阶段的抗震验算抗震验算 第一阶段设计：按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形：以满足第一水准抗震设防目标的要求： 第二阶段设计：在大震作用下验算结构的弹弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防的要求。我国抗震设防的依据是我国抗震设防的依据是“小震小震”、“中震中震”、“大震大震”？建筑类别与设防标准建筑类别与设防标准规范规范2001根据建筑使用功能重要性，分为：根

25、据建筑使用功能重要性，分为： 甲类甲类属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次 生灾害的建筑生灾害的建筑 乙类乙类属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复 功能的建筑功能的建筑 丙类丙类属于甲、乙、丁类以外的建筑属于甲、乙、丁类以外的建筑 丁类丁类属于抗震次要建筑属于抗震次要建筑策略：不调整地震力，只是从抗震措施或抗震构造策略：不调整地震力，只是从抗震措施或抗震构造措施上考虑建筑的重要性类别措施上考虑建筑的重要性类别 建筑类别与设防标准建筑类别与设防标准 甲类建筑甲类建筑地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值地震作用

26、应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为烈度为6 68 8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为当为9 9度时，应符合比度时，应符合比9 9度抗震设防更高的要求。度抗震设防更高的要求。乙类建筑乙类建筑地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下。当抗震设防烈度为措施，一般情况下。当抗震设防烈度为6 68 8度时，应符合本地度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当

27、为区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9 9度时应符合比度时应符合比9 9度抗度抗震设防更高的要求。震设防更高的要求。丙类建筑丙类建筑地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。的要求。丁类建筑丁类建筑一般情况下地震作用仍应符合本地区抗震设防烈一般情况下地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈低的要求适当度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈低的要求适当降低，但抗震设防烈度为降低，但抗震设防烈度为6 6度时不应降低。度时不应降低。讨论：“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则 小震不坏、中震可修、大震

28、不倒这样的安全要小震不坏、中震可修、大震不倒这样的安全要求是当前国际常用的标准。按此标准选定设计求是当前国际常用的标准。按此标准选定设计地震动的大小，以求得安全与经济的平衡，在地震动的大小，以求得安全与经济的平衡，在原则上十分合理，但难以定量分析导出其数值，原则上十分合理，但难以定量分析导出其数值，主要困难在于各使用阶段的经济损失难以计算。主要困难在于各使用阶段的经济损失难以计算。为此，人们大多用经验性的方法来决定小、中、为此，人们大多用经验性的方法来决定小、中、大震的超越概率的取值。大震的超越概率的取值。真正的、定量的安全真正的、定量的安全与经济的综合分析，目前尚未见应用于抗震设与经济的综合

29、分析，目前尚未见应用于抗震设计规范的具体分析中。计规范的具体分析中。 制定结构的抗震设防表示是一个制定结构的抗震设防表示是一个非常复杂的问题，牵扯到地震工程学、非常复杂的问题，牵扯到地震工程学、社会学、经济学等各个学科，很多学者社会学、经济学等各个学科，很多学者正在研究（谢礼立院士的工作，如基于正在研究（谢礼立院士的工作，如基于性态的抗震设防标准、可接受死亡率、性态的抗震设防标准、可接受死亡率、最优设防烈度等）？最优设防烈度等）？建筑工程抗震性态设计通则建筑工程抗震性态设计通则设计地震动参数设计地震动参数 工程的抗震设计分析需要以给定的设计工程的抗震设计分析需要以给定的设计地震动参数为依据。地

30、震动参数为依据。 工程对设计地震动参数的要求，一方面与工程对设计地震动参数的要求，一方面与工程的重要性有关、另一方面又要考虑工程工程的重要性有关、另一方面又要考虑工程的特性。的特性。 设计地震动参数设计地震动参数 从繁简程度分，设计地震动参数从简单到详细从繁简程度分，设计地震动参数从简单到详细的排序是：的排序是：（1）地震烈度，由此换算地震动峰值加速度；）地震烈度，由此换算地震动峰值加速度；（2）峰值加速度）峰值加速度a或地震系数或地震系数k和标准反应谱或标准放和标准反应谱或标准放大系数谱，标准谱一般不考虑地震环境，但可以近大系数谱，标准谱一般不考虑地震环境，但可以近似地考虑场地工程地质条件的

31、影响；似地考虑场地工程地质条件的影响；（3）地震动峰值加速度）地震动峰值加速度a和峰值速度和峰值速度v，或等效峰值加，或等效峰值加速度速度epa和等效峰值速度和等效峰值速度epv，或其，或其“等效对等效对”，地，地震系数震系数k和反应谱特征周期或拐点周期和反应谱特征周期或拐点周期tg2 v/a或或2 epv/epa 。这几对值。这几对值(a和和v；epa和和epv；k和和tg)都可以初步近似地表示随地震环境和场地工程地质都可以初步近似地表示随地震环境和场地工程地质条件而变的反应谱，即场地地震相关反应谱；条件而变的反应谱，即场地地震相关反应谱； 设计地震动参数设计地震动参数 从繁简程度分，设计地震动参数从简单到详细从繁简程度分，设计地震动参数从简单到详细的排序是：的排序是：（1）地震烈度，由此换算地震动峰值加速度；）地震烈度，由此换算地震动峰值加速度；（2）峰值加速度）峰值加速度a或地震系数或地震系数k和标准反应谱或标准放和标准反应谱或标准放大系数谱，标准谱一般不考虑地震环境，但可以近大系数谱，标准谱一般不考虑地震环境，但可以近似地考虑场地工程地质条件的影响；似地考虑场地工程地质条件的影响；（3）地震动峰值加速度）地震动峰值加速度a和峰值速度和峰值速度v，或等效峰值加，或等效峰值加速度速度epa和等效峰值速度和等效峰值速度epv，