国内外工程结构抗震设防标准比较

国内外工程结构抗震设防标准比较摘要：为了减少地震所造成的损失，应采取工程抗震设防。本文简要介绍了工程抗震设防的有关基本概念和确定抗震设防标准的主要方法，同时比较了国内外各行业的工程结构抗震设防标准，为其它工程结构的抗震设防标准的确定提供参考。关键词：抗震设防标准工程结构AbouttheDesignEarthquakeLevelforEngineeringStructuresABSTRACT:Inthispaper,termsaboutseismicfortification,aswellasthemethodstodeterminereasonableseismicfortificationcriterion,havebeendescribed.Seismicfortificationcriteriafordifferentkindsofengineeringstructuresfromnationalandinternationalcodesarecompared.KEYWORDS:seismicfortificationcriterion,engineeringstructure为了减少地震所造成的损失，应采取工程抗震设防，而采取工程抗震措施则势必增加工程的造价。如何合理地使用资金，来有效地减轻地震破坏和损失，则成为工程抗震防灾研究的关键问题，这也就是如何制定科学、合理的抗震设防标准的问题。抗震设防标准抗震设防标准根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223—2004）的术语规定，抗震设防标准是衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设防烈度或设计地震动参数和建筑使用功能的重要性确定。抗震设防标准的制定将直接影响工程建筑和设施在地震中的表现，从而影响地震所造成的损失，而抗震设防标准的高低又直接关系着工程的造价。设防标准高，工程造价高，地震损失小，反之设防标准低，工程造价低，地震损失大。最优设防标准的确定，需要各个学科（包括自然科学、工程科学和社会科学）的合作，它受到科学技术水平和国家抗震设防政策两方面的共同制约。工程抗震设防的有关概念下面先介绍一下工程抗震设防的几个有关概念。设防原则设防原则[9]是对工程进行抗震设防的总要求和总目的。抗震设防原则主要有：减轻地震破坏；防止或减少人员伤亡；减轻经济损失；工程和设施在遭遇地震时要确保安全，不得向外泄漏有害物质，不导致严重次生灾害；同时地震时不可缺少的紧急活动应得以维持和进行。设防目标设防目标[9]是指根据设防原则对工程设防要求达到的具体目标。如《建筑抗震设防规范》（GB50011-2001）中规定的“大震不倒，中震可修，小震不坏”就是一种设防目标。设防环境设防环境[9]是指拟设防的工程处在什么样的地震危险性的环境中。这应由地震危险性分析或地震区划图给出的地震危险性程度来确定，取决于人们对地震危险性的认识水平和估计地震危险性的方法。设防参数设防参数[9]是指在考虑工程抗震设防时，采用哪种物理量（参数）来进行工程设防。国内外常用的参数有烈度和地震动参数（PGA，EPA，PGV，EPV，RA（加速度反应谱值），RV（速度反应谱值），T（持时）等）两种。过去，各国多采用烈度作为设防参数，但是随着科学技术的进步和人们认识的提高，烈度这一参数暴露出来的弊病越来越明显。主要是因为烈度不单纯代表设防环境（地震动）的强度，它还包含了对过去的工程或建筑物的易损性的度量。近年来，越来越多的国家开始采用地震动作为设防参数。我国第四代地震区划图《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）即采用地震动峰值加速度作为参数。在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）中目前采用的是双轨制，即一般情况采用抗震设防烈度，在一定条件下，可采用抗震设防区划提供的地震动参数。《核电厂抗震设计规范》(GB50267—97)采用的就是地震动峰值加速度作为设防参数的，而在新修订的《铁路工程抗震设计规范》（报批稿）中也采用了地震动峰值加速度作为设防参数。设防水准设防水准[9]是指在工程设计中如何根据客观的设防环境和已定的设防目标，并考虑社会经济条件来确定采用多大的设防参数，即多大强度的地震作为防御的对象。工程上这应该是一个优化的问题，而不应该简单地直接采用区划图给出的基本烈度和地震动参数来作为设防水准。由于设防目标往往不是单一的，所以设防水准往往也不是单一的，而是多级的。《建筑抗震设计规范》中提出的“大震不倒，中震可修，小震不坏”设防目标就反映了针对“大震，中震和小震”三级水准进行设防的思想。设防等级同一类建筑在同一个地区由于其政治．经济或文化意义上的重要性以及震后后果的影响严重程度有所不同，在考虑工程设防时，其设防目标和采用的设防水准也要求不同，这就是设防等级的不同[9]。重要建筑物和设施一般要给以较高的设防等级。对同一类建筑，在不同行业和不同地区也可以采用不同的设防等级。一般来讲设防等级与建筑物本身的易损性或抗震潜力无关。确定抗震设防标准的方法工程抗震设防标准的制定主要取决于依据社会经济状况确定的设防原则与设防目标和根据客观地震危险性程度确定的设防环境与设防参数，经过优化考虑最后落实在决定最佳的设防水准和设防等级上。确定抗震设防标准主要有优化决策法和类比法。优化决策法优化决策法[9]就是优化设防水准与设防原则及目标之间的关系,确定最佳设防标准。这种关系可以被抽象为一个多变量（如多个设防参数）；多目标（如经济损失和人员伤亡）、多约束（如可接受的人员伤亡、经济损失上限、重要结构不允许出现倒塌等）的动态最优决策。通常应当根据设防原则和目标确定具体和定量的目标函数,其基本变量应是设防水准,目标函数未能反映的设防原则和目标都应当被考虑作为决策模型的约束条件。采用抗震设防－效益分析方法来确定工程抗震设防标准时，目标函数可为期望的总损失和工程的总投入的和。类比法类比法[12]是通过借鉴其它行业工程结构来确定抗震设防标准,这种方法适用于尚无确定的行业抗震设防标准或是因为工程重要性而需作专门研究的工程结构。如陈家庚等[13]即基于已有工程的经验，并借鉴相关行业的抗震设防标准，对有关行业的相关工程类别的设防标准进行比较，论证了为广播、电视、电影行业各类工程所确定的抗震设防标准的可行性。国内外相关行业的抗震设防标准下面对国内建筑工程、铁路工程、公路工程、水工建筑物、构筑物、核电厂、广播电影电视、电力设施以及国外一些建筑及桥梁工程等的抗震设防标准进行列表对比，如表1所示。表1国内外各行业不同工程的抗震设防标准的比较工程类别设防水准设防目标建筑工程乙类建筑小震50年超越概率63％中震50年超越概率10％大震50年超越概率2~3％小震不坏中震可修大震不倒铁路工程（现行89规范）50年超越概率10％遭受相当于基本烈度的地震影响时，Ⅰ、Ⅱ级铁路的损坏部份稍加整修后即可正常使用；Ⅲ级铁路及Ⅰ级工企铁路经短期抢修后即能恢复通车铁路工程新规范报批稿小震50年超越概率63％中震50年超越概率10％大震50年超越概率2~3％小震，轻微损坏，不中断行车中震，1～3天检查后限速通车大震，产生较大破坏，经短期抢修后限速通车公路工程50年超越概率10％在发生与之相当的基本烈度地震影响时,位于一般地段的高速公路、一级公路工程,经一般修整即可正常使用；位于一般地段的二级公路工程及位于软弱粘性土层或液化土层上的高速公路、一级公路工程,经短期抢修即可恢复使用水工建筑物一般建筑物50年超越概率10％能抗御设计烈度地震：如有局部损坏，经一般处理后仍可正常运行。规定的特大型工程及大(I)型工程非壅水50年超越概率为5%壅水100年超越概率为2%构筑物小震50年超越概率63％中震50年超越概率10％大震50年超越概率2~3％小震不坏中震可修大震不倒核电厂运行安全地震震动，基准期内年超越概率为2‰正常运行极限安全地震震动，基准期内年超越概率为0.1‰确保反应堆冷却剂压力边界完整、反应堆安全停堆并维持安全停堆状态，且放射性物质的外逸不超过国家规定限值。广播、电视、电影I类工程中震100年内超越概率5%大震100年内超越概率3%～1%中震不坏大震作用下主体(塔体)不坏,允许局部(如天线桅杆)有损坏,但可以修复,不影响使用II类工程中震50年超越概率5%大震50年超越概率1～2%中震允许有轻微破坏,不需修理就可继续使用大震主体工程可能出现局部损坏,但可以修复,不影响使用电力设施小震50年超越概率63％中震50年超越概率10％大震50年超越概率2~3％小震不坏中震可修大震不倒美国IBC2000设计地震（2/3大震）大震50年超越概率2％设计地震可修大震不倒美国AASHTO2004（桥梁）小震50年超越概率63％中震50年超越概率10％大震50年超越概率2％小、中强度地震的作用下，弹性范围内，不发生大的破坏大地震作用下桥梁结构不发生部分或整体倒塌，可能的情况下损伤应发生在易检测和维修的部位日本建筑结构抗震条例（1980）小震（地震系数k=0.2）小震不坏，常规设计或使用极限状态设计大震（地震系数k=1.0）大震不倒，倒塌极限状态设计日本道路抗震设计规范[15]中规模水平地震A,B级桥的力学特性在弹性范围大规模水平地震A种桥，不产生致命损伤B种桥，损伤有限,经简单的修复可马上使用新西兰的桥梁规范[14]低水平地震作用损坏应当很小且不应导致交通的中断设计水平的地震出现损伤并需要临时的修复，但桥梁可以供紧急通车使用比设计水平大的地震桥梁不应倒塌，但可以发生严重的破坏，桥梁经过紧急修复后可重新使用，但只允许轻载过桥欧洲规范(EC8)设计地震（50年超越概率10％）无倒塌要求：结构不出现局部或整体的倒塌，震后应保持结构的完整性并具有残余承载力高概率的地震（10年超越概率10％）限制损伤要求：结构不出现这样的损伤（因为该损伤导致使用功能的限制而产生与结构造价相比过高的经济损失）由国内外的规范比较可以看到，国内外对于同类结构的设防标准是基本一致的，如我国的建筑工程乙类建筑，铁路工程，公路工程，构筑物以及一般的水工建筑物以及美国的桥梁规范（AASHTO2004）以及欧洲规范（EC8）等；而对于特大工程的水工建筑物和广播、电视、电影I类工程，其设防标准稍高；对于核电厂，则具有更高的设防标准。由此可见，设防标准是和工程结构的重要性密切相关的。结语本文简要介绍了抗震设防的有关基本概念和确定抗震设防标准的主要方法，同时比较了国内各行业（包括建筑结构、公路工程、铁路工程、水工建筑物、电力设施、核电厂、广播、电视、电影工程等）及国外（美国、日本、欧洲等）的抗震设防标准，为其它工程结构的抗震设防标准的确定提供参考。参考文献：GB18306—2001，中国地震动参数区划图，中国标准出版社，2001GB50223-2004，建筑工程抗震设防分类标准，中国建筑工业出版社,2004GB50011–2001，建筑抗震设计规范，北京:中国建筑工业出版社,2001GBJ111–87，铁路工程抗震设计规范，北京:中华人民共和国铁道出版社,1989GB50267-97，核电厂抗震设计规范，北京:中国计划出版社,1999JTJ004-89公路工程抗震设计规范，北京:中国交通出版社,1999SL203-97水工建筑物抗震设计院规范，北京:中国水利水电出版社,1997AASHTO2004,AASHTOLRFD谢礼立等,论工程抗震设防标准，四川地震,1996,(4)Eurocode8:Designofstructuresforeart