抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)抗震安全性

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)抗震安全性高小旺王菁肖偉孟鋼王巍周曉夫（中國建筑科學(xué)研究院）提要

工程結(jié)構(gòu)采用的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對于其安全水平是至關(guān)重要的。本文采用投入－效益的工程決策分析方法，對不同重要性建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討，對《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223－95中的乙類建筑是否較丙類建筑提高和降低地震作用進(jìn)行抗震截面驗(yàn)算等作了工程投入和地震損失分析，提出了不同重要性的建筑抗震設(shè)防的最佳標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞工程決策重要建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)1、前言

工程結(jié)構(gòu)抗震的安全性與抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和施工等諸多因素有關(guān)。在這其中，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定是非常關(guān)鍵的。從一定意義上講，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)決定著工程結(jié)構(gòu)抗震安全水平。抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)既包括一個(gè)城市的設(shè)防烈度或地震動參數(shù)，又包括不同重要性工程因其使用功能的重要性而應(yīng)采用不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。圍繞較正確地確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究，適應(yīng)地震作用隨機(jī)性的特點(diǎn)，采用概率方法確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是較為合適的。采用投入－效益的工程決策分析方法，對城市抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的若干問題進(jìn)行了分析。

建筑重要性分類：甲類建筑——特殊要求的建筑，如遇地震破壞會導(dǎo)致嚴(yán)重后果的建筑等；乙類建筑——國家重點(diǎn)抗震城市的生命線工程的建筑，主要指使用功能不能中斷或需要盡快恢復(fù)的建筑；丙類建筑——地震破壞后有一般影響及其它不屬于甲、乙、丁類的建筑；丁類建筑——次要的建筑，如遇地震破壞不易造成人員傷亡和較大損失的建筑。對乙類建筑中的第1類和第2類是否僅提高一度采取抗震構(gòu)造措施，以及對于丁類建筑降低一度采取抗震構(gòu)造措施，是否為最優(yōu)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，尚需進(jìn)一步探討。2、

工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)決策分析方法概要確定合理的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，必須建立在對一個(gè)城市或地區(qū)的地震危險(xiǎn)性和對不同烈度地震作用下造成損失(包括直接損失和間接損失以及人員傷亡等)的科學(xué)分析基礎(chǔ)上。采用抗震設(shè)防—效益分析方法來確定工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，需要建立目標(biāo)函數(shù)，使之取極值求得最佳決策。目標(biāo)函數(shù)可為期望的總損失，則極值為最??；也可為效益，則極值為最大?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的最佳取值，可為按某一設(shè)防烈度建造房屋和工程的投入與50年內(nèi)該城市或地區(qū)在各種不同烈度地震作用下的期望損失之和W(I)為最小來確定.可用下列公式表示:W(I)→min(2)式中R(I)——該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度的工程投入；

P(i)——該城市或地區(qū)I烈度的出現(xiàn)概率；

S1(I)——該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度時(shí)，不同地震烈度作用下的直接損失(主要包括工程結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)內(nèi)部財(cái)產(chǎn)的損失)；S2(I)——該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度時(shí)，不同地震烈度作用下的間接損失(包括停水、停電、火災(zāi)和停產(chǎn)的損失)；S3(I)——該城市或地區(qū)以I烈度作為設(shè)防烈度時(shí)，不同地震烈度作用下的人員傷亡損失。其分析方法可概括為圖1所示的框圖。

某城市的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果工程結(jié)構(gòu)宜損性模型以某一地震烈度作為抗震設(shè)防烈度的工程造價(jià)不同強(qiáng)度地震作用下該市地面破壞效應(yīng)和對工程結(jié)構(gòu)的影響不同地震烈度作用下，按某一地震烈度作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)工程結(jié)構(gòu)的不同破壞狀態(tài)的概率某一地震烈度作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，工程結(jié)構(gòu)破壞的直接損失、間接損失和人員傷亡根據(jù)該城市50年不同地震烈度的出現(xiàn)概率和某一地震烈度作為設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，各烈度地震作用的損失，綜合得到期望損失對各地震烈度作為設(shè)防烈度的工程造價(jià)與期望損失之和進(jìn)行比較，取極小值對應(yīng)的地震烈度作為城市的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)圖1工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)決策分析框圖3、地震損失分析

地震作用下造成的損失，可分為直接經(jīng)濟(jì)損失、間接經(jīng)濟(jì)損失和遠(yuǎn)期損失以及人員傷亡等。這些損失和人員傷亡都與工程結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)有關(guān)。因此，討論地震損失中一個(gè)重要的工作就是對工程結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的易損性分析，通常我們稱為震害預(yù)測。3.1

地震作用下工程結(jié)構(gòu)的震害預(yù)測方法基于可靠度理論的震害預(yù)測方法，對采取不同配筋率、軸壓比和體積配箍率的鋼筋混凝土構(gòu)件的屈服、極限變形進(jìn)行了分析，在構(gòu)件配箍率和軸壓比相同的條件下，體積配箍率的增加對極限位移影響比較大，對屈服位移影響不大，其規(guī)律是隨著體積配箍率的增加，構(gòu)件的極限變形能力增強(qiáng)。我們在乙類建筑的震害預(yù)測中引入了這方面的分析結(jié)果。3.2

建筑物內(nèi)物資損失分析地震作用下的建筑物破壞將導(dǎo)致建筑物內(nèi)的物資破壞，特別是工業(yè)廠房的破壞將導(dǎo)致對廠房中設(shè)備的破壞。因此，在分析工程結(jié)構(gòu)的損失中，應(yīng)對建筑物內(nèi)的物資損失進(jìn)行分析。這里要說明的是，工業(yè)廠房內(nèi)的設(shè)備破壞是由二個(gè)方面引起的：一是由于在地震作用下設(shè)備地腳螺栓抗剪強(qiáng)度不足和浮放設(shè)備傾覆引起的破壞，也就是設(shè)備本身在地震作用下的破壞；二是由于廠房嚴(yán)重破壞或倒塌砸壞設(shè)備產(chǎn)生的。廠房內(nèi)的物資損失主要是指后者。根據(jù)對震害資料的分析，文獻(xiàn)[７]建議的建筑物內(nèi)物資損失與物資價(jià)值的比值列于表1。表1建筑內(nèi)物資損失與物資價(jià)值比破壞狀態(tài)基本完好輕微破壞中等破壞嚴(yán)重破壞倒塌民用建筑工業(yè)建筑0.00.00.00.00.00.020.250.350.950.903.3地震間接損失的分析

地震的損失除了工程結(jié)構(gòu)的破壞、基礎(chǔ)設(shè)施的失效、建筑物內(nèi)物資和設(shè)備的破壞、次生災(zāi)害引起的構(gòu)筑物和建筑物等破壞以及人員傷亡外，還有由地震破壞造成的停產(chǎn)或減產(chǎn)。特別是原材料工業(yè)部門和能源供應(yīng)部門的停產(chǎn)或減產(chǎn)，會使依賴于這些能源和原材料加工的工業(yè)部門的生產(chǎn)引起一系列的連鎖反應(yīng)。這種影響往往不僅限于地震區(qū)，而且還波及到其鄰近的地區(qū)。比如，發(fā)電廠主廠房的嚴(yán)重破壞，會使依靠電力作為能源的工廠停產(chǎn)或部分停產(chǎn)。對于乙類建筑，其間接損失較丙類建筑要嚴(yán)重得多，這主要是乙類建筑的使用功能一旦中斷，將對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大損失。特別是乙類建筑中的調(diào)度信號樓、網(wǎng)控樓、鐵路行車調(diào)度樓、航管樓等的嚴(yán)重破壞，將導(dǎo)致停電、鐵路與航空運(yùn)輸中斷，其間接損失是非常巨大的。建議乙類建筑的間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下的直接損失的關(guān)系采用表2所列的倍數(shù)ηc。關(guān)于丁類建筑的間接損失，由于儲存物品價(jià)值低，其間接損失較丙類建筑要小，建議丁類建筑的間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下的直接損失的關(guān)系采用表2中丁類建筑的ηc值。表2間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下直接損失的倍數(shù)ηc破壞狀態(tài)基本完好輕微破壞中等破壞嚴(yán)重破壞倒塌乙類建筑丁類建筑0.00.00.00.00.5～1.00.023.0～6.01.08.02～0.02.0注：①乙類建筑為中等破壞且有精密設(shè)備時(shí)，ηc1.0；②乙類建筑為嚴(yán)重破壞后倒塌破壞狀態(tài)時(shí)，影響范圍大的取ηc的較大值。

4、建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)分析

下面僅對《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》中的乙類和丁類建筑進(jìn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的分析。4.1不同設(shè)防城市50年內(nèi)各地震烈度的發(fā)生概率

在乙類和丁類建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的決策分析中，要給出各烈度在50年內(nèi)發(fā)生的概率，才能分析損失的期望值。在我們運(yùn)用一些城市的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果中，有一些城市的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果中，有一些給出烈度超過5度、5.5度、6度和6.5度…的概率。作為對一些城市的決策分析，我們?nèi)?.5～6.49度為6度，6.5～7.49為7度，7.5～8.49為8度，8.5～8.49為9度，9.5～10.49為10度，大于10.5為11度。根據(jù)上述原則，所進(jìn)行的設(shè)防烈度為6～9度的四個(gè)典型城市，在50年內(nèi)發(fā)生6～11度地震的概率列于表3。表36～7度設(shè)防典型城市50年內(nèi)發(fā)生各種地震烈度的概率

序號50超越概率10%6度7度8度9度10度11度12346.207.008.009.000.20930.39970.33420.06060.05250.16710.40700.328140.007720.03730.16260.394980.005460.0045960.036690.176610.0000110.000220.005340.036090.00.000060.00080.00804.三2三破三壞概三率分三析對乙三類建三筑，三主要三指鋼三筋混三凝土三結(jié)構(gòu)三類型三，包三括鋼三筋混三凝土三框架三，高三層鋼三筋混三凝土三結(jié)構(gòu)三和單三層鋼三筋混三凝土三柱廠三房等三。該三類建三筑提三高一三度采三取抗三震構(gòu)三造措三施以三及構(gòu)三件強(qiáng)三剪弱三彎、三強(qiáng)柱三弱梁三、強(qiáng)三節(jié)點(diǎn)三和柱三軸壓三比的三調(diào)整三等，三能夠三較大三的提三高構(gòu)三件的三極限三變形三能力三。對三于乙三類建三筑中三的第三1類三調(diào)度三信號三系統(tǒng)三房屋三，若三提高三構(gòu)件三的承三載能三力，三在地三震作三用下三延緩三了結(jié)三構(gòu)進(jìn)三入屈三服的三時(shí)間三，在三一定三強(qiáng)度三地震三作用三下的三結(jié)構(gòu)三變形三將會三減少三，再三加上三又提三高一三度采三取抗三震構(gòu)三造措三施，三該結(jié)三構(gòu)發(fā)三生中三等以三上破三壞的三概率三將會三減少三較多三。表三4列三出了三7度三區(qū)某三城市三46三幢鋼三筋混三凝土三框架三結(jié)構(gòu)三樣本三，按三丙類三建筑三設(shè)計(jì)三、按三提高三一度三采取三構(gòu)造三措施三及將三地震三作用三增大三1.三5倍三并提三高一三度采三取構(gòu)三造措三施等三三種三情況三下，三在7三、8三、9三度時(shí)三不同三破壞三狀態(tài)三下的三震害三。表4三7三度區(qū)三某城三市4三6幢三鋼筋三混凝三土框三架結(jié)三構(gòu)樣三本采三構(gòu)造三措施三后三的震三害預(yù)三測結(jié)三果抗震構(gòu)造措施烈度基本完好輕微破壞中等破壞嚴(yán)重破壞倒塌按丙類建筑設(shè)計(jì)7890.885260.437980.038800.105420.408760.245380.008730.126910.355080.000580.025990.325920.00.000370.03482提高一度采取抗震構(gòu)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構(gòu)造措施7890.943960.665410.125060.052950.279130.393590.002950.049250.316730.000140.00620.16230.00.000010.00338同樣三我們?nèi)部扇苑秩龆∪惤ㄈ娜龁螌尤u柱三廠房三按降三低一三度采三取抗三震構(gòu)三造措三施和三降低三為0三.7三5的三承載三能力三及同三時(shí)降三低一三度采三取抗三震構(gòu)三造措三施的三震害三預(yù)測三結(jié)果三。4.三3三造三價(jià)分三析對于三乙類三建筑三不僅三提高三一度三采取三構(gòu)造三措施三，而三且對三于信三號調(diào)三度樓三還應(yīng)三提高三地震三作用三進(jìn)行三結(jié)構(gòu)三構(gòu)件三的承三載能三力驗(yàn)三算；三對于三丁類三建筑三不僅三降低三一度三采取三構(gòu)造三措施三，而三且還三可以三降低三地震三作用三進(jìn)行三構(gòu)件三承載三力驗(yàn)三算。提高三地震三作用三和同三時(shí)提三高一三度采三取構(gòu)三造措三施的三乙類三建筑三的工三程造三價(jià)，三比僅三提高三一度三采取三構(gòu)造三措施三的要三增加三，其三增加三的比三例可三按表三5給三出的三范圍三取值三。僅三提高三一度三采取三構(gòu)造三措施三時(shí)，三取下三限值三，同三時(shí)提三高一三度地三震作三用時(shí)三取上三限值三，其三它內(nèi)三插。對于三丁類三建筑三降低三地震三作用三和同三時(shí)降三低一三度采三取構(gòu)三造措三施，三不同三設(shè)防三烈度三的工三程造三價(jià)較三不設(shè)三防的三增加三值列三于表三6。三若僅三降低三一度三采取三構(gòu)造三措施三時(shí)取三表6三中的三上限三值，三同時(shí)三降低三一度三地震三作用三時(shí)取三下限三值，三其它三內(nèi)插三。表5三乙類三建筑三同時(shí)三提高三地震三作用三和提三高一三度采三取構(gòu)三造措三施比三不設(shè)三防時(shí)三工程三造價(jià)三的增三加比三例（三%）表6三丁類三建筑三同時(shí)三降低三地震三作用三和降三低一三度采三取構(gòu)三造措三施比三不設(shè)三防時(shí)三工程三造價(jià)三的增三加比三例（三%）房屋類型6789多層與高層鋼筋混凝土房屋單層鋼筋混凝土柱廠房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房屋類型6789單層磚柱廠房2.02.0～2.83.5～5.08.0～11.04.三4三抗震三設(shè)防三標(biāo)準(zhǔn)三的分三析結(jié)三果在進(jìn)三行工三程決三策分三析中三，我三們采三用歸三一化三的方三法，三即以三乙類三建筑三提高三一度三采取三構(gòu)造三措施三抗震三設(shè)防三的投三入與三期望三損失三之和三為標(biāo)三準(zhǔn)W1，與按三丙類三建筑三設(shè)防三的投三入與三期望三損失三之和W2及按三提高三承載三能力三(按三1.三5倍三地震三作用三進(jìn)行三構(gòu)件三承載三力驗(yàn)三算)三和同三時(shí)提三高一三度采三取構(gòu)三造措三施抗三震設(shè)三防的三投入三與期三望損三失之三和W3相比三較，三其最三小值三為乙三類建三筑的三最優(yōu)三設(shè)防三標(biāo)準(zhǔn)三。對三6～三9度三四個(gè)三典型三設(shè)防三烈度三的分三析結(jié)三果列三于表三7。表7三乙類三建筑三三種三不同三設(shè)防三要求三的分三析結(jié)三果比三較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從表三7可三以看三出，三對于三乙類三建筑三的第三1類三如指三揮調(diào)三度樓三，從三發(fā)揮三其正三常運(yùn)三行的三功能三來說三，構(gòu)三件承三載力三驗(yàn)算三中按三1.三5倍三地震三作用三有助三于減三輕地三震災(zāi)三害；三對于三乙類三建筑三的第三2類三如大三中城三市的三三級三醫(yī)院三的住三院部三、醫(yī)三技樓三、門三診部三和大三型影三劇院三等，三可僅三提高三一度三采取三構(gòu)造三措施三；對三于乙三類建三筑的三第3三類如三工廠三變電三站等三，可三采取三抗震三性能三好、三經(jīng)濟(jì)三合理三的結(jié)三構(gòu)體三系，三并按三本地三區(qū)的三抗震三設(shè)防三烈度三采取三抗震三措施三。乙類三建筑三中第三1類三的重三要性三系數(shù)三可采三用1三.5三，并三且僅三乘在三地震三作用三效應(yīng)三上，三而不三是統(tǒng)三乘在三所有三的荷三載效三應(yīng)上三。這三與文三獻(xiàn)[三2]三采用三概率三方法三，對三45三個(gè)城三市進(jìn)三行地三震危三險(xiǎn)性三分析三給出三的平三均1三00三年一三遇地三震峰三值加三速度三的1三.4三5倍三大體三一致三。也三就是三說，三乙類三建筑三中第三1類三的地三震作三用取三值為三平均三10三0年三一遇三的地三震。對于三丁類三建筑三采用三同樣三的方三法進(jìn)三行分三析，三以降三低一三度采三取構(gòu)三造措三施的三投入三與期三望損三失之三和為三標(biāo)準(zhǔn)三的W1，與按三降低三構(gòu)件三承載三力(三系數(shù)三采用三0.三75三)并三同時(shí)三降低三一度三采取三構(gòu)造三措施三的投三入與三期望三損失三之和W2相比三較，三結(jié)果三可以三看出三，對三于抗三震設(shè)三防為三7、三8、三9度三區(qū)的三丁類三建筑三，可三采用三該類三建筑三地震三作用三的0三.7三5倍三進(jìn)行三截面三抗震三驗(yàn)算三并降三低一三度采三取構(gòu)三造措三施；三對于三6度三則不三再降三低。三文獻(xiàn)三[2三]運(yùn)三用概三率方三法分三析指三出，三0.三75三倍的三地震三作用三為平三均3三0年三一遇三的地三震作三用與三平均三50三年一三遇的三地震三作用三的比三值。三也就三是說三，丁三類建三筑可三采用三平均三30三年一三遇的三地震三作用三進(jìn)行三結(jié)構(gòu)三構(gòu)件三截面三設(shè)計(jì)三，0三.7三5系三數(shù)也三同樣三是僅三乘在三地震三作用三效應(yīng)三上。5、三結(jié)束三語本文三采用三工程三決策三分析三方法三，對三不同三重要三性建三筑的三抗震三設(shè)防三標(biāo)準(zhǔn)三進(jìn)行三了探三討，三給出三了不三同重三要性三建筑三抗震三設(shè)防三的最三佳標(biāo)三準(zhǔn)。三筆者三認(rèn)為三，對三于一三個(gè)大三型的三單體三公共三建筑