編者薦語:
抗震通用規范文章分享(4)
以下文章來源于工程抗震與防災減災技術研究中心 ,作者尼羅漁夫
編者按
2021年4月9日住房和城鄉建設部批準發布了******標準《建筑與市政工程抗震通用規范》,編號為GB55002-2021,自2021年1月1日起實施。本規范為強制性工程建設規范,全部條文必須嚴格執行?,F行工程建設標準中相關的強制性條文同時廢止,現行工程建設標準中有關規定與本規范不一致的,以本規范的規定為準。
為配合《抗震通用規范》的發布與實施工作,本公號將陸續推送《抗震通用規范》的相關資訊,敬請關注。
本期推送:《規范》第2.1節解讀:防御目標與概率水準。
本期看點:三水準設防之前世、今生與未來
編制說明
此次《建筑與市政工程抗震通用規范》編制時,為便于管理和操作,將各類工程的抗震設防思想統一為三水準設防(表3)。
同時,為了兼顧房屋建筑、城市橋梁、基礎設施、地下工程等各類工程之間的差別,在第2.1.2條進一步補充規定了各類工程的多遇地震動、設防地震動和罕遇地震動的超越概率低水準。
對于地下綜合管廊,由于******標準《城市地下綜合管廊工程技術規范》GB50838 明確規定,其設計使用年限為100年,因此,對城市地下綜合管廊的三級地震動概率水準進行了專門規定。
對于城市橋梁結構,《城市橋梁抗震設計規范》CJJ166-2011在第3.2.1條和3.2.2條規定,甲類橋梁,一般多為城市斜拉橋、懸索橋和大跨度拱橋,大都建在依傍大江大河的現代化大城市,其特點是橋高(通航凈空要求高)、橋長、造價高,一般都占據交通網絡上的樞紐位置,無論在政治、經濟、國防上都有重要意義,且一旦發生破壞,修復很困難,因此,甲類橋梁的設防水準定得較高,甲類橋梁設防的E1和E2地震的重現期(即超越概率水準)分別為475年和2500年。而對于乙、丙和丁類橋梁,其E1地震作用則是在《建筑抗震設計規范》GB 50011多遇地震的基礎上,分布乘以1.7、1.3和1.0的重要性系數得到的;其E2地震作用直接采用GB50011罕遇地震。此次《通用規范》編制時,為了與其他各類建筑與市政工程在抗震設防策略上協調統一,橋梁結構三級地震動的50年概率水準仍然保持63.2%、10%和2%,但甲、乙、丙、丁類橋梁,其抗震設防標準中的地震作用取值則分別考慮重要性系數2.0、1.7、1.3和1.0(詳《抗震通用規范》第2.3.2條),本質上提高了各類橋梁的設防標準。
對于設計使用年限不超過5年的臨時性建筑與市政工程,我國自74版抗震規范開始,歷來的對策是在滿足靜力承載要求的前提下可不設防。
(參考文獻:羅開海. 建筑抗震設防思想發展動態及展望[J].工程抗震與加固改造,2017,V39(Supp.):99~105)
3.1、為什么要采用三水準設防的思想?
1、 74、78規范后的國內情況
我國的74和78抗震規范曾明確規定,“建筑物遭遇到相當于設計烈度的地震影響時,建筑物允許有一定的損壞,不加修理或稍加修理仍能繼續使用”。這一標準表明,當地震發生時,建筑物并不是完整無損,而是允許有一定程度的損壞,特別是考慮到強烈地震不是經常發生的,因此遭受強烈地震后,只要不使建筑物受到嚴重破壞或倒塌,經一般修理可繼續使用,基本上可達到抗震的目的。
但是,在74規范頒布之后的第二年,即1975年,在我國重工業區的遼寧海城發生7.3級大地震,1976年又在人口稠密的唐山地區發生了7.8級大地震。這兩次大地震的震中烈度都比預估的高,特別是唐山大地震竟比預估高出5度。
基于這種基本烈度地震具有很大不確定性的事實,89規范在修訂過程提出要對78規范的設防標準進行適當的調整,顯然是非常必要的。
2、70-80年代的國際動態
另一方面,在89規范修訂的同期,即上世紀70年后期至80年代中期,國際上關于建筑抗震設防思想出現了一些新的趨勢,其中具代表性的當屬美國應用技術委員會(Applied Technology Council, ATC)研究報告ATC 3-06。
在總結1971年San Fernando地震經驗教訓,回顧、反思1976年以前UBC等規范抗震設計方法的基礎上,ATC 3-06一次嘗試性地對結構抗震設計的風險水準進行了量化,同時,還明確提出了建筑的三級性能標準:
1)允許建筑抵抗較低水準的地震動而不破壞,
2)在中等水平地震動作用下主體結構不會破壞,但非結構構件會有一些破壞
3)在強烈地震作用下,建筑不會倒塌,確保生命安全。
另外,對某些重要設備,特別是應急狀態下對公眾的安全和生命起主要作用的設備,在地震時和地震后要保持正常運行。
3、89規范的處理對策
基于上述趨勢,89規范結合我國的經濟能力,在78規范的基礎上對抗震設防標準做了如下一些規定:
1)在遭受本地區規定的基本烈度地震影響時,建筑(包括結構和非結構部分)可能有損壞,但不致危及人民生命和生產設備的安全,不需修理或稍加修理即可恢復使用;
2)在遭受較常遇到的、低于本地區規定的基本烈度的地震影響時,建筑不損壞;
3)在遭受預估的、高于基本烈度的地震影響時,建筑不致倒塌或發生危及人民生命財產的嚴重破壞。
上述三點規定可概述為“小震不壞,中震可修、大震不倒”這樣一句話,即89規范以來,我國建設工程界秉承的三水準抗震設防思想。
按照上述抗震設防思想,從結構受力角度看,當建筑遭遇di一水準烈度地震(小震)時,結構應處于彈性工作狀態,可以采用彈性體系動力理論進行結構和地震反應分析,滿足強度要求,構件應力完全與按彈性反應譜理論分析的計算結果相一致;當建筑遭遇第二水準烈度地震(中震)時,結構越過屈服極限,進入非彈性變形階段,但結構的彈塑性變形被控制在某一限度內,震后殘留的不變形不大;當建筑遭遇第三水準烈度地震(大震)時,建筑物雖然破壞比較嚴重,但整個結構的非彈性變形仍受到控制,與結構倒塌的臨界變形尚有一段距離,從而保障了。
3.2 三水準設防對策存在的問題
如前所述,我國自89規范以來一直沿用的是“三水準設計思想”,相應的設計對策是通過“兩階段設計方法”來實現:
1)一階段設計:又分為兩步
一步:采用di一水準地震動參數計算地震作用,并進行構件截面設計,滿足di一水準的強度要求;
二步:驗算di一水準地震下的結構彈性變形,同時采取相應的抗震構造措施,保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能,從而滿足第二水準的變形要求。
2)二階段設計:驗算第三水準地震下的結構(特別是柔弱樓層和抗震薄弱環節)彈塑性變形;并結合必要的抗震構造措施,滿足第三水準的防倒塌要求。
如表4所示為世界主要******建筑抗震設防思想及設計對策表,從中可以看出:
(1)我國三水準設防的技術對策是,小震要滿足強度要求,中震和大震要滿足變形要求。這一點與前述日本的二級設計要求類似,但與歐洲和美國的“小震滿足變形要求、大震滿足強度要求”二級設防在具體設計對策上存在差別。
(2)我國第二水準的變形要求是通過di一水準的彈性變形驗算和必要的抗震構造措施來實施的,實際工程中并未直接進行第二水準的彈塑性變形驗算。規范給定的設計對策是否能保證第二水準的設防目標得以實現,值得商榷。建議在建筑抗震規范進一步修訂時,補充完善三水準的設計要求和實施對策,實現三準設防、三階段設計。
(3)我國的小震和大震地震動參數取值是基于中震人為約定的,與現行區劃圖不完全相符,而且也未考慮地震危險性特征的地區性差異。建議結合現行區劃圖的相關研究成果,并考慮地震危險性特征的地區性差異,進一步完善三水準地震動參數的取值規定。
(4)大震的概率水準不統一。如前所述 ,我國的大震即罕遇地震是指在50年期限內,一般場地條件下,可能遭遇的超越概率為2%~3%的地震,相當于1600~2500年的地震。根據89規范的約定,7度區的大震取50年超越概率3%(1642年)的地震,8度區大震取50年超越概率2.5%(1975年)的地震;9度區的大震取50年超越概率2%(2475年)的地震。因此,不同烈度區建筑物的倒塌設防水平是不一樣的。建議規范進一步修訂時,綜合考慮經濟社會發水平、工程設計習慣、地震工程與工程抗震的研究成果等,研究確定合適的、統一的大震概率水準。
(5)大震不倒的概率可靠度不明確。按照三水準目標設計的建筑物,在未來大震作用下實現不倒的概率或可靠程度并不清楚,同一烈度區不同建筑物的倒塌風險可能不同,不同烈度區同類建筑的倒塌風險也可能不同,進而導致地震中建筑物表現迥異。即按現行的三水準設防,不同烈度區、不同類型建筑在未來的大地震中的倒塌或破壞的風險是不一樣的。建議在上述問題解決的基礎上,開展我國房屋建筑的地震倒塌風險分析工作,進一步給出適合國情的地震倒塌風險控制水準及相應的工程對策。
3.3、關于進一步修訂三水準方案的建議
(1)繼續保持三水準設防的思想。如前所述,多級設防是當今世界各國建筑抗震設計的潮流,我國的三水準設防,在理念上屬于世界前面水平,應繼續保持。
(2)di一水準的設防目標,建議改為使用功能不變,與歐美的要求相當,而且與抗震防災的功能需求契合。相應的設計要求改為彈性變形要求,將多遇地震作用作為正常使用極限狀態下的一種“荷載”,進而考察建筑結構正常使用的變形要求。這一階段的設計目的是控制結構的彈性剛度不能太小。
(3)第二水準的設防目標,建議改為結構可修,即允許結構有一定程度的損壞,但屬于可修復的程度,相應的設計要求改為強度要求,工程實施時,考慮結構彈塑性性能計算地震作用,并進行結構構件的強度設計與細部構造。這一階段的設計目的是控制結構的彈塑性抗震承載能力不能太小。
(4)第三水準的設防目標仍繼續保持為不倒,設計要求仍為彈塑性變形要求,工程實施時,考慮P-?效應,進行彈塑性變形驗算。這一階段的設計目的是控制結構的彈塑性殘余剛度不能太小,亦即控制結構屈服后剛度退化不能太快。
編者注:
上述建議僅為作者的一家之言。事實上,我國現行的三水準兩階段設計方法自89規范一直延續至今,近30年來的地震檢驗證明是行之有效的,而且已經為工程設計人員掌握和接受。
按上述建議的三水準設計方案,首先需要解決建筑維持正常使用功能的變形限值問題,其次是結構彈塑性地震作用的計算問題,同時這一方案帶來的工程影響也不可忽略,這些問題是需要進一步研究和解決的!
當然,該文也為三水準設防對策的進一步發展指出了一種途徑,值得深入反思、研討和探究!
實施與檢查控制
(1)實施
設計總說明中應明確設計使用(或工作)年限;在結構計算書中,應明確給出各級地震動參數的取值。
(2)檢查
檢查設計地震動參數取值,查看結構設計總說明和計算書的地震動參數取值是否準確。