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抗震设防

[日期:2015-04-28]    [字体: ]

抗震设防是为减轻地震灾害、实现抗震设防目标采取的预防措施,有广义和狭义两种理解。前者包括防震减灾的组织管理、科学研究、人才培养、法律法规建设、宣传教育、规划和预案、地震保险以及各类工程的抗震设防;后者则仅限于工程抗震设防的技术对策,体现为基于地震危险性分析或地震区划,对新建工程实施抗震设计、对现有不符合抗震要求的工程结构进行抗震鉴定加固。百年以来全球范围内的实践经验表明,进行抗震设防是减轻地震灾害最可行和有效的途径。重视并普遍实施抗震设防的经济发达国家,即使强烈地震发生在人口稠密的城市地区,也不会造成巨大的人员伤亡;相反,在大量房屋建筑未经抗震设计的发展中国家,破坏性地震动辄造成数以万计的居民罹难。

 

抗震设防目标

是对人类社会抗御地震灾害的预期能力的概略表述。破坏性地震具有罕遇、强烈和不可准确预知的特点,未来地震可能造成的人员伤亡、经济损失和社会影响也很难评价,因此,抗震设防目标乃是基于对未来地震活动性的估计、考虑当前社会经济技术发展水平做出的风险决策。与抗震设防的广义和狭义理解相对应,抗震设防目标有社会综合抗震设防目标和工程抗震设防目标之分。

综合抗震设防目标一般表述为:逐步提高社会综合抗震能力,最大限度减轻地震灾害,保障地震作用下人类生命安全和社会运行;在预期地震作用下,重要设施和系统可保持功能或迅速恢复功能,一般设施不发生严重破坏,社会生活可维持基本正常。预期地震作用常用震级或地震动强度表示,如未来某个时期内可能发生的确定性的最大地震或以某个超越概率发生的地震动。中国将预期地震作用表述为震级6级左右、与地区设防烈度相当的地震作用。

工程抗震设防目标是对预期地震作用下工程结构所应具备的抗震能力的概略表述,旨在维持地震作用下工程设施的运行、保障生命安全、防止次生灾害并减少经济损失。工程抗震设防目标的表述包含设防地震动(又称防御目标或设防水准)和在相应地震动作用下工程结构性能要求这两个因素。设防地震动是未来可能发生并造成灾害的地震动,可采用确定性方法或概率方法估计;世界各国多将未来50年内以10%超越概率发生的地震动作为基本设防地震动。使工程结构在设防地震动下不受损失、保障绝对安全是不现实和不合理的;工程抗震设防目标规定了不同工程结构所应达到的最低性能要求。

工程抗震设防目标的表述具有如下特点:①语言高度概括,定性阐明工程结构抗震设防基本目标;②表述通俗简练,便于政府部门和一般民众理解;③对象分门别类,考虑不同工程结构的重要性和成灾后果的差别,如房屋和设备的抗震设防目标通常有明显不同;④设防地震动分级,一般将设防地震动区别为2~3个等级(如小震、中震和大震);但也有只对单一等级设防地震动规定设防目标的做法。

抗震设防标准

是基于工程结构分类、权衡工程可靠性需求和经济技术水平规定的抗震设防基本要求,与抗震设防目标准密切相关。抗震设防目标是对某一类工程结构预期抗震能力的一般概略表述;抗震设防标准则是再区别此类工程结构中不同工程的重要性及其成灾后果的差异,通过采用不同的设计地震动抗震措施等,实现、调整和细化抗震设防目标的决策。

同类工程中不同具体工程的功能、规模、构造类型和设计使用年限不同,遭遇地震后所造成的损失及相应社会经济影响也不同,故应区别这些差异采用不同的设计地震动参数、抗震措施以及有关场地选择等的其他抗震设计要求,使某些重要的特殊的工程结构具有更强的抗震能力,同时适当放宽对较次要工程结构的抗震要求。抗震设防标准的采用,有利于合理使用建设经费等社会资源,实现防震减灾的总体目标。

中国工程抗震设防标准是在工程结构分类(如抗震设防分类)的基础上制订的,有建筑抗震设防标准、构筑物抗震设防标准、桥梁抗震设防标准、混凝土坝抗震设防标准等。其他国家工程结构的抗震设计虽不使用抗震设防标准这一术语,但也有类似的规定。如美国根据建筑功能的重要性和设防地震动参数,将建筑结构分为4~6类,分别采用不同的结构类型、计算方法和细部构造。欧洲规范将工程结构依重要性分为4类,采用不同的抗震设计系数。日本的新耐震设计法(1980依结构类型和高度将建筑分为4类,采用不同的设计要求;日本道路桥梁设计规范将桥梁分为2类,规定了不同的抗震设防目标。

 

《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)的抗震设防标准

安全等级

建筑抗震设防分类

设防烈度

甲类建筑

按批准的地震安全性评价结果计算地震作用,Ⅵ~Ⅷ度时比基本烈度提高一度采取抗震措施,Ⅸ度时应采用高于Ⅸ度规定的抗震措施。

乙类建筑

按基本烈度计算地震作用,Ⅵ度~Ⅷ度时提高一度采取抗震措施,Ⅸ时应采用高于Ⅸ度规定的抗震措施。较小的乙类建筑在采用抗震性能较好的结构类型时,可不提高抗震措施。

丙类建筑

按基本烈度计算地震作用并采用抗震措施。

丁类建筑

按基本烈度计算地震作用,抗震措施可适当降低,但Ⅵ度时不应降低。

 

 

抗震设防分类是考虑各类工程结构重要性、使用功能、震害后果、损坏后修复难易程度以及在救灾中的作用的差异,从抗震角度对工程结构所作的分类,通称抗震类别。该术语首先用于现行中国建筑抗震设计规范,与中国其他工程抗震设计规范和其他国家抗震设计规范中使用的抗震重要性分类和抗震设计分类具有相似的含义。抗震类别划分是制定抗震设防标准的基础。

抗震类别的表述往往是原则和定性的,中国颁布了若干抗震设防分类技术标准。如《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2004)规定:依照建筑物使用功能的重要性将建筑物分为甲、乙、丙、丁四个抗震设防类别。甲类建筑为重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害及社会影响的建筑,如存放剧毒生物制品的建筑、中央和省级的电视调频广播发射塔建筑、国际电信楼、国际卫星地球站等。乙类建筑为地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑,如大中城市的三级医院的住院部和门诊部、中央级广播发射台和广播中心、大区和省中心长途电信枢纽等。丙类建筑为甲、乙、丁类之外的一般建筑。丁类建筑为抗震次要建筑和临时建筑。抗震设防类别不同的建筑采用不同的抗震设防标准

综上所述,抗震设防目标和抗震设防标准的制定是涉及地震危险性、以及经济、技术和社会诸多复杂因素的综合风险决策,其中并无可供遵循的系统理论和数学方法。

制定抗震设防目标和抗震设防标准的决策框图

 

 

抗震设防的基础----地震区划

地震危险性分析是对地震区中具体地点未来可能遭遇的强地震动的估计,地震区划则是依据地震危险性分析的结果、对地震区内强地震动程度不同的地段的划分,两者均是实施抗震设防的依据。

地震区划图为各地区实施抗震设防提供了基本依据,可用于城市规划、土地利用、场址选择、一般工程结构的抗震设计和应急救灾准备,在地震保险中也有潜在的应用价值。预测未来发生的强地震动是中长期地震预报向工程领域的延伸,是联系地震学、地震地质学和地震工程学的纽带,也是一件十分困难的工作。

根据地震危险性分析结果,可以绘制地震区划图和地震小区划图。

地震区划图是针对地域范围很大的一个国家或地区绘制的,可给出一般场地条件(或基岩场地)下地震烈度,地震动加速度、速度或反应谱特征周期的分区、即地震动参数分区。由于地域范围大,不可能细致描述各具体地点的场地差异。

 

中国地震烈度区划图

 

中国地震动加速度峰值区划图         中国反应谱特征周期区划图

 

地震危险性分析方法

进行地震危险性分析必须首先估计未来可能发生的地震,目前,这种估计基于以下两个基本原则:其一,地震重复(历史重演)原则,即某一地区历史上曾经发生的地震将在未来重复发生;其二,构造类比原则,即地震构造类似的地区,将发生同样的地震。这两条原则在逻辑上似乎有可以接受之处,但严格讲并不具备科学的理论基础,也并没有得到充分的观测资料的支持;然而,不采用这两条原则,预测未来地震便无从着手。基于上述两个原则,可以对未来发生的地震做出确定性估计,也可以做出概率性估计;但其最基本的数据都只能来自历史地震。

显然,采用确定的、无时限的未来最大地震动进行抗震设防是难以实施的,人们倾向于用概率方法描述未来地震的发生规律。地震危险性分析和地震区划方法的重要演进是1968年美国学者科内尔(Cornell)提出概率地震危险性分析方法。该法是根据地震地质构造和地震活动性,采用概率理论估计场地地震动的方法,主要包括划分潜在震源区、建立地震发生的时间和空间概率模型、确定区域地震动衰减关系,以及最终计算场地地震危险性概率曲线四个环节(见如下框图):

 

 

 

 

  地震危险性分析框图

   

在地震危险性分析中,我国首先根据地震地质构造和地震活动性进行地震区带划分,再进一步区分地震活动性不同的潜在震源区。地震是指区域地震活动性、地震孕育的地质环境和发生地震的构造条件相类似的地区;地震带一般指地震集中成带分布,并受活动构造带或地壳结构变异带控制的地带。地震活动的时空不均一性是通过地震区与地震带合理的划分来体现的。每一个地震区或地震带就是一个含有一定数量历史地震的统计单元;它不仅反映区、带内地震活动的区域特点,而且要使地震活动性参数具有相对的稳定性和代表性。

每个潜在震源区的地震活动性参数,包括震级上限、起算震级、震级-频度关系中的值、地震年平均发生率和空间分布权函数等。

概率方法假定地震是随机事件,即未来地震发生的时间、地点和大小都是不确定的,但可以用一定的概率分布来描述。在此基本假定下,地震发生过程可用三维随机过程描述,其中表示一次地震事件,表示地震的震源位置,表示地震的发生时间,是地震i的震级。地震发生过程的完整的统计分析需要考虑这三个参数的联合概率分布。这种分布模型是非常复杂的,在缺少地震数据的情况下,模型建立是非常困难的;实际应用中通常分别研究三个参数的统计特征。目前,一般通过划分潜在震源区来描述地震发生空间分布的非均匀性,用古登堡-里希特(Gutenberg-Richter)震级-频度曲线来描述地震震级与发生频度之间的关系;用泊松过程描述地震发生时间分布。

地震活动区中表示地震震级与相应发生次数的经验关系(即震级频度曲线)为:

7.2.1-2


式中:
N(M)为震级M的地震发生次数,ab为统计常数。具体到某个潜在震源区,基础数据十分有限。在这种情况下,上述关系只能采用更大地域范围内(地震区、带)的总体统计关系,这一关系用于各潜在震源区的可靠性是值得怀疑的。

地震发生的时间概率模型常用均匀泊松模型。未来T时间内,发生n次地震的概率为:

       

式中;为地震年平均发生率。该模型的基本假定为:第一,任意两次相继地震事件的发生是互相独立的;第二,两个或两个以上地震事件同时发生的概率趋于零;第三,地震发生时间序列是平稳随机过程。即地震年平均发生率是不随时间变化的常数。这些假定并不符合实际情况。尽管理论上可以采用其他更复杂的概率模型,但目前并无法确定模型的合理参数。

根据地震发生的强度概率模型、时间概率模型和地震动衰减关系,按照概率理论计算场地地震动参数在一定年限内的超越概率,得到地震危险性曲线。

 

 

 

 

 

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