鄢家全 劉愛文 俞言祥潘 華 呂紅山 郝玉芹

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

關(guān)于完善甲類建筑防震標(biāo)準(zhǔn)的思考＊

鄢家全 劉愛文 俞言祥潘 華 呂紅山 郝玉芹

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

本文認(rèn)為，宜按設(shè)計使用年限之不同，將甲類建筑由設(shè)計使用年限100年的甲A類和設(shè)計使用年限為50年的甲B類，分別確定設(shè)防地震的概率水平?？紤]到國家抗震設(shè)防政策的延續(xù)性，并結(jié)合我國地震危險特性，甲A類建筑3個設(shè)防地震的重現(xiàn)期宜取200年、2 000年和5 000～10 000年；甲B類建筑3個設(shè)防地震的重現(xiàn)期宜取100年、1 000年和2 500～5 000年。若按設(shè)計使用年限內(nèi)的超越概率水平來表述，則均為40%、5%和1%～2%。這些結(jié)果既保證了不同設(shè)計使用年限內(nèi)甲類建筑設(shè)防地震安全水平的一致性，也體現(xiàn)了與乙類和丙類建筑（63%、10%、2%～3%）的差異；并且滿足了第一水準(zhǔn)地震加速度峰值大于等于第二水準(zhǔn)地震加速度峰值1/3的要求。文后還對相關(guān)的問題進(jìn)行了討論。本文之結(jié)果，對于完善甲類建筑的防震標(biāo)準(zhǔn)是有益的。

建筑工程；防震標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)防地震；概率水平

引言

目前，我國對建筑工程抗震設(shè)防類別的劃分，仍分為甲、乙、丙、丁4個類別。本文所論之甲類建筑，即為新的《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223－2008）中的特殊設(shè)防類：指使用上有特殊設(shè)施，涉及國家公共安全的重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害等特別重大災(zāi)害后果，需要進(jìn)行特殊設(shè)防的建筑，簡稱甲類［1］。該標(biāo)準(zhǔn)對甲類建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的要求是：“應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高1度的要求加強(qiáng)其抗震措施；但抗震設(shè)防烈度為9度時應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施。同時，應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評價的結(jié)果且高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求確定其地震作用。”但是，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對甲類建筑設(shè)防地震的概率水平卻未予明確，以致在地震安全性評價工作中很難操控。比如，無論是設(shè)計使用年限為50年或100年，常按100年63%、10%和2%～3%來確定設(shè)防地震。這著實值得商榷。

作者將有關(guān)的認(rèn)識和考慮概述如下，希望對完善甲類建筑的防震標(biāo)準(zhǔn)有所幫助。

1 宜按設(shè)計使用年限確定設(shè)防地震概率水平

從20世紀(jì)80年代以來，我國建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計理念已發(fā)展到采用由概率論為基礎(chǔ)的可靠度設(shè)計方法［2］。在可靠度設(shè)計方法中，不僅要考慮各種作用和材料強(qiáng)度在設(shè)計取值上的統(tǒng)計變異性，而且要考慮影響結(jié)構(gòu)可靠度的各種物理量，以及計算模型的不確定性?？煽慷仍O(shè)計要求，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)、在規(guī)定的條件下，對完成其預(yù)定功能應(yīng)具有足夠的可靠度。其“規(guī)定的時間”是指結(jié)合結(jié)構(gòu)使用年限選定的設(shè)計基準(zhǔn)期，并作為結(jié)構(gòu)可靠度分析的時間參數(shù)；“規(guī)定的條件”是指正常設(shè)計、正常施工、正常使用和維護(hù)等條件。

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會迫切要求明確建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。借鑒ISO2394（1998）提出了各類建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限［2］（表1）。

表1 設(shè)計使用年限分類

按可靠度方法設(shè)計的建筑，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)應(yīng)具有足夠的可靠度。也就是說，結(jié)構(gòu)在設(shè)計使用年限內(nèi)經(jīng)受各種作用下，不需要大修就能完成預(yù)定的功能。結(jié)構(gòu)上的作用可分為持久作用（如結(jié)構(gòu)自重、土壓力、預(yù)應(yīng)力和地基變形等）、可變作用（施工和使用中的荷載變化、風(fēng)、雪、冰、波浪、常遇地震和溫度變化等）、偶然作用（撞擊、爆炸、火災(zāi)、罕遇地震和罕遇洪水等）。對于3種作用狀況，工程結(jié)構(gòu)均應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計［2］。在可變作用和偶然作用中，都需要考慮地震的影響。設(shè)防地震作用的概率水平，應(yīng)按設(shè)計使用年限（或設(shè)計基準(zhǔn)）來確定。當(dāng)設(shè)計使用年限和設(shè)計基準(zhǔn)期不一致時，需按使用年限長短調(diào)整設(shè)防地震動參數(shù)。不同設(shè)計使用年限的地震動參數(shù)與設(shè)計基準(zhǔn)期（50年）的地震動參數(shù)之間的基本關(guān)系，可參閱有關(guān)的研究結(jié)果。當(dāng)獲得設(shè)計使用年限100年內(nèi)不同超越概率的地震動參數(shù)時，如按這些地震動參數(shù)確定地震作用，即意味著通過提高結(jié)構(gòu)的地震作用來提高抗震能力［1］。

需要注意的是，只有紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑（如重要的電視塔、博物館和檔案館等），設(shè)計使用年限才為100年，可稱為甲A類建筑。其余需要特殊設(shè)防的建筑，包括地震時可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害等建筑，設(shè)計使用年限仍為50年，可稱為甲B類建筑。因此，由于甲A、甲B類建筑的設(shè)計使用年限不同，設(shè)防地震的概率水平應(yīng)有差別。所以，宜按設(shè)計使用年限長短，分甲A、甲B類確定設(shè)防地震概率水平。

2 考慮國家抗震設(shè)防政策的延續(xù)性

當(dāng)前，我國建筑工程抗震設(shè)防仍以“小震不壞、中震可修、大震不倒”的“3個水準(zhǔn)”為設(shè)防目標(biāo)。一般情況下（不是所有情況下），當(dāng)遭遇第一水準(zhǔn)地震作用時，建筑處于正常使用狀態(tài)，可視為彈性體系；遭遇第二水準(zhǔn)地震作用時，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段，但非彈性變形或結(jié)構(gòu)體系的損壞程度控制在可修復(fù)的范圍內(nèi)；遭遇第三水準(zhǔn)地震作用時，結(jié)構(gòu)有較大的非彈性變形，但應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以免倒塌［3］。建筑抗震設(shè)計仍采用二階段設(shè)計實現(xiàn)3個水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)。其第一階段設(shè)計是承載力驗算，取第一水準(zhǔn)的地震動參數(shù)計算結(jié)構(gòu)的彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)地震作用效應(yīng)，繼續(xù)保持其可靠度水平同78規(guī)范相當(dāng)。這樣，既滿足了在第一水準(zhǔn)下具有必要的承載能力可靠度，又滿足第二水準(zhǔn)的損壞可修的目標(biāo)。為了通過小震設(shè)計保證中震可修的目標(biāo)，現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的設(shè)計取值，第一水準(zhǔn)地震的加速度峰值均大于等于第二水準(zhǔn)地震加速度峰值的1/3［3－4］。這也說明了第一水準(zhǔn)地震的合理性，在建筑工程抗震設(shè)防中至關(guān)重要。

建筑工程的防震標(biāo)準(zhǔn)是以量大面廣的丙類建筑為基礎(chǔ)的。甲類和乙類相對于丙類的防震標(biāo)準(zhǔn)有所提高，丁類相對于丙類卻略有降低。丙類建筑應(yīng)按本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度確定其抗震措施和地震作用。建筑行業(yè)中的“抗震設(shè)防烈度”就是指基本烈度。丙類建筑設(shè)計使用年限多為50年，設(shè)防地震的概率水平分別為50年內(nèi)超越概率63%、10%和2%～3%。設(shè)防地震的概率水平代表了地震安全水平。設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)防地震的概率水平一致，說明地震安全水平也一致。當(dāng)甲A類建筑的設(shè)計使用年限為100年，如若3個設(shè)防地震概率水平也取100年內(nèi)超越概率63%、10%和2%～3%，豈不是與丙類建筑的地震安全水平一樣嗎？這顯然不盡合理。

在1995年版的《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223－95）中，對甲類建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性要求是：“應(yīng)按提高設(shè)防烈度1度設(shè)計（包括地震作用和抗震措施）”。那時的甲類建筑范圍相當(dāng)于本文中的甲A類建筑。對于這類建筑的地震作用按當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度提高1度采用，相當(dāng)于重要性系數(shù)取2.0。由于丙類建筑第一水準(zhǔn)（50年一遇）地震作用的加速度峰值應(yīng)大于等于第二水準(zhǔn)（500年一遇）地震作用加速度峰值的1/3，因此，考慮到國家抗震設(shè)防政策的延續(xù)性，甲A類建筑的重要性系數(shù)宜按2.0取用，則其第一水準(zhǔn)地震作用的加速度峰值應(yīng)大于等于500年一遇地震作用加速度峰值的2/3。而且，甲A類建筑第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)地震作用的概率值，也應(yīng)該比100年內(nèi)10%和2%～3%要小。

3 宜結(jié)合地震危險特性確定設(shè)防地震的概率水平

各地區(qū)地震危險性的共同之處在于，弱地震作用的平均重現(xiàn)期較短，強(qiáng)地震作用的平均重現(xiàn)期較長。而且，地震作用的強(qiáng)度是有極限的，當(dāng)平均重現(xiàn)期達(dá)數(shù)千年至萬年左右，有趨于極限值的特性。為了設(shè)防地震的概率標(biāo)定，曾以全國范圍128項工程場地地震安全性評價結(jié)果為基礎(chǔ)，對不同平均重現(xiàn)期相應(yīng)的地震烈度和基巖水平加速度峰值進(jìn)行過統(tǒng)計分析。其中，各平均重現(xiàn)期的烈度值，減去500年重現(xiàn)期的烈度值，所得烈度差值（△I）之中位值，以及由基巖水平加速度峰值，除以500年重現(xiàn)期的基巖水平加速度峰值，得到的加速度峰值比率中位值，統(tǒng)列于表2中。表2所示之結(jié)果說明，不同平均重現(xiàn)期相應(yīng)的烈度差值與加速度峰值比率之間是相關(guān)的。其相對于平均重現(xiàn)期500年的變化趨勢，代表了不同平均重現(xiàn)期之地震作用強(qiáng)度的變化趨勢［5］。

李金臣等［6］還對包括核工程、大型水利水電工程和特大型橋梁在內(nèi)的125個場地，研究了不同超越概率水平加速度峰值之間的關(guān)系。這類工程場地的安評工作，大都進(jìn)行了深入、細(xì)致的調(diào)查研究，具有較高的可信度。他們所得到的不同平均重現(xiàn)期基巖水平加速度峰值與重現(xiàn)期10 000年加速度峰值之比率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，示于表3。而且，表3所揭示的比率變化，在不同地區(qū)和不同地震基本烈度區(qū)，都沒有顯著的差異［6］。

表2 不同重現(xiàn)期相應(yīng)的烈度差值（△I）和加速度峰值比率中位值

表3 不同重現(xiàn)期相應(yīng)的加速度峰值比率平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

若將表3中的比率平均值，也換算為以重現(xiàn)期500年加速度峰值為底的數(shù)值，則重現(xiàn)期為100年、500年、1 000年、2 000年、5 000年和10 000年之比率平均值分別為0.46、1.00、1.31、1.64、2.15和2.56。這些比率平均值同表2中的比率中位值非常接近，說明表2和表3的統(tǒng)計樣本雖然不同，但都揭示了我國不同地區(qū)的地震危險特性是相似的。

根據(jù)表2所示結(jié)果，甲A類建筑第一水準(zhǔn)地震作用的加速度峰值要達(dá)到平均重現(xiàn)期500年加速度峰值的2/3（約0.67），則第一水準(zhǔn)地震作用的平均重現(xiàn)期宜為200年。表3沒有直接給出200年重現(xiàn)期的結(jié)果，但從文獻(xiàn)［6］中圖1所示結(jié)果可以估計出，相應(yīng)的比率平均值約為2/3（0.26/0.39）。丙類建筑第一水準(zhǔn)地震作用的平均重現(xiàn)期為50年；第二水準(zhǔn)地震作用的平均重現(xiàn)期為475年（約500年）。甲A類建筑第一水準(zhǔn)地震作用的平均重現(xiàn)期是丙類建筑（50年）的4倍，其第二水準(zhǔn)地震作用的平均重現(xiàn)期也取丙類建筑（500年）的4倍，則為2 000年。由表2和表3所示之結(jié)果可知，重現(xiàn)期2 000年與重現(xiàn)期200年地震烈度之差為1.2度，小于1.5度；而重現(xiàn)期2 000年的加速度峰值是重現(xiàn)期500年的1.6倍，重現(xiàn)期200年的加速度峰值是重現(xiàn)期2 000年加速度峰值的41%。這就表明，當(dāng)甲A類建筑第一水準(zhǔn)地震作用和第二水準(zhǔn)地震作用的平均重現(xiàn)期分別取200年與2 000年時，不僅可以滿足第一水準(zhǔn)地震作用的加速度峰值是丙類建筑（50年）相應(yīng)取值的2倍，同時還滿足了第一水準(zhǔn)地震作用加速度峰值與第二水準(zhǔn)地震作用加速度峰值之比值（41%）大于等于1/3的設(shè)防要求。以此類推，甲A類建筑的第三水準(zhǔn)地震作用平均重現(xiàn)期宜取5 000～10 000年。若按設(shè)計使用年限內(nèi)的超越概率來表述，甲A類建筑3個設(shè)防地震作用之概率水平則為，100年內(nèi)超越概率40%、5%和2%～1%。

對于設(shè)計使用年限和設(shè)計基準(zhǔn)期均為50年的甲B類建筑，不僅僅是防倒塌的問題，而是要求在預(yù)估的罕遇地震作用下，使結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)控制在中等程度內(nèi)。通過工程決策分析認(rèn)為，對于該類建筑，其重要性系數(shù)可采用1.5。并且僅乘在地震作用效應(yīng)上，同時其防震措施提高1度。重要性系數(shù)取1.5，相當(dāng)于100年一遇的地震作用［7］。按表2和表3所示之結(jié)果，重現(xiàn)期100年的加速度峰值均為500年重現(xiàn)期的45%。因而，甲B類建筑第一水準(zhǔn)地震作用的重現(xiàn)期宜取100年。與甲A類建筑相類比，甲B類建筑第二水準(zhǔn)地震作用的重現(xiàn)期宜取1 000年。按表2和表3之結(jié)果，重現(xiàn)期1 000年與重現(xiàn)期100年地震烈度之差值為1.3度，也小于1.5度；而重現(xiàn)期1 000年的加速度峰值約為500年重現(xiàn)期的1.3倍；重現(xiàn)期100年的加速度峰值約為1 000年重現(xiàn)期的35%。這也滿足了第一水準(zhǔn)地震作用加速度峰值必需大于等于第二水準(zhǔn)加速度峰值1/3的要求。其甲B類建筑第三水準(zhǔn)地震作用的重現(xiàn)期宜取2 500～5 000年。若按設(shè)計使用年限內(nèi)的超越概率來表述，甲B類建筑3個設(shè)防地震作用分別為，50年內(nèi)超越概率40%、5%和1%～2%。

本節(jié)的論述表明，當(dāng)考慮到國家抗震設(shè)防政策的延續(xù)性，甲A類建筑的重要性系數(shù)取2.0，3個水準(zhǔn)設(shè)防地震作用的概率值，宜分別為100年內(nèi)超越概率40%、5%和2%～1%。甲B類建筑的重要性系數(shù)若按1.5考慮，3個水準(zhǔn)設(shè)防地震作用的概率值，則宜為50年內(nèi)超越概率40%、5%和2%～1%。這些結(jié)果首先保證了不同設(shè)計使用年限內(nèi)甲類建筑設(shè)防地震安全水平的一致性，也體現(xiàn)了與乙類和丙類（50年內(nèi)63%、10%、2%～3%）的差異，并且滿足了第一水準(zhǔn)地震作用加速度峰值大于等于第二水準(zhǔn)地震作用加速度峰值1/3的要求。

4 討論

茲對上述結(jié)果相關(guān)的問題討論如下：

（1）首先，對于甲A類建筑考慮的防震標(biāo)準(zhǔn)，不僅繼承了以往標(biāo)準(zhǔn)中提高設(shè)防烈度1度設(shè)計的政策，而且在工程實踐中是可行的。例如，從1987年以來相繼施工并建成的北京中央電視塔、天津電視塔和四川電視塔等，均屬于高度超過250m的甲類電視塔。其設(shè)計基準(zhǔn)期為100年；設(shè)防目標(biāo)為“中震不壞，大震局部可修”；中震為100年內(nèi)超越概率5%，大震為100年內(nèi)超越概率2%［8－9］。雖然甲類電視塔設(shè)防中震和大震的概率水平同本文所指甲A類建筑相當(dāng)，但設(shè)防目標(biāo)卻不同。按文獻(xiàn)［8］的解釋，電視塔在遭遇中震地震作用時，全塔結(jié)構(gòu)應(yīng)保持彈性狀態(tài)，震后處于正常工作階段；當(dāng)遭遇大震作用時，塔主體結(jié)構(gòu)應(yīng)保持原有的安全功能，局部（桅桿）可能出現(xiàn)損壞，但經(jīng)修理后，仍可繼續(xù)使用。這顯然高于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。而且，振動臺模型動力試驗，特別是2008年汶川地震四川塔完好無損均表明，甲類電視塔提高防震標(biāo)準(zhǔn)是必要的，也是可行的［8］。

（2）不同類別建筑工程的防震標(biāo)準(zhǔn)差異，主要體現(xiàn)在防震措施要求不同，只有甲類建筑“應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評價結(jié)果且高于本地區(qū)設(shè)防烈度的要求確定其地震作用”。2008年汶川大地震的經(jīng)驗教訓(xùn)再次證明：我國在1976年唐山地震后，建筑工程從Ⅵ度開始設(shè)防和按高于設(shè)防烈度1度的“大震”不倒塌的設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行抗震設(shè)計的決策，是正確的。凡是嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計、施工和使用的建筑，在遭遇比當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度高1度的地震作用下，沒有出現(xiàn)倒塌破壞，有效地保護(hù)了人民的生命安全。鑒于所有建筑均要求達(dá)到“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)，對需要比普通建筑（丙類）提高抗震設(shè)防要求的建筑，主要采取提高防倒塌變形能力的措施。在新版的《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》中，從抗震概念設(shè)計的角度，文字表達(dá)上更突出各個設(shè)防類別在防震措施上的區(qū)別。甲類建筑在按提高1度的要求加強(qiáng)其防震措施的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行“場地地震安全性評價”等專門研究。需注意，只提高防震措施或提高地震作用，二者的效果有所不同，但都可認(rèn)為滿足提高防震安全性的要求。提高防震措施，著眼于把財力、物力用在增加結(jié)構(gòu)薄弱部位的防震能力，是經(jīng)濟(jì)有效的方法；只提高地震作用，則結(jié)構(gòu)各構(gòu)件均全面增加材料，投資增加的效果不如前者［1］。甲類建筑采取既提高防震措施，又提高地震作用的辦法，可以確保其結(jié)構(gòu)具有較高的防震安全性。

（作者電子信箱，劉愛文：Law73＠163.com）

［1］GB50233－2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

［2］GB50068－2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001

［3］GB50011－2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001

［4］鄢家全，俞言祥，郝玉芹.解讀建筑工程防震標(biāo)準(zhǔn).國際地震動態(tài)，2005（10）：15－20

［5］鄢家全，陳家庚，高孟潭，等.抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的概率標(biāo)定.國際地震動態(tài)，2000（9）：1－7

［6］李金臣，潘華，吳健，等.不同超越概率水平PGA關(guān)系研究.震災(zāi)防御技術(shù)，2007，2（2）：207－211

［7］高小旺，李荷，王菁，等.不同重要性建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的探討.建筑科學(xué)，1999，15（2）：11－16

［8］汪祖培.體驗·思考·認(rèn)識.中廣電廣播電影電視設(shè)計研究院，2009，64－77，86－88

［9］GY5060－1997廣播電影電視建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，北京，中國科學(xué)技術(shù)出版社，1998

Discussion on improving criterion of aseismatic design for class A buildings

Yan Jiaquan，Liu Aiwen，Yu Yanxiang，Pan Hua，LüHongshan，Hao Yuqin
（Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

Class A buildings are suggested to be divided into 2categories，class Aaand class Ab，subjecting to their design service periods of 100years and 50years，respectively.The seismic fortification probability levels for class Aaand Abbuildings ought to be different.Taking into account the continuity of the aseismatic design policy and the characteristics of seismic hazard in China，the 3presumed recurrence periods of earthquakes in aseismatic design for class Aabuildings ought to be 200，2 000and 5 000～10 000years，respectively.For class Abbuildings，the recurrence periods ought to be 100，1 000and 2 500～5 000years.In terms of exceeding probability in design service period，they should be 40%，5%and 1%～2%.These suggestions guarantee the consistency of seismic safety level for class A buildings with different design service periods，and make it different from class B and class C buildings，for which the exceeding probability is 63%，10%and 2%～3%in 50years.This also satisfies the requirement that the PGA of level 1earthquake should not be less than 1/3 of that of level 2.The suggestions of this paper should be useful for improving criterion of aseismatic design for class A buildings.

building structure；criterion of aseismatic design；fortification against earthquakes；exceeding probability level

TU352，P315.9；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.05.007

2010－11－12。

地震行業(yè)科研專項200908011資助。