苗啟松 陳曦
淺談新版《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》對(duì)北京地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響
苗啟松陳曦
地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的作用,影響因素眾多,如震級(jí)、震源深度、震中距、場(chǎng)地類別、結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性等。就客觀因素而言,震級(jí)、震源深度、震中距及場(chǎng)地類別的影響較為關(guān)鍵,在我國(guó)現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中,以抗震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)地震分組及場(chǎng)地類別來表示。
2015年5月15日,新版《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)由國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布,并將于2016年6月1日起正式實(shí)施。新一代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖給出的全國(guó)設(shè)防參數(shù)整體上有了適當(dāng)提高,就北京地區(qū)而言,主要涉及兩個(gè)方面調(diào)整:第一,門頭溝、昌平、懷柔、密云等區(qū)縣設(shè)防烈度由原Ⅶ度(0.15 g)、二組調(diào)整為Ⅷ度(0.20 g)、二組;第二,東城、西城等剩余12個(gè)區(qū)縣均由原Ⅷ度(0.20 g)、一組調(diào)整至Ⅷ度(0.20 g)、二組。
以Ⅱ類場(chǎng)地為例(下文中以Tg1表示舊版《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中場(chǎng)地特征周期,Tg2表示新版《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中場(chǎng)地特征周期),結(jié)構(gòu)各自振周期范圍內(nèi),門頭溝等四區(qū)縣水平地震影響系數(shù)放大了約33%,如圖1、圖2所示(本文中結(jié)構(gòu)阻尼比均取5%)。東城、西城等剩余12個(gè)區(qū)縣,當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期位于0 ~Tg1時(shí),水平地震影響系數(shù)未變化;結(jié)構(gòu)自振周期位于Tg1~5Tg2時(shí),最大位置處,水平地震影響系數(shù)放大約12.8%;當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期大于5Tg2時(shí),水平地震影響系數(shù)放大2.17% ~3.34%。
對(duì)不同場(chǎng)地類別下,北京地區(qū)水平地震影響系數(shù)放大倍數(shù)進(jìn)行整理,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。
苗啟松,現(xiàn)任北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司副總工程師、復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院院長(zhǎng),中國(guó)建筑學(xué)會(huì)抗震防災(zāi)分會(huì)常務(wù)理事、高層建筑抗震專業(yè)委員會(huì)副主任、抗震加固專業(yè)委員會(huì)委員,國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師,教授級(jí)高級(jí)工程師。主要從事建筑結(jié)構(gòu)抗震及消能減震技術(shù)、加固改造技術(shù)、結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配技術(shù)等研究及設(shè)計(jì)咨詢工作,主持或參編了《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》、《建筑物移位糾傾增層改造技術(shù)規(guī)程》、《北京地區(qū)建筑抗震鑒定及加固技術(shù)規(guī)程》等多本國(guó)家或地方規(guī)范,多項(xiàng)成果榮獲北京市和建設(shè)部科技進(jìn)步獎(jiǎng)及優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)。
陳曦,1987年7月出生于江蘇省鹽城市,2008年于東南大學(xué)土木工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位,2011年于中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所獲碩士學(xué)位,現(xiàn)就職于北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院,主要從事建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)咨詢、加固改造技術(shù)研究等工作。
圖1 設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜(Ⅱ類場(chǎng)地,δ=5%)
圖2 地震動(dòng)影響系數(shù)放大倍數(shù)(Ⅱ類場(chǎng)地,δ=5%)
表1 不同自振周期下,水平地震影響系數(shù)放大倍數(shù)
由表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見:第一,本次地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃調(diào)整對(duì)門頭溝、昌平、懷柔、密云四區(qū)縣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響較大,各周期范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)地震作用放大1/3;第二,對(duì)東城、西城等12個(gè)區(qū)縣,僅在結(jié)構(gòu)自振周期落于Tg1~5Tg2范圍內(nèi)時(shí)有較大影響,地震力放大12.8%~22.2%;第三,對(duì)于東城、西城等12個(gè)區(qū)縣中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)(T>5Tg2)的設(shè)計(jì),本次調(diào)整影響較小,地震力放大2.2% ~6.3%。
徐培福等人通過對(duì)414棟我國(guó)已建或已通過超限審查的高層建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析,歸納出不同高度建筑結(jié)構(gòu)的周期分布規(guī)律見表2。
表2 建筑高度與結(jié)構(gòu)前三階自振周期的關(guān)系
圖3 建筑高度與結(jié)構(gòu)一階自振周期的關(guān)系
圖4 建筑高度與結(jié)構(gòu)二階自振周期的關(guān)系
以Ⅷ度(0.20 g)、一組提升為Ⅷ度(0.20 g)、二組為例,忽略高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算的影響,不同場(chǎng)地類別下,本次地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃調(diào)整對(duì)下述高度范圍內(nèi)建設(shè)的建筑影響較大(北京地區(qū)),詳見表3。
表3 不同場(chǎng)地類別下,地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃調(diào)整的建筑高度影響范圍
此外,新版《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的另一大特色是,其在附錄中列出了全國(guó)各省(自治區(qū)、直轄市)鄉(xiāng)鎮(zhèn)府所在地、縣級(jí)以上城市的Ⅱ類場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度和基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期。需要注意的是:北京部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度及基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期均進(jìn)行了調(diào)整,如平谷區(qū)馬坊鎮(zhèn),基本烈度由Ⅷ度調(diào)整為Ⅷ度半,設(shè)計(jì)地震分組由第一組調(diào)整為第二組;部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道),設(shè)計(jì)地震分組由第一組調(diào)整為第三組,如平谷區(qū)黃松峪鄉(xiāng)。
場(chǎng)地類別為Ⅱ類時(shí),上述兩類調(diào)整導(dǎo)致的規(guī)范反應(yīng)譜變化及水平地震影響系數(shù)放大倍數(shù)如圖5、圖6所示。
為便于考察地震分組及烈度變化導(dǎo)致的水平地震影響系數(shù)變化,考慮將水平地震影響系數(shù)的放大作用分解為兩部分:一是“烈度效應(yīng)”,即基本烈度提高對(duì)水平地震影響系數(shù)的影響;二是“分組效應(yīng)”,即地震分組變化對(duì)水平地震影響系數(shù)的影響,采用公式可以表達(dá)為:水平地震影響系數(shù)放大倍數(shù)=烈度效應(yīng)系數(shù)×分組效應(yīng)系數(shù)。
該方法可用于快速判斷因《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》調(diào)整而造成設(shè)計(jì)水平地震作用變化。例如,當(dāng)場(chǎng)地類別為Ⅱ類時(shí),若基本烈度由Ⅷ度調(diào)整為Ⅷ度半,設(shè)計(jì)地震分組由第一組調(diào)整為第二組,烈度效應(yīng)系數(shù)在全周期范圍內(nèi)均為1.5,分組效應(yīng)系數(shù)在結(jié)構(gòu)自振周期位于Tg2~5Tg1時(shí)最大,取值1.128(詳見表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果),因此最大位置處,設(shè)計(jì)水平地震作用放大至1.692倍;若基本烈度不調(diào)整,設(shè)計(jì)地震分組由第一組調(diào)整為第三組,烈度效應(yīng)系數(shù)取值為1.0,分組效應(yīng)系數(shù)在結(jié)構(gòu)自振周期位于Tg2~5Tg1時(shí)最大,取值1.254,因此最大位置處,設(shè)計(jì)水平地震作用放大至1.254倍(詳見圖6統(tǒng)計(jì)結(jié)果)。
1959年,我國(guó)以蘇聯(lián)規(guī)范(CH-8-57)為依據(jù)編制了第一部有關(guān)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范草案——《地震區(qū)建筑規(guī)范草案》。1964年由中國(guó)科學(xué)院工程力學(xué)研究所(現(xiàn)中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所)牽頭,在“1959草案”基礎(chǔ)上結(jié)合我國(guó)自己的研究成果,編制了《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(草案稿)》。1974年以《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(草案稿)》為基礎(chǔ),增加了液化判別等要求后,正式出版了我國(guó)第一本結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范——《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 11—74)。
唐山地震后,國(guó)家基本建設(shè)委員會(huì)建筑科學(xué)研究院(現(xiàn)中國(guó)建筑科學(xué)研究院)會(huì)同相關(guān)研究單位對(duì)《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 11—74)進(jìn)行了大幅修訂,補(bǔ)充了對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有效的構(gòu)造措施,出版了《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 11—78),以下簡(jiǎn)稱“78版規(guī)范”。
圖5 設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜(Ⅱ類場(chǎng)地,δ=5%)
圖6 地震動(dòng)影響系數(shù)放大倍數(shù)(Ⅱ類場(chǎng)地,δ=5%)
1989年我國(guó),對(duì)《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 11—78)進(jìn)行了重新修訂,同時(shí)將其更名為“建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范”(GBJ 11—89),以下簡(jiǎn)稱89版規(guī)范。
2001年、2008年、2010年、2016年,隨著近現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及多次大地震帶來的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),我國(guó)對(duì)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了較大幅度修訂,相繼出版了2001、2008、2010、2016版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016版抗規(guī)報(bào)審中)。
以規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為例,78版規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜僅與場(chǎng)地土條件有關(guān),阻尼比取值5%,反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段以1/T的規(guī)律下降。89版規(guī)范考慮了近、遠(yuǎn)震和不同場(chǎng)地條件下特征周期Tg,阻尼比取值5%,反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段以1/T0.9的規(guī)律下降。為避免地震作用太小,78版、89版規(guī)范均對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)設(shè)定了一個(gè)下限值為αmin=0.2αmax的水平段。2001版規(guī)范對(duì)89版規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜做了較大的改動(dòng),采用3個(gè)設(shè)計(jì)地震分組取代近、遠(yuǎn)震分組,提供了不同阻尼比反應(yīng)譜曲線的調(diào)整方法。同時(shí),為適應(yīng)高層建筑的周期要求,將設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線的周期延長(zhǎng)至6 s,并將長(zhǎng)周期段分成曲線下降段和直線下降段兩部分。2010版規(guī)范保持了2001版規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的基本構(gòu)架,僅對(duì)曲線下降段衰減指數(shù)、直線下降段的下降斜率及阻尼調(diào)整系數(shù)進(jìn)行了微調(diào)。
以北京地區(qū)、Ⅷ度、Ⅱ類場(chǎng)地,阻尼比為5%的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜比較78版、89版、2001版、2010版、2016版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的變化,如圖7所示。
考慮到78版規(guī)范中是以基本烈度作用下的αmax值繪制的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線,上圖中對(duì)其進(jìn)行了折算以與其他規(guī)范相比較,折算系數(shù):0.45/0.16。
由圖7和圖8可見,相比于2001版及2010版設(shè)計(jì)規(guī)范,當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于0.35~ 2.0 s區(qū)域時(shí),2016版設(shè)計(jì)規(guī)范地震作用放大顯著,最大位置處,水平地震影響系數(shù)放大12.7%;相比于89版設(shè)計(jì)規(guī)范,當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于0.3~ 3.5 s區(qū)域時(shí),地震作用放大顯著,最大位置處,水平地震影響系數(shù)放大30.0%;相比于78版設(shè)計(jì)規(guī)范,當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于0.3 ~3.0 s區(qū)域時(shí),地震作用放大顯著,最大位置處,水平地震影響系數(shù)放大52.0%。
在78版規(guī)范中,結(jié)構(gòu)總水平地震荷載Q0=Cα1W,其中:C表示結(jié)構(gòu)影響系數(shù),對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),C取值0.30(≤50 m),無筋砌體結(jié)構(gòu),C取值0.45;W表示產(chǎn)生地震荷載的建筑總重量。
圖7 設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜(Ⅱ類場(chǎng)地,δ=5%)
圖8 地震動(dòng)影響系數(shù)放大倍數(shù)(Ⅱ類場(chǎng)地,δ=5%)
圖9 砌體、框架結(jié)構(gòu)實(shí)際地震作用差別(78版規(guī)范VS 2016版規(guī)范)
以北京、Ⅷ度、Ⅱ類場(chǎng)地,多層砌體結(jié)構(gòu)為例(底部剪力法核算),78版規(guī)范中不考慮對(duì)重力荷載代表值進(jìn)行折減,即Q0max=0.45×0.45×W;2016版規(guī)范中,對(duì)多自由度體系考慮85%的重力荷載代表值折減,即Q0max=0.16×0.85×W。以兩版規(guī)范設(shè)計(jì)的砌體結(jié)構(gòu),實(shí)際地震作用差別如圖9所示。
同理,比較框架結(jié)構(gòu)實(shí)際地震作用差別。此處比較時(shí),未考慮因填充墻等因素對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期的折減,如圖10所示。
由圖9可見,78版設(shè)計(jì)規(guī)范在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),地震作用取值并不小于2016版設(shè)計(jì)規(guī)范。而對(duì)于框架結(jié)構(gòu),地震作用取值差別較大:結(jié)構(gòu)高度小于50 m時(shí),最大位置處,地震作用放大近80%。
對(duì)于北京地區(qū)而言,歷次抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)各區(qū)縣的調(diào)整并非完全一致,以Ⅱ類場(chǎng)地為例,可概括為:
第一,東、西城等12區(qū)縣:78(Ⅷ度)→89(近震,Ⅷ度)→01(第一組,Ⅷ度)→10(第一組,Ⅷ度)→16(第二組,Ⅷ度);
第二,門頭溝等4區(qū)縣:78(Ⅷ度)→89(近震,Ⅷ度)→01(第一組,Ⅶ度半)→10(第二組,Ⅶ度半)→16(第二組,Ⅷ度)。
分別比較上述兩類情況下,不同結(jié)構(gòu)類型,水平地震影響系數(shù)放大倍數(shù)的變化(Ⅱ類場(chǎng)地、δ=5%),如圖10、圖11所示。
不考慮后續(xù)使用年限對(duì)水平地震影響系數(shù)折減的情況下,以水平地震影響系數(shù)放大倍數(shù)作為各區(qū)縣內(nèi)建筑加固需求的判定標(biāo)準(zhǔn),其中,東、西城等12區(qū)縣以編號(hào)①表示,門頭溝等4區(qū)縣以編號(hào)②表示,排序結(jié)果如下(由急到緩):
(1)78版規(guī)范設(shè)計(jì),50 m以下,框架結(jié)構(gòu),區(qū)域范圍:①+②;
(2)2001版規(guī)范設(shè)計(jì),所有結(jié)構(gòu)類型,區(qū)域范圍:②;
(3)2010版規(guī)范設(shè)計(jì),所有結(jié)構(gòu)類型,區(qū)域范圍:②;
(4)89版規(guī)范設(shè)計(jì),所有結(jié)構(gòu)類型,區(qū)域范圍:①+②;
(5)78版規(guī)范設(shè)計(jì),50 m以上,框架結(jié)構(gòu),區(qū)域范圍:①+②;
(6)2001版、2010版規(guī)范設(shè)計(jì),所有結(jié)構(gòu)類型,區(qū)域范圍:①;
(7)78版規(guī)范設(shè)計(jì),砌體結(jié)構(gòu),區(qū)域范圍:①+②。
綜上所述,新版《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》及新版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》調(diào)整對(duì)北京地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地震作用取值的影響可以歸納為以下幾個(gè)方面。
(1)門頭溝、昌平、懷柔、密云四區(qū)縣,結(jié)構(gòu)地震作用放大33%。
(2)東城、西城等12個(gè)區(qū)縣,當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于Tg15Tg2范圍內(nèi)時(shí)有較大影響,不同場(chǎng)地類別,放大倍數(shù)不同,Ⅰ0類場(chǎng)地時(shí),地震作用最大位置處放大約22.2%。
圖10 東、西城等12區(qū)縣
圖11 門頭溝等4區(qū)縣
(3)對(duì)于設(shè)防烈度及地震分組均變化的地區(qū),通過“烈度效應(yīng)系數(shù)”及“分組效應(yīng)系數(shù)”快速判斷地震分組及烈度變化導(dǎo)致的水平地震影響系數(shù)變化。
(4)Ⅷ度、阻尼比5%、Ⅱ類場(chǎng)地時(shí),比較78版、89版、2001版及2016版抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,差別最大位置處,水平地震影響系數(shù),78版規(guī)范僅為2016版規(guī)范的66%,89版規(guī)范僅為2016版規(guī)范的77%,2001版規(guī)范為2016版規(guī)范的88%。
(5)對(duì)比以78版、2016版規(guī)范設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu):第一,砌體結(jié)構(gòu)地震作用取值78版設(shè)計(jì)規(guī)范并不小于2016版設(shè)計(jì)規(guī)范;第二,結(jié)構(gòu)高度小于50 m的框架結(jié)構(gòu),最大位置處,78版規(guī)范水平地震影響系數(shù)取值僅為2016規(guī)范的55%。
(6)對(duì)北京地區(qū)不同年代設(shè)計(jì)的建筑依據(jù)2016版設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與原設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比值進(jìn)行了排序,結(jié)果可作為各區(qū)縣建筑抗震加固工作推進(jìn)次序的參考。