試論抗震設防目標、兩階段設計方法及抗震設防標準的意義

梁亞楠 遼河石油裝備制造總公司

試論抗震設防目標、兩階段設計方法及抗震設防標準的意義

梁亞楠 遼河石油裝備制造總公司

“小震不壞、中震可修、大震不倒”是我國建筑抗震設防的三水準目標，三水準設防目標是通過“兩階段設計”這一方法來實現的。而抗震設防標準是衡量抗震設防要求高低的尺度，由抗震設防烈度或設計地震動參數及建筑抗震設防類別確定。準確理解抗震設防目標、兩階段設計方法及抗震設防標準的意義是結構工程師解決建筑抗震難題的必備基礎知識。

抗震設防目標；兩階段設計方法；抗震設防標準

1 前言

當我們不考慮地震作用的情況下進行建筑的結構設計時，要求結構在規定荷載作用下處于或基本處于彈性工作階段，結構設計要有足夠的強度，保證安全，又要有足夠的剛度，保證結構的變形在使用許可范圍之內。例如，我們設計樓板或是主梁時，在豎向恒載及活載作用下，除了必須滿足強度要求外，其撓度變形也必須控制在許可范圍內，從而使之在使用功能上和外觀上均能滿足要求。又如，在設計高聳結構時，設計者將會考慮在大風作用下結構依然保持彈性狀態。總之，結構抵抗一般的荷載作用時，設計者必須遵循的基本原則是使結構在預期荷載作用下保持在或基本保持在彈性工作狀態，結構內力的分析與設計一般采用彈性分析方法。在實際工程中，按照這樣的原則設計出來的結構，如果沒有遇到特殊的情況，在預期的荷載作用下，極少出項嚴重破壞、過度變形等不正常狀態。而地震作用則不同，地震動的影響次數少，作用時間短，各次地震的強度差異很大。而且地震本身的隨機性很強，在某一地區，某一基準期內，可能出現的最大地震動是一個隨機變量，事先無法預知。若要求在各種強度地震動下，結構仍然保持彈性狀態是很不經濟的，甚至是不可能的。因此，結構的抗震設計與結構抵抗其他荷載作用的設計是不同的，對于結構工程師而言，在進行工程抗震設計時，首先必須要清楚“地震作用有別于其他荷載的特殊情況”，進而才能準確理解與把握符合這一特殊情況的結構設計基本原則，即結構抗震設計的抗震設防目標、兩階段設計方法及抗震設防標準，然后才能在工程的抗震設計中實現“安全可靠、經濟適用”的原則。

2 抗震設防目標

我國的《建筑抗震設計規范》GB50011-2010第1.0.1條規定：“為貫徹執行國家有關建筑工程、防災減災的法律法規并實行以預防為主的方針，使建筑經抗震設防后，減輕建筑的地震破壞，避免人員傷亡，減少經濟損失，制定本規范。按本規范進行抗震設計的建筑，其基本的抗震設防目標是：當遭受低于本地區抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續使用;當遭受相當于本地區抗震設防烈度的地震影響時，可能發生損壞，但經一般性修理仍可繼續使用；當遭受高于本地區抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。使用功能或其他方面有專門要求的建筑，當采用抗震性能化設計時，具有更具體或更高的抗震設防目標”。

作為抗震設計規范的第一條規定，其目的是為了明確建筑抗震設防的政策、方針和基本目的，同時，給出了現階段抗震設計的基本思想，及抗震設防目標的問題。我國現行《抗震規范》沿用了89規范的“三水準”的抗震設計思想，即通常所說的“小震不壞、中震可修、大震不倒”。真確理解三水準設防目標，需要弄清楚以下兩個問題：

2.1 三水準設防目標的由來和含義

我國抗震規范經歷了74版、78版，要求“建筑物遭遇到相當于設計烈度的地震影響時，建筑物允許有一定程度的損壞，不加修理或稍加修理仍能繼續使用”，但是遼寧海城和唐山地震的發生，震中烈度都比預估的要高，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規范在修訂過程中提出要對78規范的設防標準進行適當的調整，做出了如下一些規定：

(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。

上述三點規定可概括為“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，當建筑遭遇第一水準烈度地震（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映分析，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，但結構的彈塑性秉性被控制在某一限度內，震后殘留的永久變形不大；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，從而保證建筑內部人員的安全。

2.2 關于“大震”和“小震”的界定

基本烈度是指在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為10%的地震烈度，相當于474年一遇的烈度值；多遇地震烈度，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63%的地震烈度值，相當于50年一遇的地震烈度值；罕遇地震烈度是值在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為2%～3%的地震烈度值，相當于1600～2500年一遇的地震烈度值。

由于我國的地震烈度區劃圖或地震動參數區劃圖只給出了基本烈度或基本設計地震加速度，因此，為了貫徹上述三水準設防思想，首要問題是如何確定“小震”和“大震”，即多遇地震和罕遇地震的界定問題，找出它們與基本烈度地震之間的關系。事實上，在89規范的修訂過程中，修訂編制組曾對此問題進行過專題研究。研究結構表明：根據對我國華北、西北和西南地區45座城鎮地震危險性分析，多遇地震烈度可取50年超越概率為63.2%的眾值烈度，其大小比基本烈度約低1.55倍；而50年超越概率為2%～3%的罕遇地震烈度約為基本烈度高1度左右。這就是我國抗震規范沿用至今的關于大震和小震的界定。

事實上，這樣的界定只是在1977年版的地震區劃圖的基礎上對我國少數城市進行地震危險性分析的平均結果，具有一定的局限性，而且與1977年以后各版地震區劃圖的平均結果存在一定的差異。實際上，根據高孟潭等人1992年對全國7000多個場地的地震動危險性分析結果的統計分析，大震與中震的地震烈度差值普遍小于1度，而且遇有明顯的地區性。但是，為了保持規范的延續性，在《建筑抗震設計規范》GB50011-2001（2008年版）仍然保持了這樣的界定。

3 兩階段設計方法

建筑抗震設計規范的三個水準設防目標是通過“兩階段設計”來實現。第一階段設計是承載力驗算，其可靠性既要滿足在第一設防水準下具有必要的承載力，又要滿足第二水準的損壞可修的目標。第二階段設計是彈塑性變形驗算，對地震時易倒塌的結構、有明顯薄弱層的不規則結構以及有專門要求的建筑，要進行結構薄弱部位的彈塑性層間變形驗算并采取相應的抗震構造措施，實現第三水準的設防要求。對大多數的結構，可只進行第一階段的設計，而通過概念設計和抗震構造措施來滿足第三水準的設計要求。

“兩階段設計”的具體方法和步驟是：

第一階段設計：第一步采用第一水準烈度的地震動參數，先計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應，與風、重力等荷載效應組合，并引入承載力抗震調整系數，進行構件截面設計，從而滿足第一水準的強度要求；第二步是采用第一地震動參數計算出結構的彈性層間位移角，使其不超過規定的限值；同時采取相應的抗震夠著措施，保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，從而自動滿足第二水準的變形要求。

第二階段設計：采用第三水準烈度的地震動參數，計算出結構（特別是柔弱樓層和抗震薄弱環節）的彈塑性層間位移角，使之小于《抗震規范》限值；并結合采用必要的抗震構造措施，從而滿足第三水準的防倒塌要求。

4 抗震設防標準

抗震設防標準是衡量抗震設防要求高低的尺度，由抗震設防烈度或設計地震動參數及建筑抗震設防類別確定。抗震設防烈度是指按國家規定的權限批準作為一個地區抗震設防依據的地震烈度。一般情況，取50年內超越概率10%的地震烈度。設計地震動參數是指抗震設計用的地震加速度（速度、位移）時程曲線、加速度反應譜和峰值加速度。抗震設防分類是根據建筑遭遇地震破壞后，可能造成的人員傷亡、直接和間接經濟損失、社會影響的程度及其在抗震救災中的作用等因素，對各類建筑所做的設防類別劃分。我國的國家標準《建筑工程抗震設防分類標準》GB50023-2008將建筑抗震設防類別分為：特殊設防類、重點設防類、標準設防類和適度設防類。

5 結束語

我國現階段的社會經濟實力雖然有了較大的提高，但仍屬于發展中國家的水平，如果結構工程師能透徹地理解和執行國家規定的建筑抗震設防目標和標準，正確運用兩階段設計方法，就可做到既合理使用建設投資，又能達到抗震安全的要求。

[1]建筑抗震設計規范. GB 50011-1010

[2]建筑工程抗震設防分類標準 .GB 50023-2008

[3]建筑抗震與設計對策.中國計劃出版社. 2009

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.023