基于某實(shí)例的中印地震反應(yīng)譜比較

李 輝

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610016)

近年隨著海外市場(chǎng)的開拓，越來(lái)越多的中國(guó)企業(yè)涉足印尼電力市場(chǎng)，應(yīng)業(yè)主和咨詢公司審查要求，設(shè)計(jì)文件應(yīng)滿足印尼當(dāng)?shù)匾?guī)范，介于此，本文中，筆者將針對(duì)印尼SNI1726：2012 《建筑結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和中國(guó)GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)的地震參數(shù)進(jìn)行分析比較，對(duì)兩國(guó)規(guī)范中的類同點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化，并繪制出地震反應(yīng)譜曲線，從而為設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。

1 地震基本參數(shù)

1.1 場(chǎng)地類別

在印尼抗震規(guī)范(SNI1726：2012)中，根據(jù)30m范圍內(nèi)土層的平均剪切波速，平均標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)和平均不排水抗剪強(qiáng)度一共將場(chǎng)地類別分為六類，分別為A類硬質(zhì)巖石類場(chǎng)地 (SA – Strong rock)，B 類巖石類場(chǎng)地 (SB –Rock)，C類堅(jiān)硬土和軟質(zhì)巖石場(chǎng)地(SC – Hard soil，very dense and soft rock)，D類中硬或中軟土場(chǎng)地(SD – Medium soil)，E類軟弱土場(chǎng)地(SE–Soft soil)和F類特殊性巖土場(chǎng)地(SF－Special soil)。

在中國(guó)抗震規(guī)范中，根據(jù)土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋層厚度，將場(chǎng)地類別劃分為I0、I1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ五類。

表1 印尼場(chǎng)地類別劃分

1.2 抗震三水準(zhǔn)與重現(xiàn)期

中國(guó)抗震規(guī)范對(duì)于三水準(zhǔn)的地震作用水平是按三個(gè)不同的超越概率(或重現(xiàn)期)來(lái)區(qū)分，具體為：

多遇地震，50年超越概率為63.2%，重現(xiàn)期50年，稱為“小震”，在“小震”作用下要求結(jié)構(gòu)一般不受損壞或者不需修理仍可繼續(xù)使用。

設(shè)防烈度地震(基本地震)，50年超越概率10%，重現(xiàn)期475年，稱為“中震”，當(dāng)遭遇到中等地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)可以有一定程度的損壞，經(jīng)修理或不經(jīng)修理仍可繼續(xù)使用。

罕遇地震，50年超越概率2%，重現(xiàn)期2475年，稱為“大震”，“大震”烈度比設(shè)防烈度約高一度左右，結(jié)構(gòu)在遭遇“大震”時(shí)不致倒塌或發(fā)生危害生命的嚴(yán)重破壞。

參照印尼規(guī)范SNI1726：2012第6節(jié)，印尼規(guī)范通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)考慮兩種強(qiáng)度等級(jí)的地震作用，“設(shè)計(jì)地震”和“最大考慮地震MCER”，來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震目標(biāo)。“最大考慮地震”對(duì)應(yīng)于地震作用區(qū)劃圖上50年超越概率為2%的罕遇地震； “設(shè)計(jì)地震”加速度為“最大考慮地震”的2/3。

從超越概率的角度來(lái)看，印尼的“最大考慮地震”強(qiáng)度水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)我國(guó)的“大震”水準(zhǔn)，而“設(shè)計(jì)地震”強(qiáng)度水準(zhǔn)大致與我國(guó)的“中震”水準(zhǔn)相當(dāng)。

2 地震影響系數(shù)與反應(yīng)譜

中國(guó)抗震規(guī)范中，建筑結(jié)構(gòu)地震影響系數(shù)曲線分為四個(gè)階段，見圖1。

圖1 地震影響系數(shù)曲線

(1)直線上升段，周期小于0.1 s的區(qū)段，地震影響系數(shù)α：0.45αmax～η2αmax。

(2)水平段，自0.1s至特征周期Tg區(qū)段，應(yīng)取最大值 (αmax)。

(3)曲線下降段，自特征周期Tg至5倍特征周期區(qū)段，衰減指數(shù)應(yīng)取0.9，α= (TgT)γη2αmax。

(4)直線下降段，自5倍特征周期5Tg至6s區(qū)段，下降斜率調(diào)整系數(shù)應(yīng)取0.02，α=[η20.2γ－η1(T－ 5Tg)]αmax。

α為地震影響系數(shù)；αmax為地震影響系數(shù)最大值；η1為直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)；γ為衰減指數(shù)；Tg為特征周期；η2為阻尼調(diào)整系數(shù)；T為結(jié)構(gòu)自振周期。

印尼抗震規(guī)范SNI1726：2012中，水平地震作用的反應(yīng)譜見圖2，通過(guò)如公式(1)、(2)、(3)確定：

當(dāng)T＜T0時(shí)，

當(dāng)T0≤T≤TS時(shí)，

當(dāng)TS≤T時(shí)，

式中：

Fa、Fv為場(chǎng)地影響系數(shù)；SS為地震作用區(qū)劃圖MCER短周期地震反應(yīng)譜加速度參數(shù)，由印尼規(guī)范SNI1726：2012附錄圖9查得；S1為地震作用區(qū)劃圖MCER周期為1S時(shí)地震反應(yīng)譜加速度參數(shù)，由印尼規(guī)范SNI1726：2012附錄圖10查得；SMS為短周期最大地震反應(yīng)譜加速度設(shè)計(jì)值；SM1為周期為1S時(shí)的最大地震反應(yīng)譜加速度設(shè)計(jì)值；SDS為短周期地震反應(yīng)譜加速度設(shè)計(jì)值；SD1為周期為1S時(shí)的地震反應(yīng)譜加速度設(shè)計(jì)值；其中，場(chǎng)地影響系數(shù)系數(shù)根據(jù)不同場(chǎng)地類別通過(guò)表2、表3確定。

圖2 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線

表2 場(chǎng)地影響系數(shù)Fa

表3 場(chǎng)地影響系數(shù)Fv

3 地震基底剪力

中國(guó)抗震規(guī)范中，使用底部剪力法計(jì)算結(jié)構(gòu)水平地震作用的公式如下：

式中：FEK為結(jié)構(gòu)水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；α為結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)；Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載；

在印尼抗震規(guī)范SNI1726：2012中，采用底部剪力法時(shí)，公式如下：

式中：V為結(jié)構(gòu)水平地震作用基底剪力；CS為地震反應(yīng)系數(shù)；W為有效地震質(zhì)量；

通過(guò)上述公式對(duì)比，可以看出中印兩國(guó)水平地震基底剪力法的計(jì)算公式基本一致，印尼抗震規(guī)范中的地震反應(yīng)系數(shù)CS對(duì)應(yīng)中國(guó)規(guī)范的水平地震影響系數(shù)α，印尼抗震規(guī)范SNI1726：2012中，地震反應(yīng)系數(shù)CS的計(jì)算公式(6)。

且地震反應(yīng)系數(shù)CS應(yīng)滿足公式(7)。

當(dāng)S1≥0.6時(shí)，地震反應(yīng)系數(shù)CS不僅應(yīng)滿足公式(6)、(7)，還應(yīng)滿足公式(8)。

將公式(6)、(7)、(8)代入公式(5)，整理得公式(9)：

對(duì)比公式(5)和(9)，可得：

式中：R為結(jié)構(gòu)抗震延性系數(shù)；特殊中心支撐鋼框架R=6.0；混凝土特殊抗彎框架R=8.0，混凝土中等抗彎框架R=5.0；Ie為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對(duì)工業(yè)建筑，依據(jù)規(guī)范的SNI 1726：2012中第4.1.2節(jié)，Ie取值為1.0。

綜上，按以上分析取值，并帶入公式(10)進(jìn)行計(jì)算即可繪制出對(duì)應(yīng)印尼規(guī)范SNI1726：2012的地震反應(yīng)譜曲線，該反應(yīng)譜曲線與我國(guó)的“小震”水準(zhǔn)相當(dāng)。

4 實(shí)例分析

在中國(guó)與印尼抗震規(guī)范SNI1726：2012中，基于基底剪力法可以分別繪制出兩國(guó)各自的地震反應(yīng)譜曲線，從而進(jìn)行直觀對(duì)比，確定兩國(guó)反應(yīng)譜曲線的“包絡(luò)”關(guān)系。

4.1 “小震”設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線包絡(luò)關(guān)系

例：某工程位于印尼北Maluku省Halmahera群島的OBI島西部，場(chǎng)地類別為SB巖石類場(chǎng)地(Rock)，F(xiàn)a可取1.0；結(jié)構(gòu)形式為中心支撐鋼框架，R可取6.0；根據(jù)地震作用區(qū)圖MCER附錄圖9可分別取SS=1.2和SS=1.5；地震作用區(qū)劃圖MCER附錄圖10取S1=0.5。根據(jù)公式(10)可繪制出“小震”時(shí)相應(yīng)地震反應(yīng)譜曲線見圖3。

根據(jù)本工程的地質(zhì)條件，需在中國(guó)抗震規(guī)范中選擇相應(yīng)地震參數(shù)，從而繪制地震反應(yīng)曲線來(lái)進(jìn)行對(duì)比。印尼規(guī)范中對(duì)于SB類場(chǎng)地，其剪切波速大于等于750 m/s小于等于1500 m/s，對(duì)應(yīng)中國(guó)規(guī)范中的軟質(zhì)巖石(剪切波速大于等于500 m/s小于等于800 m/s)基本吻合，因此按中國(guó)規(guī)范劃分為I1類場(chǎng)地，第一組，根據(jù)GB50011－2010第5.1.4章節(jié)得特征周期Tg=0.25 s，選取“小震”時(shí)的水平地震影響系數(shù)最大值αmax代入上述圖1所述曲線，則可繪制出中國(guó)地震反應(yīng)譜曲線見圖4。

圖3 印尼規(guī)范SNI1726:2012“小震”地震反應(yīng)譜曲線(SB類場(chǎng)地，R=6.0)

圖4 某工程中國(guó)規(guī)范“小震”地震反應(yīng)譜曲線

綜上，將印尼與中國(guó)的地震反應(yīng)譜曲線放入同一坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)比，見圖5，可確定出中國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜曲線能“包絡(luò)”對(duì)應(yīng)的印尼規(guī)范反應(yīng)譜曲線，因此可按國(guó)內(nèi)軟件執(zhí)行國(guó)內(nèi)規(guī)范來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

圖5 某工程中國(guó)與印尼規(guī)范“小震”地震反應(yīng)譜曲線對(duì)比

4.2 “中震”設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線包絡(luò)關(guān)系

基于上述實(shí)例，根據(jù)公式(1)～(8)，考慮“設(shè)計(jì)地震”加速度為“最大考慮地震”的2/3，可繪制出相應(yīng)于“中震”時(shí)印尼地震反應(yīng)譜曲線，見圖6。

圖6 印尼規(guī)范SNI1726:2012“中震”地震反應(yīng)譜曲線(SB類場(chǎng)地)

根據(jù)SNI1726：2012，印尼抗震規(guī)范所述的地震動(dòng)峰值加速度時(shí)指SB類場(chǎng)地條件下的地表動(dòng)峰值加速度；根據(jù)GB18306－2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，中國(guó)規(guī)范所述的地震動(dòng)峰值加速度時(shí)指Ⅱ類場(chǎng)地條件下的基本地面動(dòng)峰值加速度；當(dāng)T=0時(shí)，地震反應(yīng)譜曲線的起始點(diǎn)為地面的動(dòng)峰值加速度；由圖6可以看出，在印尼SS=1.2區(qū)域，地面的動(dòng)峰值加速度為0.32 g，相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的8度(0.3 g)；在印尼SS=1.5區(qū)域，地面的動(dòng)峰值加速度為0.4 g，相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的9度(0.4 g)；

按中國(guó)規(guī)范Ⅱ類類場(chǎng)地，第一組，根據(jù)GB 50011－2010第5.1.4章節(jié)得特征周期Tg=0.35 s，選取“中震”時(shí)的水平地震影響系數(shù)最大值αmax代入上述圖1所述曲線，則可繪制出中國(guó)規(guī)范“中震”地震反應(yīng)譜曲線見圖7。

圖7 中國(guó)規(guī)范“中震”地震反應(yīng)譜曲線

綜上，將印尼與中國(guó)的地震反應(yīng)譜曲線放入同一坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)比，見圖8，可確定出印尼規(guī)范反應(yīng)譜曲線能“包絡(luò)”對(duì)應(yīng)的中國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜曲線，因此可按印尼規(guī)范采取抗震構(gòu)造措施滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。在印尼SS=1.2區(qū)域，采取相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的8度(0.3 g)區(qū)的抗震構(gòu)造措施；在印尼SS=1.5區(qū)域，采取相當(dāng)于中國(guó)規(guī)范的9度(0.4 g)區(qū)的抗震構(gòu)造措施。

圖8 中國(guó)與印尼規(guī)范“中震”地震反應(yīng)譜曲線對(duì)比

4.3 “大震”設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線包絡(luò)關(guān)系

基于上述實(shí)例，根據(jù)公式(1)～(5)，按照 “最大考慮地震”，可繪制出相應(yīng)于“大震”時(shí)印尼地震反應(yīng)譜曲線見圖9。

圖9 印尼規(guī)范SNI1726:2012“大震”地震反應(yīng)譜曲線(SB類場(chǎng)地)

根據(jù)實(shí)例工程的地質(zhì)條件，需在中國(guó)抗震規(guī)范中選擇相應(yīng)地震參數(shù)，從而繪制地震反應(yīng)譜曲線來(lái)進(jìn)行對(duì)比。按中國(guó)規(guī)范劃分為I1類場(chǎng)地，第一組，根據(jù)GB50011－2010第5.1.4章節(jié)得特征周期Tg=0.25 s，計(jì)算大震時(shí)，特征周期應(yīng)增加0.05 s，選取“大震”時(shí)的水平地震影響系數(shù)最大值αmax代入上述圖1所述曲線，則可繪制出中國(guó)地震反應(yīng)譜曲線見圖10。

圖10 中國(guó)規(guī)范“大震”地震反應(yīng)譜曲線

綜上，將印尼與中國(guó)的地震反應(yīng)譜曲線放入同一坐標(biāo)系進(jìn)行對(duì)比，見圖11，可確定出印尼規(guī)范反應(yīng)譜曲線能“包絡(luò)”對(duì)應(yīng)的中國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜曲線，因此在進(jìn)行非線性靜力分析時(shí)可按印尼規(guī)范在中國(guó)軟件里采用自定義設(shè)計(jì)反應(yīng)譜來(lái)計(jì)算側(cè)向荷載分布；在進(jìn)行非線性動(dòng)力分析時(shí)，可根據(jù)印尼規(guī)范震反應(yīng)譜曲線的起始點(diǎn)確定時(shí)程分析所用地震加速度的最大值。

圖11 中國(guó)與印尼規(guī)范“大震”地震反應(yīng)譜曲線對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中國(guó)與印尼抗震規(guī)范中相關(guān)地震參數(shù)的對(duì)比，結(jié)合基底剪力法加以計(jì)算，分析得出兩國(guó)地震影響系數(shù)的等同關(guān)系，同時(shí)繪制出兩國(guó)的地震反應(yīng)譜曲線，確定兩國(guó)規(guī)范“三水準(zhǔn)“地震反應(yīng)譜的“包絡(luò)”關(guān)系，為以后印尼抗震規(guī)范體系下的國(guó)際工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2] GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．