抗震设防标准与结构抗震安全性

抗震设防标准与结构抗震安全性高小旺王菁肖伟孟钢王巍周晓夫（中国建筑科学研究院）提要

工程结构采用的抗震设防标准对于其安全水平是至关重要的。本文采用投入－效益的工程决策分析方法，对不同重要性建筑的抗震设防标准进行了探讨，对《建筑抗震设防分类标准》GB50223－95中的乙类建筑是否较丙类建筑提高和降低地震作用进行抗震截面验算等作了工程投入和地震损失分析，提出了不同重要性的建筑抗震设防的最佳标准。关键词工程决策重要建筑设防标准1、前言

工程结构抗震的安全性与抗震设防标准、结构的抗震设计和施工等诸多因素有关。在这其中，抗震设防标准的确定是非常关键的。从一定意义上讲，抗震设防标准决定着工程结构抗震安全水平。抗震设防标准既包括一个城市的设防烈度或地震动参数，又包括不同重要性工程因其使用功能的重要性而应采用不同的设防标准。围绕较正确地确定抗震设防标准，国内外学者进行了一系列的研究，适应地震作用随机性的特点，采用概率方法确定抗震设防标准是较为合适的。采用投入－效益的工程决策分析方法，对城市抗震设防标准的若干问题进行了分析。

建筑重要性分类：甲类建筑——特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果的建筑等；乙类建筑——国家重点抗震城市的生命线工程的建筑，主要指使用功能不能中断或需要尽快恢复的建筑；丙类建筑——地震破坏后有一般影响及其它不属于甲、乙、丁类的建筑；丁类建筑——次要的建筑，如遇地震破坏不易造成人员伤亡和较大损失的建筑。对乙类建筑中的第1类和第2类是否仅提高一度采取抗震构造措施，以及对于丁类建筑降低一度采取抗震构造措施，是否为最优的抗震设防标准，尚需进一步探讨。2、

工程抗震设防标准决策分析方法概要确定合理的抗震设防标准，必须建立在对一个城市或地区的地震危险性和对不同烈度地震作用下造成损失(包括直接损失和间接损失以及人员伤亡等)的科学分析基础上。采用抗震设防—效益分析方法来确定工程抗震设防标准，需要建立目标函数，使之取极值求得最佳决策。目标函数可为期望的总损失，则极值为最小；也可为效益，则极值为最大。抗震设防标准的最佳取值，可为按某一设防烈度建造房屋和工程的投入与50年内该城市或地区在各种不同烈度地震作用下的期望损失之和W(I)为最小来确定.可用下列公式表示:W(I)→min(2)式中R(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度的工程投入；

P(i)——该城市或地区I烈度的出现概率；

S1(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度时，不同地震烈度作用下的直接损失(主要包括工程结构和结构内部财产的损失)；S2(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度时，不同地震烈度作用下的间接损失(包括停水、停电、火灾和停产的损失)；S3(I)——该城市或地区以I烈度作为设防烈度时，不同地震烈度作用下的人员伤亡损失。其分析方法可概括为图1所示的框图。

某城市的地震危险性分析结果工程结构宜损性模型以某一地震烈度作为抗震设防烈度的工程造价不同强度地震作用下该市地面破坏效应和对工程结构的影响不同地震烈度作用下，按某一地震烈度作为设防标准时工程结构的不同破坏状态的概率某一地震烈度作为设防标准时，工程结构破坏的直接损失、间接损失和人员伤亡根据该城市50年不同地震烈度的出现概率和某一地震烈度作为设防标准时，各烈度地震作用的损失，综合得到期望损失对各地震烈度作为设防烈度的工程造价与期望损失之和进行比较，取极小值对应的地震烈度作为城市的设防标准图1工程抗震设防标准决策分析框图3、地震损失分析

地震作用下造成的损失，可分为直接经济损失、间接经济损失和远期损失以及人员伤亡等。这些损失和人员伤亡都与工程结构的破坏状态有关。因此，讨论地震损失中一个重要的工作就是对工程结构在不同地震作用下的易损性分析，通常我们称为震害预测。3.1地地震作作用下下工程程结构构的震震害预预测方方法基于可可靠度度理论论的震震害预预测方方法，，对采采取不不同配配筋率率、轴轴压比比和体体积配配箍率率的钢钢筋混混凝土土构件件的屈屈服、、极限限变形形进行行了分分析，，在构构件配配箍率率和轴轴压比比相同同的条条件下下，体体积配配箍率率的增增加对对极限限位移移影响响比较较大，，对屈屈服位位移影影响不不大，，其规规律是是随着着体积积配箍箍率的的增加加，构构件的的极限限变形形能力力增强强。我我们在在乙类类建筑筑的震震害预预测中中引入入了这这方面面的分分析结结果。。3.2建筑筑物物内内物物资资损损失失分分析析地震震作作用用下下的的建建筑筑物物破破坏坏将将导导致致建建筑筑物物内内的的物物资资破破坏坏，，特特别别是是工工业业厂厂房房的的破破坏坏将将导导致致对对厂厂房房中中设设备备的的破破坏坏。。因因此此，，在在分分析析工工程程结结构构的的损损失失中中，，应应对对建建筑筑物物内内的的物物资资损损失失进进行行分分析析。。这里要说说明的是是，工业业厂房内内的设备备破坏是是由二个个方面引引起的：：一是由由于在地地震作用用下设备备地脚螺螺栓抗剪剪强度不不足和浮浮放设备备倾覆引引起的破破坏，也也就是设设备本身身在地震震作用下下的破坏坏；二是是由于厂厂房严重重破坏或或倒塌砸砸坏设备备产生的的。厂房房内的物物资损失失主要是是指后者者。根据对震震害资料料的分析析，文献献[７]建议的建建筑物内内物资损损失与物物资价值值的比值值列于表表1。表1建建筑内内物资损损失与物物资价值值比破坏状态基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌民用建筑工业建筑0.00.00.00.00.00.020.250.350.950.903.3地地震间间接损失失的分析析地震的损失除除了工程结构构的破坏、基基础设施的失失效、建筑物物内物资和设设备的破坏、、次生灾害引引起的构筑物物和建筑物等等破坏以及人人员伤亡外，，还有由地震震破坏造成的的停产或减产产。特别是原原材料工业部部门和能源供供应部门的停停产或减产，，会使依赖于于这些能源和和原材料加工工的工业部门门的生产引起起一系列的连连锁反应。这这种影响往往往不仅限于地地震区，而且且还波及到其其邻近的地区区。比如，发发电厂主厂房房的严重破坏坏，会使依靠靠电力作为能能源的工厂停停产或部分停停产。对于乙类建筑筑，其间接损损失较丙类建建筑要严重得得多，这主要要是乙类建筑筑的使用功能能一旦中断，，将对国民经经济产生重大大损失。特别别是乙类建筑筑中的调度信信号楼、网控控楼、铁路行行车调度楼、、航管楼等的的严重破坏，，将导致停电电、铁路与航航空运输中断断，其间接损损失是非常巨巨大的。建议议乙类建筑的的间接损失与与各种不同破破坏状态下的的直接损失的的关系采用表表2所列的倍倍数ηc。关于丁类建筑筑的间接损失失，由于储存存物品价值低低，其间接损损失较丙类建建筑要小，建建议丁类建筑筑的间接损失失与各种不同同破坏状态下下的直接损失失的关系采用用表2中丁类类建筑的ηc值。表2间接损损失与各种不不同破坏状态态下直接损失失的倍数ηc破坏状态基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌乙类建筑丁类建筑0.00.00.00.00.5～1.00.023.0～6.01.08.02～0.02.0注：①乙类建建筑为中等破破坏且有精密密设备时，ηc1.0；；②乙类建筑为严严重破坏后倒倒塌破坏状态态时，影响范范围大的取ηc的较大值。4、建筑抗震震设防标准分分析下面仅对《建建筑抗震设防防分类标准》》中的乙类和和丁类建筑进进行抗震设防防标准的分析析。4.1不不同设防防城市50年年内各地震烈烈度的发生概概率在乙类和丁类类建筑抗震设设防标准的决决策分析中，，要给出各烈烈度在50年年内发生的概概率，才能分分析损失的期期望值。在我我们运用一些些城市的地震震危险性分析析结果中，有有一些城市的的地震危险性性分析结果中中，有一些给给出烈度超过过5度、5.5度、6度度和6.5度度…的概率。。作为对一些些城市的决策策分析，我们们取5.5～～6.49度度为6度，6.5～7.49为7度度，7.5～～8.49为为8度，8.5～8.49为9度，，9.5～10.49为为10度，大大于10.5为11度。。根据上述原原则，所进行行的设防烈度度为6～9度度的四个典型型城市，在50年内发生生6～11度度地震的概率率列于表3。。表36～7度度设防典型城城市50年内内发生各种地地震烈度的概概率序号50超越概率10%6度7度8度9度10度11度12346.207.008.009.000.20930.39970.33420.06060.05250.16710.40700.328140.007720.03730.16260.394980.005460.0045960.036690.176610.0000110.000220.005340.036090.00.000060.00080.00804.2破破坏概率分析析对乙类建筑，，主要指钢筋筋混凝土结构构类型，包括括钢筋混凝土土框架，高层层钢筋混凝土土结构和单层层钢筋混凝土土柱厂房等。。该类建筑提提高一度采取取抗震构造措措施以及构件件强剪弱弯、、强柱弱梁、、强节点和柱柱轴压比的调调整等，能够够较大的提高高构件的极限限变形能力。。对于乙类建建筑中的第1类调度信号号系统房屋，，若提高构件件的承载能力力，在地震作作用下延缓了了结构进入屈屈服的时间，，在一定强度度地震作用下下的结构变形形将会减少，，再加上又提提高一度采取取抗震构造措措施，该结构构发生中等以以上破坏的概概率将会减少少较多。表4列出了7度度区某城市46幢钢筋混混凝土框架结结构样本，按按丙类建筑设设计、按提高高一度采取构构造措施及将将地震作用增增大1.5倍倍并提高一度度采取构造措措施等三种情情况下，在7、8、9度度时不同破坏坏状态下的震震害。表47度度区某城市46幢钢筋混混凝土框架结结构样本采构构造措施后的的震害预测测结果抗震构造措施烈度基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌按丙类建筑设计7890.885260.437980.038800.105420.408760.245380.008730.126910.355080.000580.025990.325920.00.000370.03482提高一度采取抗震构造措施7890.885260.437980.038800.105420.408760.245380.00900250.1399050.456090.0002950.0137350.241210.00.00130.01852增大1.5倍的地震作用，并提高一度采取抗震构造措施7890.943960.665410.125060.052950.279130.393590.002950.049250.316730.000140.00620.16230.00.000010.00338同样我们也可可以分析丁类类建筑的单层层砖柱厂房按按降低一度采采取抗震构造造措施和降低低为0.75的承载能力力及同时降低低一度采取抗抗震构造措施施的震害预测测结果。4.3造造价分析对于乙类建筑筑不仅提高一一度采取构造造措施，而且且对于信号调调度楼还应提提高地震作用用进行结构构构件的承载能能力验算；对对于丁类建筑筑不仅降低一一度采取构造造措施，而且且还可以降低低地震作用进进行构件承载载力验算。提高地震作用用和同时提高高一度采取构构造措施的乙乙类建筑的工工程造价，比比仅提高一度度采取构造措措施的要增加加，其增加的的比例可按表表5给出的范范围取值。仅仅提高一度采采取构造措施施时，取下限限值，同时提提高一度地震震作用时取上上限值，其它它内插。对于丁类建筑筑降低地震作作用和同时降降低一度采取取构造措施，，不同设防烈烈度的工程造造价较不设防防的增加值列列于表6。若若仅降低一度度采取构造措措施时取表6中的上限值值，同时降低低一度地震作作用时取下限限值，其它内内插。表5乙类类建筑同时提提高地震作用用和提高一度度采取构造措措施比不设防防时工程造价价的增加比例例（%）表6丁类类建筑同时降降低地震作用用和降低一度度采取构造措措施比不设防防时工程造价价的增加比例例（%）房屋类型6789多层与高层钢筋混凝土房屋单层钢筋混凝土柱厂房3.0～5.03.0～4.56.5～10.06.0～9.013.0～20.012.0～18.024.0～35.020.0～30.0房屋类型6789单层砖柱厂房2.02.0～2.83.5～5.08.0～11.04.4抗抗震设设防标准的分分析结果在进行工程决决策分析中，，我们采用归归一化的方法法，即以乙类类建筑提高一一度采取构造造措施抗震设设防的投入与与期望损失之之和为标准W1，与按丙类建筑筑设防的投入入与期望损失失之和W2及按提高承载载能力(按1.5倍地震震作用进行构构件承载力验验算)和同时时提高一度采采取构造措施施抗震设防的的投入与期望望损失之和W3相比较，其最最小值为乙类类建筑的最优优设防标准。。对6～9度度四个典型设设防烈度的分分析结果列于于表7。表7乙乙类建建筑三种不同同设防要求的的分析结果比比较50年超越概率10％的烈度W1/W1W2/W1W3/W167891.01.01.01.01.0981.0891.2031.0970.8950.9420.8070.910从表7可以看看出，对于乙乙类建筑的第第1类如指挥挥调度楼，从从发挥其正常常运行的功能能来说，构件件承载力验算算中按1.5倍地震作用用有助于减轻轻地震灾害；；对于乙类建建筑的第2类类如大中城市市的三级医院院的住院部、、医技楼、门门诊部和大型型影剧院等，，可仅提高一一度采取构造造措施；对于于乙类建筑的的第3类如工工厂变电站等等，可采取抗抗震性能好、、经济合理的的结构体系，，并按本地区区的抗震设防防烈度采取抗抗震措施。乙类建筑中第第1类的重要要性系数可采采用1.5，，并且仅乘在在地震作用效效应上，而不不是统乘在所所有的荷载效效应上。这与与文献[2]采用概率方方法，对45个城市进行行地震危险性性分析给出的的平均100年一遇地震震峰值加速度度的1.45倍大体一致致。也就是说说，乙类建筑筑中第1类的的地震作用取取值为平均100年一遇遇的地震。对于丁类建筑筑采用同样的的方法进行分分析，以降低低一度采取构构造措施的投投入与期望损损失之和为标标准的W1，与按降低构件件承载力(系系数采用0.75)并同同时降低一度度采取构造措措施的投入与与期望损失之之和W2相比较，结果果可以看出，，对于抗震设设防为7、8、9度区的的丁类建筑，，可采用该类类建筑地震作作用的0.75倍进行截截面抗震验算算并降低一度度采取构造措措施；对于6度则不再降降低。文献[2]运用概概率方法分析析指出，0.75倍的地地震作用为平平均30年一一遇的地震作作用与平均50年一遇的的地震作用的的比值。也就就是说，丁类类建筑可采用用平均30年年一遇的地震震作用进行结结构构件截面面设计，0.75系数也也同样是仅乘乘在地震作用用效应上。5、结束语语本文采用工工程决策分分析方法，，对不同重重要性建筑筑的抗震设设防标准进进行了探讨讨，给出了了不同重要要性建筑抗抗震设防的的最佳标准准。笔者认认为，对于于一个大型型的单体公公共建筑和和一个具体体的重要性性建筑，也也可应用工工程决策的的分析方法法，确定其其最优的设设防标准，，使其抗震震设防做到到既安全又又经济。参考文献1高小小旺旺、、鲍鲍霭霭斌斌，，用用概概率率方方法法确确定定抗抗震震设设防防标标准准，，建建筑筑结结构构学学报报，，1986年年2高小小旺旺、、鲍鲍霭霭斌斌，，抗抗震震设设防防标标准准及及各各类类建建筑筑物物抗抗震震设设计计中中““小小震震””与与““大大震震””的的取取值值，，地地震震工工程程与与工工程程震震动动，，1989，，9（（1））3高小小旺旺等等，，工工程程抗抗震震设设防防标标准准的的若若干干问问题题，，城城市市与与工工程程减减灾灾基基础础研研究究论论文文集集（（1995）），，中中国国建建筑筑技技术术出出版版社社，，1996年年4高小旺旺等，，用可可靠度度方法法预测测钢筋筋混凝凝土框框架房房屋的的震害害，工工程结结构可可靠性性，1988全全国第第二届届结构构可靠靠度学学术交交流会会论文文集，，19895韩扬，，供水水管网网震害害预测测方法法，北北京市市市政政研究究所研研究报报告，，19896高小旺旺、沈沈聚敏敏，钢钢筋混混凝土土框架架房屋屋极限限变形形能力力的简简化计计算方方法，，建筑筑结构构学报报，1993年年，14（（2））7刘锡荟荟、李李荷等等，地地震损损失估估计和和经济济决策策模型型，地地震工工程与与工程程振动动，1985，，5（（4））9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。13:39:3013:39:3013:3912/29/20221:39:30PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2213:39:3013:39Dec-2229-Dec-2212、故人江海别别，几度隔山山川。。13:39:3013:39:3013:39Thursday,December29,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2213:39:3013:39:30December29,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。29十二月月20221:39:30下午13:39:3012月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月221:39下下午12月-2213:39December29,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2913:39:3013:39:3029December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。1:39:30下下午1:39下下午13:39:3012月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。13:39:3013:39:3013:3912/29/20221:39:30PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2213:39:3013:39Dec-2229-Dec-2212、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。13:39:3013:39:3013:39Thursday,December29,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2213:39:3013:39:30December29,202214、意志志坚强强的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥块一一样任任意揉揉捏。。29十十二二月20221:39:30下下午13:39:3012月月-2215、楚塞三湘接接，荆门九派派通。。。十二月221:39下下午12月-2213:39December29,202216、少年年十五五二十十时，，步行行夺得得胡马