工程抗震设防标准和设计地震动

1、,根据场地与断层的相对位置，方向性效应可以分为向前效应（forward）、向后效应（reverse）和中性效应（neutral），如果断层的破裂方向朝向场地或破裂方向与震源（hypocenter）和场地连线的夹角较小的话，场地的效应称为向前方向性效应；如果断层的破裂方向背离场地或破裂方向与震源和场地连线的夹角较小的话，称为向后方向性效应；如果场地与震源的连线几乎垂直于断层的破裂方向，称为中性效应。通常所说的“方向性效应”是指向前方向性效应，因为向前方向性效应产生的地震动对工程结构来说更为不利。,断层破裂所产生的能量波在传播介质中以几乎等于介质剪切波速的速度向场地传播，使得断层产生的能量以非常短

2、的时间到达场地. 在场地的地震动中将产生一个大的速度脉冲(velocity pulse)，从图中可以看到来自每个子断层的地震动能量几乎同时到达场地A时，在场地A产生一个相对短持时、高幅值的地震动，而来自每个子断层的地震动能量在相对较长的时间到达场地B，从而在场地B产生一个相对持时较长、幅值较低的地震动。,工程抗震设防标准和设计地震动,翟长海 博士 哈尔滨工业大学土木工程学院 Email：zch- Tel: 86282027,中华人民共和国防震减灾法 (1997年12月29日第八届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过),抗震减灾工作应依法进行,第十七条 新建、扩建、改建建设工程，必须达到

3、抗震设防要求。 (为什么要进行抗震设防？) 第十九条 建设工程必须按照抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设计，并按照抗震设计进行施工。,抗震设计的目的和目标,抗震设计的目的 工程结构抗震设计的目的是：减轻结构的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，同时使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行。,抗震设计的目标,由于地震动的随机性是很大的，要使得所设计的结构在遭受将来可能发生的地震时绝对不破坏是不现实和不经济的。换句话说，结构抗震设计不能追求绝对的安全性，而需要从现在的经济条件出发，使设计的结构在未来地震作用下发生破坏的概率为社会所接受，同时为当前的经济条件所允许。 合理的抗震设计应满足经济和安

4、全之间的合理平衡，这也是抗震设计的目标。这一目标可以表示为使总效益E最大的形式 E受益投资可能的损失最大,抗震设计的目标,受益包括所考虑的工程建成后的直接和间接收获；投资包括兴建此工程的资金及工程建成后的维护资金； 损失包括人身伤亡、物质财产的直接损失以及连锁反应造成的间接损失、以及政治、社会、经济影响等。 若不考虑非结构损失，则上式可近似改为： 结构抗震总费用工程造价修复费最小 用概率方法进行分析,建筑抗震设防目标与标准,抗震设防的概念 抗震设防的重要性 设防依据 设防目标及其实现 建筑类别与设防标准,抗 震 设 防（ seismic fortification ）,对建筑物进行抗震设计并采

5、取抗震措施,国内外大量震害证明，进行科学合理的抗震设防是当今减轻地震灾害的最直接、有效的途径 （虽然有隔震、控制等措施）,抗震设防的重要性,事例1 1976年7月26日在我国一个拥有150万人口的唐山市，遭遇7.8级地震的袭击，顷刻间整座城市化为一片片瓦砾，人员死亡高达近25万人，经济损失超百亿元； 1985年一个拥有100余万人口的智利瓦尔帕莱索市虽遭受了同样7、8级地震的袭击，人员死亡却只有150人，而且不到一周时间，整个城市就恢复原样。 同样大小的地震，城市人口也差不多相同，却产生了如此不同的后果，只是因为瓦尔帕莱索市的建筑物和设施曾进行了有效抗震设防。,抗震设防的重要性,事例2 日本东

6、京是国际著名大城市，历史上曾发生过8级以上大地震。日本政府以及各界一向对此十分关心和重视，长期以来一直致力于将东京建成一个能抗御8级大地震的城市；1986年一次6.2级地震发生在东京城底下，一座上千万人口的城市仅死亡2人，整个城市几乎未遭到破坏； 可是一向认为没有发生大地震危险的日本第二大港神户市对工程抗震设防就不那么重视：在1995年1月17日的一次6.9级的地震中，导致了近十万栋房屋毁坏5500人死亡和约1000亿美元的经济损失。,抗震设防的重要性,事例3 1988年12月7日前苏联的阿美尼亚共和园发生一次6.8级地震，位于震中的斯皮塔克城全城变成废墟，距震中40公里的列宁纳坎市约有80建

7、筑物毁坏。更远的基洛伐克市也有将近50的建筑物严重破坏或倒场，地震死亡人数达45万人。该地区历史上曾发生过数次6-7级大地震，但前苏联政府，鉴于城市居住建筑严重短缺，又缺乏资金，便在70年代初期对大量新建的多层房屋建筑降低设防标准一律从9度降低7度，而恰恰正是这些房屋建筑在该次地震中大量倒塌，造成了众多的人员伤亡。,设防依据抗震设防烈度,定义：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度（seismic fortification intensity） 确定：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定 一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度度（或设计地震基本加速度值

8、）双轨制 对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划（抗震设防烈度或设计地震动参数）进行抗震设防 设防范围 ：6-9度,back,抗震设防标准,概念： seismic fortification criterion 衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设防烈度和建筑使用功能的重要性确定。,怎么确定？,地震极强的随机性决定了地震的发生和特性都不能精确的给出，必须以概率为基础进行预测，给出今后若干年内不同强度地震发生可能性，使用寿命期内对不同频度和强度的地震，要求结构具有不同的抵抗能力 。 三水准：“小震”“中震”“大震”,抗震设防标准的标定,建筑抗震规范提出了三个烈度水准的抗震设防要求。 三个烈

9、度水准是依据对我国华北、西北、西南三个地区45个城镇的地震危险性分析结果，运用概率的方法对 “小震”、“中震”与“大震”的概率意义和取值进行了分析并给出了相应的结果。,三水准地震作用的标定步骤（1）,（1）对华北、西北、西南三个地区的潜在震源、各震源的地震活动性、地震传播过程的衰减规律分析的基础上给出了45个城镇的地震危险性分析结果，确定我国地震烈度符合极值III型分布。 （2）通过45个城镇不同超越概率所对应的烈度与该城镇的基本烈度相比较，计算了比较差的平均值与标准差。从计算结果来看，在设计基准期50年内超越概率为13的地震烈度与基本烈度相比较的总体标准差最小。但当超越概率在0.090.16

10、范围内变化时，与基本烈度的标准差变化不大。因此，从工程实际来考虑，可以粗略的认为基本烈度相当于50年内超越概率为l0的烈度。,三水准地震作用的标定步骤（2）,（3）从概率意义上讲，“小震”就是多遇的地震，出于我国地震烈度的概率分布符合极值III型，极值分布的众值为其概率密度函数上的峰点，在极值分布中此值为众值，所以我们称此地震烈度为众值烈度。从地震烈度的重现期来看，在设计基准限期50年的众值烈度的超越核率为63.2： （4）地震的发生无论在时间、地点、强度方面都是随机的，已往发生概率小于5的强烈地震作用己多次给人们的生命财产造成了严重灾害。因此，其概率水平应在50年内的超越概率小于5。根据计算

11、结果，从既安全又经济的抗震效果，建议“大震“定义为，在50年内超越概率为32。,三水准地震作用的标定步骤（3）,（5）分别计算这45个城镇在50年内超越概率为10的地震烈度与众值烈度（在50年内超越概率为63.2的地震烈度）之差，并从这45个城镇的总体上计算出其差值的平均值1.55，这样也可以认为基本烈度与众值烈度差的平均值为1.55度。罕遇地震对应的烈度比基本烈度大约大1度左右。 根据烈度与地震地面峰值加速度的关系，可得到比基本烈度降低1.55度的众值烈度所对应的地面峰值加速度的折减系数为0.34。当然也可以知道罕遇地震对应的地面峰值加速度比基本烈度对应的峰值加速度大46倍。,三水准地震作用

12、的标定,一般关系 烈度：Im=I0-1.55, Is=I0+1 加速度：PGAm=PGA0*1/3； PGAs=PGAm*(4-6),讨论“三水准及其对应的峰值加速度的折减”？,设防目标及其实现,设防目标,实现方法：两阶段设计,两阶段设计法,说明：第二水准的设防要求，是通过概念设计和构造措施来满足的，对大多数结构可只进行第一阶段设计；只有对抗震现范所规定的部分结构，如有特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，才进行第三阶段的抗震验算,第一阶段设计：按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形：以满足第一水准抗震设防目标

13、的要求： 第二阶段设计：在大震作用下验算结构的弹弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防的要求。,我国抗震设防的依据是“小震”、“中震”、“大震”？,建筑类别与设防标准,规范2001根据建筑使用功能重要性，分为： 甲类属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次 生灾害的建筑 乙类属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复 功能的建筑 丙类属于甲、乙、丁类以外的建筑 丁类属于抗震次要建筑,策略：不调整地震力，只是从抗震措施或抗震构造措施上考虑建筑的重要性类别,建筑类别与设防标准,甲类建筑地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为68度时，应符合本地

14、区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。 乙类建筑地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下。当抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时应符合比9度抗震设防更高的要求。 丙类建筑地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。 丁类建筑一般情况下地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈低的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。,讨论：“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计原则,小震不坏、中震可修、大震不倒这样的安全要求是当前国际常用的标准。按此标准选定设计地震

15、动的大小，以求得安全与经济的平衡，在原则上十分合理，但难以定量分析导出其数值，主要困难在于各使用阶段的经济损失难以计算。为此，人们大多用经验性的方法来决定小、中、大震的超越概率的取值。真正的、定量的安全与经济的综合分析，目前尚未见应用于抗震设计规范的具体分析中。,制定结构的抗震设防表示是一个非常复杂的问题，牵扯到地震工程学、社会学、经济学等各个学科，很多学者正在研究（谢礼立院士的工作，如基于性态的抗震设防标准、可接受死亡率、最优设防烈度等）？,建筑工程抗震性态设计通则,设计地震动参数,工程的抗震设计分析需要以给定的设计地震动参数为依据。 工程对设计地震动参数的要求，一方面与工程的重要性有关、另

16、一方面又要考虑工程的特性。,设计地震动参数,从繁简程度分，设计地震动参数从简单到详细的排序是： （1）地震烈度，由此换算地震动峰值加速度； （2）峰值加速度a或地震系数k和标准反应谱或标准放大系数谱，标准谱一般不考虑地震环境，但可以近似地考虑场地工程地质条件的影响； （3）地震动峰值加速度a和峰值速度v，或等效峰值加速度EPA和等效峰值速度EPV，或其“等效对”，地震系数k和反应谱特征周期或拐点周期Tg2v/a或2EPV/EPA 。这几对值(a和v；EPA和EPV；k和Tg)都可以初步近似地表示随地震环境和场地工程地质条件而变的反应谱，即场地地震相关反应谱；,设计地震动参数,从繁简程度分，设计

17、地震动参数从简单到详细的排序是： （1）地震烈度，由此换算地震动峰值加速度； （2）峰值加速度a或地震系数k和标准反应谱或标准放大系数谱，标准谱一般不考虑地震环境，但可以近似地考虑场地工程地质条件的影响； （3）地震动峰值加速度a和峰值速度v，或等效峰值加速度EPA和等效峰值速度EPV，或其“等效对”，地震系数k和反应谱特征周期或拐点周期Tg2v/a或2EPV/EPA 。这几对值(a和v；EPA和EPV；k和Tg)都可以初步近似地表示随地震环境和场地工程地质条件而变的反应谱，即场地地震相关反应谱；,设计地震动参数,（4）地震动峰值加速度a、峰值速度v和峰值位移d，或它们的等效值，这一组参数可以较好地近似表示反应谱，特别是在长周期部分； （5）上述参数再加上地震动持时或强度包络函数f(t)， （6）地震动加速度过程a(t)； （7）在特殊情况下、还要求近距离（几十至几百米）内的地震差动和地震动的相关性，三个相互垂直分量的地震动加速度过程，还可以包括绕这三个轴的转动。 后面这几项目前还没有公认的成熟的估计方法。,谢谢！,The End,几个概念,基本烈度basic intensity：一个地区今后50年期限内，在一般场地上可能遭遇的超越概率为10的地震烈度； 设计地震动