淺談新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》對北京地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

苗啟松　陳曦

淺談新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》對北京地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響

苗啟松陳曦

地震對建筑結(jié)構(gòu)的作用，影響因素眾多，如震級、震源深度、震中距、場地類別、結(jié)構(gòu)自身動力特性等。就客觀因素而言，震級、震源深度、震中距及場地類別的影響較為關(guān)鍵，在我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）中，以抗震設(shè)防烈度、設(shè)計地震分組及場地類別來表示。

2015年5月15日，新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)發(fā)布，并將于2016年6月1日起正式實施。新一代地震動參數(shù)區(qū)劃圖給出的全國設(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類場地為例（下文中以Tg1表示舊版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中場地特征周期，Tg2表示新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中場地特征周期），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個區(qū)縣，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期位于0 ～Tg1時，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，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，水平地震影響系數(shù)放大2.17% ～3.34%。

對不同場地類別下，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)計結(jié)果見表1。

苗啟松，現(xiàn)任北京市建筑設(shè)計研究院有限公司副總工程師、復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院院長，中國建筑學(xué)會抗震防災(zāi)分會常務(wù)理事、高層建筑抗震專業(yè)委員會副主任、抗震加固專業(yè)委員會委員，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，教授級高級工程師。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》等多本國家或地方規(guī)范，多項成果榮獲北京市和建設(shè)部科技進(jìn)步獎及優(yōu)秀建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計獎。

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)計咨詢、加固改造技術(shù)研究等工作。

圖1　設(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜（Ⅱ類場地，δ=5%）

圖2　地震動影響系數(shù)放大倍數(shù)（Ⅱ類場地，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)計結(jié)果可見：第一，本次地震動參數(shù)區(qū)劃調(diào)整對門頭溝、昌平、懷柔、密云四區(qū)縣的結(jié)構(gòu)設(shè)計影響較大，各周期范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)地震作用放大1/3；第二，對東城、西城等12個區(qū)縣，僅在結(jié)構(gòu)自振周期落于Tg1～5Tg2范圍內(nèi)時有較大影響，地震力放大12.8%～22.2%；第三，對于東城、西城等12個區(qū)縣中長周期結(jié)構(gòu)（T＞5Tg2）的設(shè)計，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414棟我國已建或已通過超限審查的高層建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)計分析，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，忽略高階振型對結(jié)構(gòu)地震作用計算的影響，不同場地類別下，本次地震動參數(shù)區(qū)劃調(diào)整對下述高度范圍內(nèi)建設(shè)的建筑影響較大（北京地區(qū)），詳見表3。

表3　不同場地類別下，地震動參數(shù)區(qū)劃調(diào)整的建筑高度影響范圍

此外，新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的另一大特色是，其在附錄中列出了全國各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）鄉(xiāng)鎮(zhèn)府所在地、縣級以上城市的Ⅱ類場地地震動峰值加速度和基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期。需要注意的是：北京部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道），場地地震動峰值加速度及基本地震動加速度反應(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)。

場地類別為Ⅱ類時，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《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》調(diào)整而造成設(shè)計水平地震作用變化。例如，當(dāng)場地類別為Ⅱ類時，若基本烈度由Ⅷ度調(diào)整為Ⅷ度半，設(shè)計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時最大，取值1.128（詳見表1統(tǒng)計結(jié)果），因此最大位置處，設(shè)計水平地震作用放大至1.692倍；若基本烈度不調(diào)整，設(shè)計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時最大，取值1.254，因此最大位置處，設(shè)計水平地震作用放大至1.254倍（詳見圖6統(tǒng)計結(jié)果）。

1959年，我國以蘇聯(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)計的規(guī)范草案——《地震區(qū)建筑規(guī)范草案》。1964年由中國科學(xué)院工程力學(xué)研究所（現(xiàn)中國地震局工程力學(xué)研究所）牽頭，在“1959草案”基礎(chǔ)上結(jié)合我國自己的研究成果，編制了《地震區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范（草案稿）》。1974年以《地震區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范（草案稿）》為基礎(chǔ)，增加了液化判別等要求后，正式出版了我國第一本結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范——《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（TJ 11—74）。

唐山地震后，國家基本建設(shè)委員會建筑科學(xué)研究院（現(xiàn)中國建筑科學(xué)研究院）會同相關(guān)研究單位對《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（TJ 11—74）進(jìn)行了大幅修訂，補充了對結(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)計規(guī)范》（TJ 11—78），以下簡稱“78版規(guī)范”。

圖5　設(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜（Ⅱ類場地，δ=5%）

圖6　地震動影響系數(shù)放大倍數(shù)（Ⅱ類場地，δ=5%）

1989年我國，對《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（TJ 11—78）進(jìn)行了重新修訂，同時將其更名為“建筑抗震設(shè)計規(guī)范”（GBJ 11—89），以下簡稱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)驗教訓(xùn)，我國對《建筑抗震設(shè)計規(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)計規(guī)范》（2016版抗規(guī)報審中）。

以規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜為例，78版規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜僅與場地土條件有關(guān)，阻尼比取值5%，反應(yīng)譜長周期段以1/T的規(guī)律下降。89版規(guī)范考慮了近、遠(yuǎn)震和不同場地條件下特征周期Tg，阻尼比取值5%，反應(yīng)譜長周期段以1/T0.9的規(guī)律下降。為避免地震作用太小，78版、89版規(guī)范均對長周期結(jié)構(gòu)設(shè)定了一個下限值為αmin=0.2αmax的水平段。2001版規(guī)范對89版規(guī)范的設(shè)計反應(yīng)譜做了較大的改動，采用3個設(shè)計地震分組取代近、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，為適應(yīng)高層建筑的周期要求，將設(shè)計反應(yīng)譜曲線的周期延長至6 s，并將長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)計反應(yīng)譜的基本構(gòu)架，僅對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)計規(guī)范》中設(shè)計反應(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)計反應(yīng)譜曲線，上圖中對其進(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)計規(guī)范，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于0.35～ 2.0 s區(qū)域時，2016版設(shè)計規(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)計規(guī)范，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于0.3～ 3.5 s區(qū)域時，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)計規(guī)范，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于0.3 ～3.0 s區(qū)域時，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)計規(guī)范反應(yīng)譜（Ⅱ類場地，δ=5%）

圖8　地震動影響系數(shù)放大倍數(shù)（Ⅱ類場地，δ=5%）

圖9　砌體、框架結(jié)構(gòu)實際地震作用差別（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)計的砌體結(jié)構(gòu)，實際地震作用差別如圖9所示。

同理，比較框架結(jié)構(gòu)實際地震作用差別。此處比較時，未考慮因填充墻等因素對結(jié)構(gòu)自振周期的折減，如圖10所示。

由圖9可見，78版設(shè)計規(guī)范在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，地震作用取值并不小于2016版設(shè)計規(guī)范。而對于框架結(jié)構(gòu)，地震作用取值差別較大：結(jié)構(gòu)高度小于50 m時，最大位置處，地震作用放大近80%。

對于北京地區(qū)而言，歷次抗震設(shè)計規(guī)范中對各區(qū)縣的調(diào)整并非完全一致，以Ⅱ類場地為例，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類場地、δ=5%），如圖10、圖11所示。

不考慮后續(xù)使用年限對水平地震影響系數(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①表示，門頭溝等4區(qū)縣以編號②表示，排序結(jié)果如下（由急到緩）：

（1）78版規(guī)范設(shè)計，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，所有結(jié)構(gòu)類型，區(qū)域范圍：②；

（3）2010版規(guī)范設(shè)計，所有結(jié)構(gòu)類型，區(qū)域范圍：②；

（4）89版規(guī)范設(shè)計，所有結(jié)構(gòu)類型，區(qū)域范圍：①+②；

（5）78版規(guī)范設(shè)計，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，所有結(jié)構(gòu)類型，區(qū)域范圍：①；

（7）78版規(guī)范設(shè)計，砌體結(jié)構(gòu)，區(qū)域范圍：①+②。

綜上所述，新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》及新版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》調(diào)整對北京地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計地震作用取值的影響可以歸納為以下幾個方面。

（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個區(qū)縣，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期落于Tg15Tg2范圍內(nèi)時有較大影響，不同場地類別，放大倍數(shù)不同，Ⅰ0類場地時，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類場地時，比較78版、89版、2001版及2016版抗震設(shè)計規(guī)范中設(shè)計反應(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）對比以78版、2016版規(guī)范設(shè)計的框架結(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)計規(guī)范并不小于2016版設(shè)計規(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）對北京地區(qū)不同年代設(shè)計的建筑依據(jù)2016版設(shè)計反應(yīng)譜與原設(shè)計反應(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。