楊紅衛(wèi), 張 玲, 曲 波, 鄒文龍, 馬 進(jìn), 王 彬, 張信祥

(吉林省陽(yáng)光碩苑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司，長(zhǎng)春 130022)

0 前言

我國(guó)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)自《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 11—89)[1](簡(jiǎn)稱89版《抗規(guī)》)以來(lái),一直遵循兩階段設(shè)計(jì)、三水準(zhǔn)設(shè)防的原則。兩階段即為第一階段截面承載力驗(yàn)算,第二階段彈塑性變形驗(yàn)算;三水準(zhǔn)為小震不壞、中震可修、大震不倒。

近些年隨著性能化設(shè)計(jì)的應(yīng)用發(fā)展,按中震還是小震設(shè)計(jì)的討論逐漸被關(guān)注,特別是2021年《建設(shè)工程抗震管理?xiàng)l例》[2]中提出:“對(duì)位于高烈度設(shè)防地區(qū)、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的新建學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)、應(yīng)急指揮中心、應(yīng)急避難場(chǎng)所、廣播電視等建筑,應(yīng)當(dāng)按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定采用隔震減震等技術(shù),保證發(fā)生本區(qū)域設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用的要求。”這使理清小震設(shè)計(jì)和設(shè)防地震的關(guān)系,合理確定設(shè)防烈度地震時(shí)滿足正常使用要求的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),成為當(dāng)前急需研究解決的問(wèn)題。

本文通過(guò)研究地震理論發(fā)展,分析地震力確定的基本原理,查證過(guò)往工程抗震歷史資料,解讀所謂小震的本質(zhì)意義,深入分析我國(guó)規(guī)范小震設(shè)計(jì)與設(shè)防烈度地震關(guān)系,在此基礎(chǔ)上討論如何確定設(shè)防烈度地震時(shí)能夠滿足正常使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 地震力理論

所謂地震力,物理意義上是地震時(shí)建筑物自身的慣性力,在設(shè)計(jì)實(shí)踐中它就是一種能夠反映地震對(duì)建筑物影響的等效荷載。根據(jù)這樣的荷載設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑物能夠抵御預(yù)期的地震,使其不致遭受破壞[3]。

但確定設(shè)計(jì)采用的地震作用與其他荷載不同的是,其他荷載的確定完全取決于自身大小,而地震力的確定不僅與地震自身有關(guān),更與地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響效果有關(guān),可以說(shuō)地震力決定于它所產(chǎn)生的影響效果。因此地震力理論研究,不僅要研究地震特征即地震時(shí)地面是如何運(yùn)動(dòng)的,包括地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度峰值(加速度峰值、速度峰值、位移峰值)、強(qiáng)震持時(shí)、頻率成分(周期)等對(duì)地震工程有意義的重要地震特性參數(shù);還要研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性,即在給定的地面運(yùn)動(dòng)下,整個(gè)建筑物有何種表現(xiàn),包括建筑物的自振周期以及材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力強(qiáng)度、剛度和內(nèi)阻尼等結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)。當(dāng)這些研究在理論上還不能給出滿意結(jié)果時(shí),通過(guò)總結(jié)地震經(jīng)驗(yàn),分析震害教訓(xùn),從中找出規(guī)律作為理論研究的補(bǔ)充修正來(lái)確定抗震設(shè)計(jì)所需地震力以滿足工程需要,是最直接有效、最具說(shuō)服力的方法,地震力理論正是伴隨著地震調(diào)查、震害分析、資料積累發(fā)展起來(lái)的。

1.1 基于地震宏觀震害的地震力研究

1.1.1 震度法

最早出現(xiàn)在設(shè)計(jì)規(guī)范的地震力算法,是1924年“日本城市建筑規(guī)范”中的震度法。這是由日本大森房吉教授在1899年的“磚柱和柱狀物翻倒調(diào)查(人造地震動(dòng)試驗(yàn))報(bào)告》”中提出計(jì)算地震力的方法[4]。這一方法假定地震時(shí),建筑各部分的水平加速度與地面的水平加速度峰值am相等,即把建筑物看成是一整個(gè)剛體,地震時(shí)建筑物的運(yùn)動(dòng)與地面運(yùn)動(dòng)完全一致,因此建筑所受地震力就是一個(gè)加速度作用在質(zhì)量上的水平慣性力F:

(1)

(2)

式中:m為建筑質(zhì)量;W為建筑重量;g為重力加速度;K為地震系數(shù),即地面加速度與重力加速度的比,稱為烈度。

1906年日本地震學(xué)者佐野利器等前往美國(guó)舊金山大地震(美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局估計(jì)為7.9級(jí),也有資料估計(jì)為8.3級(jí))現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,借鑒美國(guó)鋼筋混凝土建筑震害較少的建造經(jīng)驗(yàn),按地震系數(shù)約為0.1g設(shè)計(jì)了一批鋼筋混凝土建筑(日本興業(yè)銀行8層鋼筋混凝土建筑即由內(nèi)藤多仲按(1/15)g設(shè)計(jì)[4]),這些建筑在1923年日本東京地震(7.9級(jí),后修正為8.3級(jí))中經(jīng)受了考驗(yàn),其中90%抵御了強(qiáng)震(地面加速度約0.4g,也有資料分析為0.6g[5])未遭破壞。據(jù)此經(jīng)驗(yàn),1924年,《日本城市建筑規(guī)范》采用了大森房吉提出的震度法,并規(guī)定地震系數(shù)K取0.1g,其建筑物所受水平地震力Q為[6]:

Q=KW

(3)

式(3)是著名的震度法,即把地震力簡(jiǎn)化成與結(jié)構(gòu)重量成一定比例的水平荷載。在設(shè)計(jì)應(yīng)用中K值隨土質(zhì)條件和建筑物的高度調(diào)整。

顯然震度法主要是根據(jù)地震作用到結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的影響效果來(lái)判斷結(jié)構(gòu)可能承受的地震力,是借鑒地震經(jīng)驗(yàn)確定地震力的一種算法。這個(gè)算法確定的地震力僅為人們所認(rèn)為的1/4。

1.1.2 地面水平加速度

根據(jù)震害現(xiàn)象,人們認(rèn)識(shí)到地面水平加速度是建筑物破壞的重要因素之一,早在1888年就有關(guān)于以地面加速度作為描述地震烈度定量標(biāo)準(zhǔn)的研究,1934年日本地震學(xué)者佐野利器和谷口忠曾根據(jù)一系列大震震害給出地面最大加速度與木結(jié)構(gòu)房屋損害的關(guān)系[7]:0.1g對(duì)應(yīng)墻的飾面開(kāi)裂或散落;0.2g對(duì)應(yīng)木結(jié)構(gòu)骨架輕微歪斜,部分接頭脫開(kāi);0.3g對(duì)應(yīng)大部分木房屋傾斜,少數(shù)倒塌;0.4g對(duì)應(yīng)大部分木房屋毀壞。

地面加速度概念被用于地震研究是美國(guó)地震學(xué)家霍爾登(E.S.Holden)提出的,他認(rèn)為地震烈度即地震破壞程度是地震作用所致,而地震力是可以用地面水平加速度計(jì)量的。

在最初加速度研究時(shí)還沒(méi)有加速度記錄儀,是根據(jù)位移記錄或觀察的現(xiàn)象來(lái)估算地面最大加速度。1888年霍爾登基于獲得的21個(gè)日本地震的位移和周期的記錄,對(duì)比地震宏觀現(xiàn)象,估算了Ⅰ至Ⅳ度的最大加速度值的結(jié)果,列于羅西-弗瑞爾地震烈度表中[7],見(jiàn)表1。

表1 羅西-弗瑞爾地震烈度[7]

大森房吉教授基于1891年10月28日濃尾地震(7.9級(jí),后有估定為8.4級(jí))及1894年6月20日明治東京地震(7.0級(jí))等幾次強(qiáng)地震中大量石燈籠和幕石的倒損現(xiàn)象,估算了地震所產(chǎn)生的最大水平加速度(30～700)cm/s2及其與破壞現(xiàn)象的關(guān)系[7]。

1904年意大利地震學(xué)家坎卡尼(A.Cancani)根據(jù)大森房吉等的估算資料,用內(nèi)插法計(jì)算了弗瑞爾地震烈度表Ⅰ至Ⅹ度相應(yīng)的地面最大水平加速度值,用外插法推算了Ⅺ、Ⅻ度的地面最大水平加速度值,得到麥卡利-坎卡尼絕對(duì)烈度表[4],見(jiàn)表2。

表2 麥卡利-坎卡尼絕對(duì)烈度表(估算值)[4]

1912年德國(guó)西貝格在麥卡利-坎卡尼烈度表基礎(chǔ)上補(bǔ)充了地表現(xiàn)象,成為當(dāng)時(shí)比較完備的地震烈度表坎卡尼-西貝格(MSC)地震烈度表[4],見(jiàn)表3。之后一些國(guó)家以此為藍(lán)本編制了適合于本國(guó)實(shí)際情況的地震烈度表,并以此給出的地面加速度作為地震力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?！短K聯(lián)地震區(qū)建筑規(guī)范》(CH-8-51)[8](簡(jiǎn)稱《蘇聯(lián)規(guī)范-51》)就是采用了坎卡尼-西貝格地震烈度表中的地面加速度作為地震力計(jì)算依據(jù),即地震系數(shù)在7、8、9度時(shí)分別取為0.025、0.05、0.1。

表3 坎卡尼-西貝格地震烈度[4]

隨著地震加速度記錄儀的誕生,可以通過(guò)地震記錄儀直接獲得地震加速度記錄,各國(guó)研究者們對(duì)所搜集到的美國(guó)地震加速度記錄,采用統(tǒng)計(jì)分析法直接找出地面最大水平加速度與地震烈度的關(guān)系,見(jiàn)表4[7]。

表4 不同研究者給出的地震烈度相應(yīng)的地面最大水平加速度值am/(cm/s2)[7]

通過(guò)對(duì)這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):

(1)同一個(gè)地震烈度對(duì)應(yīng)的地面最大水平加速度離散性很大,可相差幾十倍(由于數(shù)據(jù)的離散性很大,致使許多研究者認(rèn)為地面加速度不是地震烈度的理想標(biāo)志參數(shù)),其統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果只能反映數(shù)據(jù)的平均趨勢(shì)。

(2)平均數(shù)趨勢(shì)大致符合地震烈度每增加一度,地面最大加速度值增加大約一倍的規(guī)律。

(3)地震場(chǎng)地的土質(zhì)和周期、結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼對(duì)地面最大加速度影響顯著。

(4)用加速度記錄儀測(cè)錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)獲得的地面最大加速度值都比坎卡尼-西貝格地震烈度表中據(jù)宏觀震害推算出的數(shù)值大很多,約為其3～4倍。這點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)震度法確定設(shè)計(jì)地震力的認(rèn)知一致。

1.2 基于動(dòng)力學(xué)理論的地震力研究

建筑物不是一個(gè)剛體,所以結(jié)構(gòu)各部分的水平加速度不同,且與地面的水平加速度峰值也不相等,如果能按照動(dòng)力學(xué)理論以實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算建筑物的反應(yīng)顯然是最理想的方法,但如何描述雜亂無(wú)章、且不可預(yù)測(cè)的實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)以及怎樣完成一個(gè)建筑物數(shù)值解析動(dòng)力反應(yīng)的海量計(jì)算,都是20世紀(jì)30年代面臨的困難。反應(yīng)譜法在地震工程中的應(yīng)用使該問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。1938年比利時(shí)美籍力學(xué)家馬修·比奧特(M.Biot)根據(jù)扭擺模擬試驗(yàn),提出了地震工程的反應(yīng)譜法;在經(jīng)歷了1947年美國(guó)地震工程學(xué)家豪納斯(G.W.Housne)的隨機(jī)振動(dòng)理論以及20世紀(jì)50年代電子計(jì)算技術(shù)在地震分析的應(yīng)用后,反應(yīng)譜理論得到完善和發(fā)展。

反應(yīng)譜理論假定建筑是一個(gè)彈性體系,可以把復(fù)雜建筑的地震作用簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)體系隨機(jī)振動(dòng)的最大加速度反應(yīng)的求解問(wèn)題。所謂反應(yīng)譜是若干不同周期單質(zhì)點(diǎn)的最大加速度和體系的自振周期的函數(shù)關(guān)系曲線。

根據(jù)反應(yīng)譜理論,對(duì)于一個(gè)給定的地震,地面加速度a0為已知,體系的加速度∣a0+a∣除了與自身周期及阻尼有關(guān),還是時(shí)間的函數(shù)。由于只關(guān)注它的最大值∣a0+a∣max,在此用A表示,則A只是周期與阻尼的函數(shù),當(dāng)阻尼為定值時(shí),可以獲得A與周期的關(guān)系曲線,稱為地震加速度反應(yīng)譜。令K=a0/g表示地面最大加速度;β=A/a0表示體系最大加速度反應(yīng);Q=mg表示質(zhì)點(diǎn)重量。對(duì)于單質(zhì)點(diǎn)彈性體系的地震力最大值F可以表達(dá)為:

F=KβQ

(4)

式(4)作為確定地震力的理論基礎(chǔ),被應(yīng)用到美國(guó)、蘇聯(lián)等國(guó)家規(guī)范的關(guān)于地震作用計(jì)算規(guī)定中,但在關(guān)于地面加速度及結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)的取值或表達(dá)形式方面各個(gè)國(guó)家有所不同[9]。

需要強(qiáng)調(diào)的是基于彈性假定的反應(yīng)譜理論只能適用于強(qiáng)震下仍然處于彈性的建筑物,顯然無(wú)論是從過(guò)往震害中建筑物呈現(xiàn)的彈塑性表現(xiàn),還是從使用功能對(duì)結(jié)構(gòu)的需求來(lái)看,絕大多數(shù)建筑不需要保持這種彈性狀態(tài)。因此研究者們進(jìn)行了理想彈塑性體系地震反應(yīng)的計(jì)算分析,得出如下結(jié)論:結(jié)構(gòu)的塑性有巨大的耗能作用,結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段后,其承受的地震力明顯降低[10]。這應(yīng)該也是以往宏觀震害經(jīng)驗(yàn)估算的地震力遠(yuǎn)小于數(shù)值分析地震力的原因之一。

由此看來(lái),人們對(duì)地震的了解以及地震動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的關(guān)系,或者在相同地震動(dòng)作用下不同特性的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生怎樣不同的動(dòng)力反應(yīng)尚缺乏了解,結(jié)合震害分析對(duì)理論解析結(jié)果給予調(diào)整是地震力理論發(fā)展中不可缺少的部分。所以尊重以往用0.1g～0.4g預(yù)期抵御0.5g～0.8g的地震峰值加速度保全建筑物不壞的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[11],各國(guó)規(guī)范中都有關(guān)于地震力折減的考量。例如蘇聯(lián)根據(jù)地震時(shí)建筑物功能需求,對(duì)于要求無(wú)損壞的建筑,地震力不折減;對(duì)要求保證人身設(shè)備安全的、且輕度損壞但可修的建筑,地震力折減系數(shù)取0.25;對(duì)要求可有明顯損壞但不倒塌的建筑,地震力折減系數(shù)取0.12[12];再如美國(guó)用結(jié)構(gòu)系數(shù)1/R來(lái)考慮結(jié)構(gòu)延性和結(jié)構(gòu)超強(qiáng)能力對(duì)地震力的折減,根據(jù)不同結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn),結(jié)構(gòu)系數(shù)取1/8.5～1/2.8(即0.12～0.35),特殊鋼框架取1/8.5,一般混凝土框架取1/5.5[13]。對(duì)地震作用的這種折減在很多資料中可見(jiàn),在此不再贅述。

近些年,隨著電子計(jì)算技術(shù)以及模擬仿真計(jì)算能力的發(fā)展,以實(shí)際地面運(yùn)動(dòng)來(lái)計(jì)算建筑物反應(yīng)已成為可能,將已經(jīng)獲得的地震記錄直接輸入,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析,可以了解各類(lèi)結(jié)構(gòu)在地震作用下的線性與非線性反應(yīng)的全過(guò)程,這一方法已經(jīng)逐漸應(yīng)用到重要構(gòu)筑物以及有特殊要求的建筑物的地震影響分析中。

2 我國(guó)地震理論體系

2.1 平均地震力系數(shù)法

我國(guó)的地震力研究起源于20世紀(jì)50年代,由于當(dāng)時(shí)我國(guó)缺少這方面的資料,劉恢先先生[3]研究團(tuán)隊(duì)參考當(dāng)時(shí)能搜集到的國(guó)外文獻(xiàn),借鑒國(guó)外的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),從動(dòng)力理論入手,研究了地震烈度與地面加速度的關(guān)系以及地面加速度與結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)的關(guān)系,提出基于動(dòng)力原則的“平均地震力系數(shù)”地震力求解方法。

該方法[3]表述為:對(duì)于一定的地震烈度和一定的結(jié)構(gòu),可以近似假定其加速度譜曲線值不隨結(jié)構(gòu)各振型的周期和阻尼變化,即最大加速度A為一常數(shù),這樣根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理可以得到下列近似的地震力Q表達(dá)式:

(5)

式中:Mj為第j主振型折算質(zhì)量;mi為i質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量;A/g為“平均地震力系數(shù)”。

式(5)雖形式上與靜力表達(dá)相似,但是基于動(dòng)力原則推出的,所以稱為基于動(dòng)力原則的“平均地震力系數(shù)”地震力求解方法。

為確定式(5)中的“平均地震力系數(shù)”,研究者[3]做了如下工作:首先利用美國(guó)物理學(xué)家、地震學(xué)家古登堡和里克特的研究成果,得到地面加速度和烈度的關(guān)系,見(jiàn)表5;再利用美籍力學(xué)家馬修·比奧特和美國(guó)地震工程學(xué)家豪納斯等直接用譜曲線方法計(jì)算最大地震力的計(jì)算結(jié)果和日本齋田時(shí)太郎、金井清、鈴木正治等的實(shí)際觀測(cè)資料,找出結(jié)構(gòu)加速度譜曲線值和地面加速度的比例,即放大率;并根據(jù)所能見(jiàn)到的少數(shù)數(shù)據(jù)(美國(guó)弗農(nóng)、海倫那、費(fèi)爾南多幾次地震),無(wú)阻尼加速度譜曲線最大值約為地面最大加速度的7～13倍,平均約為10倍;有阻尼(10%臨界阻尼)加速度譜曲線最大值約為無(wú)阻尼的20%(圖1),因此估計(jì)總的放大率為2倍[3]。

圖1 加速度譜曲線最大值與阻尼的關(guān)系

表5 地面加速度和烈度關(guān)系[3]

根據(jù)上述這些略顯粗糙的估計(jì),給出了地面加速度和地震烈度以及地震烈度與地震力系數(shù)的關(guān)系,見(jiàn)表6,表中同時(shí)列出20世紀(jì)50年代其他國(guó)家規(guī)范取值。

表6 地面加速度和地震烈度及地震烈度與地震力系數(shù)的關(guān)系[3]

對(duì)比表6發(fā)現(xiàn),劉恢先的地震力系數(shù)估算值比美國(guó)、蘇聯(lián)、日本都要高。但國(guó)外采用較小的地震力系數(shù)卻取得了良好的抗震效果,分析其主要原因可能是對(duì)建筑物抗震強(qiáng)度估計(jì)不足。為了不混淆問(wèn)題的本質(zhì),應(yīng)當(dāng)實(shí)事求是地采用較大的地震力系數(shù),并同時(shí)采用較高的容許應(yīng)力和極限強(qiáng)度。

基于上述觀點(diǎn)出發(fā),劉恢先[3]的初步意見(jiàn)是采用大致與1953年蘇聯(lián)麥德維捷夫新烈度表[14]中較為接近的加速度值作為地震烈度的標(biāo)志,給出了較大地震烈度標(biāo)志值的建議,同時(shí)給出“平均地震力系數(shù)”,見(jiàn)表7[3,9]。經(jīng)對(duì)比,麥德維捷夫給出的地面最大加速度比麥卡利-坎卡尼烈度表的值大很多。蘇聯(lián)沒(méi)有采用此表數(shù)值而是采用了麥卡利-坎卡尼烈度表中加速度值。

表7 地震烈度標(biāo)志值與平均地震力系數(shù)

表7建議對(duì)不同剛度的結(jié)構(gòu)予以調(diào)整,剛性結(jié)構(gòu)可以直接采用表中地震烈度標(biāo)志的地震力系數(shù)作為平均地震力系數(shù),柔性結(jié)構(gòu)則須適當(dāng)?shù)卣蹨p。但這個(gè)結(jié)果在59版《地震區(qū)建筑規(guī)范草案》(簡(jiǎn)稱59版《草案》)的工業(yè)及民用建筑的地震作用計(jì)算中并未采用,只是在橋梁建筑中各部分的剛性連接如支座錨栓等采用了此研究成果。59版《草案》中4.28條規(guī)定:橋梁建筑中各部分的剛性連接如支座錨栓等,地震力系數(shù)在7、8、9度分別為0.125、0.5、1.0,這個(gè)用法與《蘇聯(lián)規(guī)范-51》一致。

2.2 反應(yīng)譜法

隨著對(duì)各國(guó)的地震加速度譜標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2)的深入研究發(fā)現(xiàn),各國(guó)的地震加速度譜標(biāo)準(zhǔn)曲線很不一致,尤其是在絕對(duì)數(shù)值上出入頗大。從表8可見(jiàn),美國(guó)的地震加速度譜標(biāo)準(zhǔn)曲線函數(shù)β值最小,蘇聯(lián)的數(shù)值次之,但其數(shù)值也只約為麥德維捷夫給出數(shù)值的半數(shù)[9]。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)加速度譜

表8 國(guó)外采用的地震加速度譜標(biāo)準(zhǔn)曲線特征值[9]

由于上述差異,在如何確定我國(guó)自己的地震加速度譜標(biāo)準(zhǔn)曲線方面產(chǎn)生了困惑。我國(guó)研究者利用馬修·比奧特的扭擺計(jì)算了美國(guó)三次地震加速度譜曲線值(表9)作為參考[9],與表8對(duì)比分析,認(rèn)為總體趨勢(shì)上高于表8中美國(guó)與蘇聯(lián)的取值,而與麥德維捷夫烈度表的數(shù)值稍接近,與2.1節(jié)“平均地震力系數(shù)”的分析結(jié)果一致。

表9 三次地震加速度譜曲線最大地面加速度

但是考慮影響地震作用的因素有很多,例如通過(guò)土壤的能量消失和結(jié)構(gòu)發(fā)生局部損壞后所增大的內(nèi)阻尼都可能使地震作用減弱,甚至還有一些未知,從各國(guó)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)看,也沒(méi)有采用更高地震作用的必要,因此決定參考《蘇聯(lián)地震區(qū)建筑規(guī)范》(CH-8-57)[15](簡(jiǎn)稱《蘇聯(lián)規(guī)范-57》)的地震系數(shù)K(表10)及動(dòng)力系數(shù)β(圖3)的取值,取其動(dòng)力系數(shù)最大值3時(shí),作為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大譜值,這一研究成果應(yīng)用于59版《草案》中“工業(yè)及民用建筑”部分的地震作用計(jì)算中,見(jiàn)圖4。需要注意的是圖3與圖4中β表示含義不同,圖3中β在《蘇聯(lián)規(guī)范-57》中稱為動(dòng)力系數(shù),表示結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大倍數(shù)。圖4中β在59版《草案》中表示地震影響系數(shù),即地面加速度×動(dòng)力放大系數(shù)。

圖3 《蘇聯(lián)規(guī)范-57》動(dòng)力系數(shù)曲線

圖4 59版《草案》的地震影響反應(yīng)譜

表10 《蘇聯(lián)規(guī)范-57》的地震系數(shù)K值

《蘇聯(lián)規(guī)范-57》中的動(dòng)力系數(shù)根據(jù)建筑物自由振動(dòng)周期確定,按圖3中的曲線圖采用或按公式β=0.9/T計(jì)算(式中T為自由振動(dòng)周期),但不小于0.6且不大于3。

2.3 結(jié)構(gòu)系數(shù)折減法

出于對(duì)各國(guó)規(guī)范烈度取值都似乎偏小,對(duì)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載下強(qiáng)度估計(jì)似乎不足的疑惑,我國(guó)地震工作者寄希望于隨著強(qiáng)震觀測(cè)資料的積累不斷修正地震烈度的取值,隨著震害實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)的積累不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的理論分析方法,進(jìn)而縮小理論與實(shí)踐之間的差距;在尚未解決這些問(wèn)題之前,創(chuàng)造性地提出一個(gè)新概念,結(jié)構(gòu)系數(shù)C,擬以此對(duì)理論計(jì)算與地震實(shí)踐差距做一點(diǎn)彌補(bǔ)。至此,地震力就由三個(gè)參數(shù)分別描述:地震系數(shù)K(描述地震烈度與地面最大加速度對(duì)應(yīng)關(guān)系)、動(dòng)力系數(shù)β(描述結(jié)構(gòu)最大加速度反應(yīng)與地面最大加速度放大關(guān)系)以及結(jié)構(gòu)系數(shù)C。這樣的分別描述,有利于無(wú)論在哪一個(gè)方面取得研究進(jìn)展,都可以方便地對(duì)相應(yīng)參數(shù)做出調(diào)整(后來(lái)的規(guī)范中對(duì)這三個(gè)參數(shù)都分別有過(guò)調(diào)整)。1965年《關(guān)于設(shè)計(jì)規(guī)范中地震作用計(jì)算方法的若干觀點(diǎn)和建議》[16]中詳細(xì)闡述了這三個(gè)參數(shù)的確定及其意義。

(1)地震系數(shù)K

地震系數(shù)K即地面加速度/重力加速度。由于20世紀(jì)50年代我國(guó)缺乏強(qiáng)震觀測(cè)的資料,只能借助于國(guó)外的研究結(jié)果來(lái)確定地震系數(shù)K,從表11[16]中分析國(guó)外不同研究者關(guān)于地震系數(shù)K的建議,盡管這些結(jié)果所根據(jù)的觀測(cè)資料不盡相同,但能反映一個(gè)共同的規(guī)律,即地震烈度每增加一度,最大地面加速度大致增大一倍,并遠(yuǎn)高于麥卡利-坎卡尼烈度表,表11中1、4、5行的數(shù)據(jù),受到當(dāng)時(shí)大多國(guó)家的認(rèn)可,在此基礎(chǔ)上我國(guó)研究者給出我國(guó)地震系數(shù)K的建議值,見(jiàn)表12。

表11 國(guó)外不同研究者給出的地震系數(shù)K[16]

表12 我國(guó)研究者建議的地震系數(shù)K

(2)動(dòng)力系數(shù)β

動(dòng)力系數(shù)即結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù),表示結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)與地面加速度的放大倍數(shù),在最初研究時(shí)粗略估計(jì)總的放大率為2倍,之后的研究中,從許多強(qiáng)震記錄計(jì)算的反應(yīng)譜中可以推算,若阻尼比在0.05左右,則最大動(dòng)力放大系數(shù)的平均值約3.0,但離散性也很大,且其反應(yīng)譜曲線峰值與結(jié)構(gòu)周期、地表剛度、阻尼等因素有關(guān)。考慮設(shè)計(jì)工作的簡(jiǎn)化,我國(guó)研究者建議,對(duì)于一般建筑,暫時(shí)采用平均阻尼比0.05,取動(dòng)力放大系數(shù)最大值為3.0[16]。此時(shí)K×β為地震影響系數(shù),比蘇聯(lián)取值大3倍,見(jiàn)表13。如果認(rèn)為《蘇聯(lián)規(guī)范-57》經(jīng)受了地震考驗(yàn),那么這個(gè)地震影響系數(shù)理論取值可能大于結(jié)構(gòu)實(shí)際反應(yīng),即與客觀實(shí)際出現(xiàn)了偏差。

表13 地震影響系數(shù)K×β

(3)結(jié)構(gòu)系數(shù)C

研究者們認(rèn)為地震作用理論計(jì)算與客觀實(shí)際之間的差距來(lái)自許多方面,而且結(jié)構(gòu)不同,差距也不同。例如,很多震害實(shí)踐證明有些結(jié)構(gòu)采用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算給出的地震作用進(jìn)行設(shè)計(jì),卻能經(jīng)受實(shí)際地震的考驗(yàn),而不發(fā)生破壞或不致發(fā)生危險(xiǎn);又如,理論計(jì)算是以彈性結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)而實(shí)際結(jié)構(gòu)在承受預(yù)期強(qiáng)度的地震時(shí)不一定完全處于彈性階段;又如,計(jì)算方法中采用了平均的阻尼,而有些結(jié)構(gòu)已經(jīng)有足夠數(shù)據(jù)說(shuō)明阻尼很小或很大,需要分別考慮;又如,合理的設(shè)計(jì)方法應(yīng)當(dāng)是一方面如實(shí)地計(jì)算地震作用,另一方面又充分地估計(jì)結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度,但這兩方面都還有許多未知。凡此種種都需要對(duì)理論計(jì)算結(jié)果加以調(diào)整。

為了彌補(bǔ)地震作用理論計(jì)算與客觀實(shí)際之間的差距,適應(yīng)抗震設(shè)計(jì)習(xí)慣于取較小地震力及較低結(jié)構(gòu)動(dòng)力強(qiáng)度的傳統(tǒng),劉恢先[16]提出用結(jié)構(gòu)系數(shù)C折減地震系數(shù)的方法對(duì)這個(gè)差距做一點(diǎn)彌補(bǔ)。根據(jù)當(dāng)時(shí)的研究,他建議對(duì)于一般工業(yè)與民用建筑物,取結(jié)構(gòu)系數(shù)為1/3;對(duì)于阻尼特小的高聳結(jié)構(gòu),如高煙囪、電視塔等,則取結(jié)構(gòu)系數(shù)為1/2;對(duì)于重要的水工建筑,如混凝土高壩,從保證其在地震時(shí)不發(fā)生裂縫的角度,可以采用較大的結(jié)構(gòu)系數(shù)。工程師可以結(jié)合不同情況采取不同結(jié)構(gòu)系數(shù)值以適應(yīng)不同工程要求,可以說(shuō)結(jié)構(gòu)系數(shù)C給了設(shè)計(jì)者一個(gè)針對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同功能需求采用不同設(shè)計(jì)參數(shù)的發(fā)揮空間。但劉恢先[16]對(duì)于這個(gè)地震系數(shù)、放大系數(shù)的取值以及C值的建議并不完全滿意,認(rèn)為諸如場(chǎng)地條件對(duì)K及β的影響、反應(yīng)譜長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)的缺乏、結(jié)構(gòu)自振特性研究的不足,地基土質(zhì)條件與結(jié)構(gòu)阻尼的關(guān)系、地震作用下安全度的考慮等還都有待進(jìn)一步研究。特別是不同結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用有怎樣不同的反應(yīng),其動(dòng)力強(qiáng)度與靜力強(qiáng)度有怎樣的不同,又或不同結(jié)構(gòu)究竟能承受多大的塑性變形等問(wèn)題還沒(méi)有解決,是不得已暫將這些未知概括在結(jié)構(gòu)系數(shù)當(dāng)中。

雖然仍有這么多未解之惑,但不可否認(rèn)結(jié)構(gòu)系數(shù)折減法奠定了我國(guó)抗震設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。這個(gè)結(jié)構(gòu)系數(shù)后來(lái)更多被解釋為是考慮結(jié)構(gòu)彈塑性變形對(duì)地震力的折減,其實(shí)它承擔(dān)了更多說(shuō)不清的實(shí)踐小于理論值的諸多未知使命,也可以說(shuō)就是根據(jù)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)對(duì)理論的一種略顯粗糙的修正。

此成果用于1964年《地震區(qū)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(草案)》(簡(jiǎn)稱64版《草案》)的地震作用Vo計(jì)算[17]:

Vo=Ckβ1qG

(6)

式中:Ck為折減后的地震系數(shù),對(duì)于一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu),當(dāng)C取1/3時(shí),折減后的地震系數(shù)取值與《蘇聯(lián)規(guī)范-57》地震系數(shù)K大小一致;β1為對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本周期的動(dòng)力系數(shù);q為剪力系數(shù);G為結(jié)構(gòu)的總重力。

2.4 地震烈度折減法

對(duì)于結(jié)構(gòu)系數(shù)折減,地震學(xué)者給出不同的解讀,認(rèn)為既然是以彈性反應(yīng)譜為基礎(chǔ)的彈性設(shè)計(jì),還考慮容許發(fā)生彈塑性變形,理論上不通,用結(jié)構(gòu)系數(shù)折減來(lái)解決彈塑性,只是一種牽強(qiáng)的解釋。他們認(rèn)為可以把結(jié)構(gòu)影響系數(shù)折減后的地震力看作是某個(gè)小于基本烈度地震下的地震力,將按結(jié)構(gòu)系數(shù)折減后的抗震設(shè)計(jì)看作是在低于基本烈度的小震作用下的彈性設(shè)計(jì),并采用國(guó)際流行的概率方法對(duì)地震烈度概率標(biāo)定和烈度折減進(jìn)行了專門(mén)研究[18]。

文獻(xiàn)[19-20]用地震危險(xiǎn)性分析方法對(duì)我國(guó)華北、西北、西南地區(qū)45個(gè)城鎮(zhèn)在1977年中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖(《關(guān)于地震基本烈度鑒定工作規(guī)定》(〔1979〕建發(fā)抗字第146號(hào))中的基本烈度進(jìn)行了概率標(biāo)定,結(jié)果是超越概率在0.17～0.1范圍內(nèi)地震危險(xiǎn)性分析得到的烈度與區(qū)劃圖中基本烈度偏差變化不大,50年超越概率水準(zhǔn)大致為0.13?；谕瑫r(shí)期其他一些國(guó)家都把設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率為10%的地震強(qiáng)度作為一般工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),1984年我國(guó)《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ 68—84)中規(guī)定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期也為50年,所以粗略標(biāo)定我國(guó)當(dāng)時(shí)區(qū)劃圖中的基本烈度在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率為10%。

文獻(xiàn)[21]根據(jù)結(jié)構(gòu)系數(shù)與烈度降低度數(shù)關(guān)系,見(jiàn)表14,用概率方法計(jì)算的不同基準(zhǔn)期內(nèi)所謂眾值烈度與基本烈度的差值及其對(duì)應(yīng)的超越概率,見(jiàn)表15;并再利用文獻(xiàn)[22]中建議的烈度I與水平方向加速度峰值a的公式lga=Ilg2-0.010算出小震烈度對(duì)應(yīng)基本烈度加速度折減系數(shù)θA,見(jiàn)表16。

表14 結(jié)構(gòu)系數(shù)C與烈度降低度數(shù)ΔI[21]

表15 我國(guó)45城鎮(zhèn)重現(xiàn)期為T(mén)i年的烈度與基本烈度之差的平均值mΔI及其在50年內(nèi)的超越概率P[21]

表16 重現(xiàn)期為T(mén)i年的烈度與基本烈度的加速度折減系數(shù)θA[21]

在上述工作基礎(chǔ)上定義:小于基本烈度1.55度的眾值烈度為小震,對(duì)應(yīng)50年超越概率63.25%,加速度折減系數(shù)0.34,至此小震概念及其設(shè)計(jì)參數(shù)誕生,此成果應(yīng)用于89版《抗規(guī)》中。

89版《抗規(guī)》將《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ 11—78)[23](簡(jiǎn)稱78版《抗規(guī)》)地震作用公式中C×α1,用折減后的小震地震影響系數(shù)αmax取代,理論上實(shí)現(xiàn)了小震作用下彈性設(shè)計(jì)思想,數(shù)值上與78版《抗規(guī)》結(jié)構(gòu)系數(shù)為0.35時(shí)計(jì)算的地震作用相當(dāng)。

89版《抗規(guī)》采用烈度折減法計(jì)算設(shè)計(jì)用地震作用,明確在此地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性階段。顯然,這與建立在彈性理論為基礎(chǔ)的反應(yīng)譜計(jì)算方法的彈性體系的假定是契合的,比78版《抗規(guī)》采用考慮彈塑性影響的結(jié)構(gòu)系數(shù)C參與彈性設(shè)計(jì)的表達(dá)符合理論邏輯(需要說(shuō)明的是78版《抗規(guī)》也是彈性設(shè)計(jì),是地震時(shí)建筑物反應(yīng)程度與結(jié)構(gòu)系數(shù)C折減程度相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)),但同時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題是這種取代沒(méi)有體現(xiàn)結(jié)構(gòu)系數(shù)對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同反應(yīng)折減程度不同的考慮。

為此,89版《抗規(guī)》較之前規(guī)范的另一個(gè)重大改進(jìn)是,根據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型、高度、建筑重要程度劃分不同設(shè)防類(lèi)別、抗震等級(jí),又提出強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎以及層間位移限值、時(shí)程分析判斷薄弱層等設(shè)計(jì)概念[24],針對(duì)不同類(lèi)別、不同部位、不同構(gòu)件、不同延性需求,在截面設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求兩方面給出了詳盡的配套措施,這些措施可以認(rèn)為在一定程度上彌補(bǔ)了不分結(jié)構(gòu)類(lèi)型統(tǒng)一折減為小震設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題。

可以說(shuō)89版《抗規(guī)》用小震的表達(dá)方式明確了截面彈性設(shè)計(jì)的概念,用構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的彈塑性變形的控制設(shè)計(jì),這種以地震烈度折減配以完善的抗震措施的組合方式以及概率理論的應(yīng)用,構(gòu)建了我國(guó)完整的抗震設(shè)計(jì)體系,對(duì)我國(guó)抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展起到劃時(shí)代作用。

3 地震影響系數(shù)推演及小震亦或中震設(shè)計(jì)的討論

3.1 地震影響系數(shù)推演

為了便于問(wèn)題討論,這里姑且把不同版本的地震作用的各種稱謂忽略,統(tǒng)一用地震系數(shù)K表示設(shè)防烈度地震的地面加速度,用動(dòng)力系數(shù)β表示結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大倍數(shù),用C表示結(jié)構(gòu)系數(shù);地震影響系數(shù)按基本地震影響系數(shù)與折減地震影響系數(shù)分別考量;不討論各版修編時(shí)對(duì)場(chǎng)地特征周期、結(jié)構(gòu)阻尼等參數(shù)的其他調(diào)整,僅就設(shè)計(jì)反應(yīng)譜中地震影響系數(shù)最大取值(反應(yīng)譜曲線平臺(tái)段)進(jìn)行推演,因我國(guó)最初是參考《蘇聯(lián)規(guī)范-57》,故表中一并列出,見(jiàn)表17。

表17 地震影響系數(shù)取值推演

由以上推演可見(jiàn),我國(guó)地震學(xué)者在20世紀(jì)60年代初期研究確定的設(shè)防烈度下地震影響系數(shù)取了比當(dāng)時(shí)其他國(guó)家都較大的值,比蘇聯(lián)大3倍,采用結(jié)構(gòu)系數(shù)1/3折減后保持了與蘇聯(lián)地震影響系數(shù)的一致。89版《抗規(guī)》理論上對(duì)地震烈度進(jìn)行了折減,其值恰好與結(jié)構(gòu)折減系數(shù)0.35左右的折減程度相當(dāng),延續(xù)了這種一致性。所以可以說(shuō)64版《草案》是我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ),之后雖幾經(jīng)修編,其地震系數(shù)和地震影響系數(shù)都沒(méi)有本質(zhì)的改變。以64版《草案》、89版《抗規(guī)》、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)[26](簡(jiǎn)稱01版《抗規(guī)》)相關(guān)參數(shù)的對(duì)比(表18)為例說(shuō)明,89版《抗規(guī)》中地震系數(shù)K與64版《抗規(guī)》相應(yīng)數(shù)值進(jìn)位后取值相同,01版《抗規(guī)》中地震系數(shù)K與89版《抗規(guī)》相應(yīng)數(shù)值進(jìn)位后取值相同;動(dòng)力系數(shù)β值隨之做相應(yīng)調(diào)整。

表18 各版本規(guī)范地震影響相關(guān)參數(shù)對(duì)比

表18中三版規(guī)范具有標(biāo)志性意義,64版《草案》奠定我國(guó)以設(shè)防烈度作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上確定了地震系數(shù)、地震影響系數(shù)。89版《抗規(guī)》用小震概念同時(shí)配套概念設(shè)計(jì)的抗震措施建立了我國(guó)完整的抗震設(shè)計(jì)體系,與64版《草案》相比地震影響系數(shù)在數(shù)值上相同。01版《抗規(guī)》回歸了地震力的本質(zhì)描述,按地震動(dòng)參數(shù)概念給出設(shè)計(jì)基本地震加速度,地震系數(shù)取值較64版《草案》、89版《抗規(guī)》的略大,但同時(shí)對(duì)動(dòng)力系數(shù)同比例下調(diào)后,數(shù)值上地震影響系數(shù)保持沒(méi)變。事實(shí)上64版《草案》中的地震系數(shù)就已經(jīng)將水平地震加速度直接用于設(shè)計(jì)參數(shù),01版《抗規(guī)》中的地震動(dòng)參數(shù)尚未體現(xiàn)于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

3.2 小震與設(shè)防烈度關(guān)系

(1)設(shè)防烈度

我國(guó)地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)防烈度,以設(shè)防烈度地震地面加速度作為確定地震力設(shè)計(jì)量化指標(biāo),是地震理論研究發(fā)展的重要基礎(chǔ)。我國(guó)最初確定地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就是采用設(shè)防烈度的地面加速度。當(dāng)時(shí)參考了《蘇聯(lián)規(guī)范-51》、《蘇聯(lián)規(guī)范-57》,但地面加速度取了比蘇聯(lián)大3倍的值作為地震系數(shù),同時(shí)用結(jié)構(gòu)系數(shù)1/3折減保持與上述兩本蘇聯(lián)規(guī)范的一致。這一做法的底層邏輯是遵循理論分析結(jié)果給出一個(gè)較大地面加速度,然后根據(jù)建筑物在遭遇設(shè)防地震時(shí)的真實(shí)反應(yīng)小于反應(yīng)譜理論統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的震害經(jīng)驗(yàn),用結(jié)構(gòu)系數(shù)折減予以修正,再考慮不同結(jié)構(gòu)反應(yīng)不同,分別采用不同結(jié)構(gòu)系數(shù)折減,希望不同結(jié)構(gòu)在遭遇同一烈度地震時(shí)的反應(yīng)程度大致相同。顯然這種處理是粗糙的,且缺少精細(xì)化的分析。

所謂小震是20世紀(jì)80年代在概率理論基礎(chǔ)上用烈度折減代替結(jié)構(gòu)系數(shù)折減,其底層邏輯是認(rèn)為折減的地震力可以理解為建筑物遭遇了小于設(shè)防烈度的地震作用,所以直接在烈度上進(jìn)行了統(tǒng)一折減,89版《抗規(guī)》中稱其為小震。

(2)小震與設(shè)防烈度關(guān)系

理論上,小震是折減烈度,而設(shè)防烈度是折減結(jié)構(gòu)系數(shù);但數(shù)值上,烈度折減與結(jié)構(gòu)系數(shù)折減的均值地震力相當(dāng),區(qū)別在于人們賦予了不同涵義。結(jié)構(gòu)系數(shù)折減是認(rèn)為建筑遭遇設(shè)防烈度時(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)際承受了較小的地震力,烈度折減則是認(rèn)為建筑遭遇了較小烈度的地震,結(jié)構(gòu)承受了這個(gè)小震的理論地震力。本文認(rèn)為前者更符合地震理論發(fā)展史,即:小震是遭遇設(shè)防烈度地震時(shí)結(jié)構(gòu)較小的地震反應(yīng),不是結(jié)構(gòu)遭遇了一個(gè)較小的地震。

3.3 “設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用要求”的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)討論

(1)設(shè)防目標(biāo)及設(shè)防分類(lèi)

根據(jù)本文2節(jié)的分析可知,我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)小震不壞的設(shè)防目標(biāo),對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)(理論上結(jié)構(gòu)折減系數(shù)0.35左右的丙類(lèi)結(jié)構(gòu))就是達(dá)到了遭遇本地設(shè)防烈度時(shí)不壞的目標(biāo)。

而對(duì)于地震時(shí)使用功能不能中斷或可能導(dǎo)致大量人員傷亡的建筑,即抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)的結(jié)構(gòu),是通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)內(nèi)力、加強(qiáng)構(gòu)造措施,提高“設(shè)防烈度下不壞”的程度。

目前提出的“設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用的要求”,從工程抗震設(shè)防目標(biāo)角度解讀,應(yīng)當(dāng)就是“設(shè)防烈度下的不壞”,那么此“設(shè)防烈度下的不壞”與彼“設(shè)防烈度下的不壞”到底有怎樣的差別?從工程抗震設(shè)防分類(lèi)角度,這些建筑應(yīng)歸屬于乙類(lèi)。此乙類(lèi)與彼乙類(lèi)又有怎樣的不同?對(duì)有這種要求的建筑應(yīng)采用什么標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可以達(dá)到預(yù)定的設(shè)防目標(biāo)?這是一個(gè)值得仔細(xì)研究討論的問(wèn)題。

(2)關(guān)于建筑功能對(duì)設(shè)防地震時(shí)結(jié)構(gòu)的需求

研究建筑需要“滿足的正常使用要求”的核心需求,可以把“設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用的要求”的八種建筑從功能上分為兩類(lèi)。

第一類(lèi)建筑核心需求是功能性保障。包括應(yīng)急指揮中心、醫(yī)院、應(yīng)急避難場(chǎng)所、廣播電視等保證地震時(shí)使用功能不中斷,不是舒適度需求。這類(lèi)建筑的功能是否需要設(shè)防地震時(shí)結(jié)構(gòu)完全保持彈性?

第二類(lèi)建筑核心需求是保證生命安全。包括學(xué)校、幼兒園、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、兒童福利機(jī)構(gòu)。這類(lèi)建筑與其他民用建筑在保證生命安全的需求上相同,區(qū)別在于強(qiáng)調(diào)保證逃生自救[28-29](不作為避難場(chǎng)所就涉及逃生)。這類(lèi)建筑的人群主體是老、幼、病殘,逃生自救能力較差,所以保證這類(lèi)建筑在遭遇超設(shè)防烈度的大震時(shí)要有足夠的逃生救助時(shí)間是其特殊需求。這類(lèi)建筑的功能是否也要考慮設(shè)防地震時(shí)結(jié)構(gòu)保持彈性?

事實(shí)上,除非高大水壩等特殊構(gòu)筑物因?yàn)橐苊庖驖B透引發(fā)的嚴(yán)重次生災(zāi)害,不允許出現(xiàn)可能產(chǎn)生滲透的裂縫,或者使用上有特殊設(shè)施、儲(chǔ)有特殊物質(zhì),地震時(shí)可能引發(fā)特別重大災(zāi)害后果的建筑[29],要求地震時(shí)保持完全彈性;除此之外,對(duì)絕大多數(shù)建筑來(lái)說(shuō)都不需要在地震時(shí)保持完全彈性,都可以允許發(fā)生彈塑性反應(yīng),只是功能需要不同,允許的程度不同。

分析這兩類(lèi)建筑功能核心需求,雖然保證功能與保障生命對(duì)結(jié)構(gòu)延性需求略有不同,但保證功能正常使用并不等于需要設(shè)防地震時(shí)結(jié)構(gòu)完全保持彈性。

(3)關(guān)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)討論

目前從設(shè)計(jì)工程師們反饋的信息是,對(duì)“設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用的要求”的建筑直接用設(shè)防烈度參數(shù)(簡(jiǎn)稱中震)進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者認(rèn)為直接用中震設(shè)計(jì),不考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際地震反應(yīng)的地震力折減,與多年積累的國(guó)內(nèi)外地震工程經(jīng)驗(yàn)有差距,與震害實(shí)際情況也有不符;與現(xiàn)行考慮地震作用(烈度)折減同時(shí)匹配相應(yīng)延性措施的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(自89《抗規(guī)》之后各版規(guī)范統(tǒng)稱為現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))體系不協(xié)調(diào)。

筆者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)建筑在地震時(shí)允許結(jié)構(gòu)處于的彈塑性狀態(tài)以及不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)地震的不同反應(yīng),分別討論建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)考慮地震作用折減的現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),歷經(jīng)多次地震考驗(yàn)證明是有效的。文獻(xiàn)《建筑地震作用計(jì)算方法演變與發(fā)展》[12]例舉了2010至2021十余年間我國(guó)192次5級(jí)以上地震(其中6級(jí)以上26次)中的部分震害情況,多數(shù)震害表明,嚴(yán)格按現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系設(shè)計(jì),在遭遇設(shè)防烈度時(shí)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都能保持基本完好,這說(shuō)明現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以保證設(shè)防烈度下不壞;同時(shí)震害也反映其磚混結(jié)構(gòu)墻體或鋼混結(jié)構(gòu)的填充墻有出現(xiàn)開(kāi)裂,這也進(jìn)一步說(shuō)明結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同對(duì)地震的反應(yīng)不同,對(duì)于低延性結(jié)構(gòu),地震反應(yīng)會(huì)更大。

因此本文建議,在目前設(shè)計(jì)師們普遍采用規(guī)范菜單式設(shè)計(jì)階段,對(duì)于“設(shè)防地震時(shí)能夠滿足正常使用的要求”的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),還應(yīng)以現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)按功能需求分類(lèi)采用不同標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于第一類(lèi)功能性保障需求建筑,在現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中抗震措施提高一度的基礎(chǔ)上,可以考慮地震力也提高一度的設(shè)計(jì)方法(不超過(guò)9度)。通過(guò)算例內(nèi)力結(jié)果(表19、20),可得到以下對(duì)比關(guān)系:1)梁端彎矩,Ⅶ度中震比Ⅷ度小震大;2)梁端剪力,Ⅶ度中震與Ⅷ度小震大致相當(dāng);3)柱端彎矩、剪力,Ⅶ度中震比Ⅷ度小震小。

表19 Ⅶ度中震與Ⅷ度小震梁構(gòu)件內(nèi)力比值

表20 Ⅶ度中震與Ⅷ度小震柱構(gòu)件內(nèi)力比值

表19、20中數(shù)值僅作為規(guī)律性判斷,對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)沒(méi)有意義,但其規(guī)律性符合抗震設(shè)計(jì)概念。從概念上說(shuō),按提高一度的地震參數(shù)進(jìn)行截面強(qiáng)度設(shè)計(jì),對(duì)考慮強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎內(nèi)力調(diào)整的構(gòu)件,其地震作用可以接近或達(dá)到中震參數(shù)的水平(如底部柱內(nèi)力、梁端剪力會(huì)超過(guò)中震參數(shù)水平),再配以相應(yīng)的構(gòu)造措施,保證設(shè)防烈度下的延性需求。此時(shí)強(qiáng)度驗(yàn)算與構(gòu)造措施在現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中都有章可循,設(shè)防目標(biāo)就是簡(jiǎn)單的提高一度的設(shè)防目標(biāo),概念清楚,方法便利。

對(duì)于第二類(lèi)自救逃生保安全需求的建筑,完全可以執(zhí)行現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中這些建筑已經(jīng)按乙類(lèi)提高一度抗震措施設(shè)計(jì)(工程實(shí)踐中涉及老幼殘建筑在層數(shù)、高度、規(guī)模等方面都有相關(guān)規(guī)定),此時(shí)用內(nèi)力調(diào)整提高構(gòu)件強(qiáng)度推遲其進(jìn)入塑性的時(shí)間,用構(gòu)造措施限制塑性變形,防止影響逃生的破壞,就已經(jīng)能夠完成設(shè)防烈度下的功能使命。

但需注意的是,由于現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)地震力是采用同一折減系數(shù)的,不能完全解決不同結(jié)構(gòu)的不同反應(yīng)的問(wèn)題,如果這兩類(lèi)建筑采用了低延性類(lèi)型的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)尚應(yīng)考慮地震作用的適當(dāng)放大。因?yàn)槟壳斑€缺少這方面的專門(mén)研究成果,在現(xiàn)階段可參考78版《抗規(guī)》給出的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)按結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行地震作用的調(diào)整,見(jiàn)表21。

表21 結(jié)構(gòu)地震作用調(diào)整系數(shù)

對(duì)于有特殊要求的建筑還可采用更精細(xì)化的數(shù)值分析方法,但要確定合理的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。當(dāng)然,隨著今后經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展直接提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)顯然是最直接有效的方法。

4 結(jié)論

(1)縱觀地震力理論發(fā)展,以地面加速度作為描述地震力度量物理指標(biāo),一直存在理論數(shù)據(jù)大于與地震經(jīng)驗(yàn)數(shù)值的情況,并且不同結(jié)構(gòu)在地震中的真實(shí)反應(yīng)與理論分析得到的地震反應(yīng)差異程度不同。

(2)從地震影響系數(shù)推演可以看到,我國(guó)是采用設(shè)防烈度地震設(shè)計(jì),所謂小震是遭遇設(shè)防烈度地震時(shí)結(jié)構(gòu)較小的地震反應(yīng),不是結(jié)構(gòu)遭遇了一個(gè)較小的地震。無(wú)論采用結(jié)構(gòu)系數(shù)折減還是烈度折減都是設(shè)防烈度下的截面彈性設(shè)計(jì),只是適用結(jié)構(gòu)類(lèi)型有限,小震僅適用地震反應(yīng)程度約為0.35倍的結(jié)構(gòu)。

(3)對(duì)“滿足正常使用要求”的建筑,首先應(yīng)按其功能確定建筑物在地震時(shí)允許的狀態(tài),即是否有必要在地震時(shí)完全保持彈性,在此基礎(chǔ)上考慮確定合理的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);在目前更普遍采用規(guī)范菜單式設(shè)計(jì)階段,宜在現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中尋找截面強(qiáng)度與延性構(gòu)造措施相匹配的已有設(shè)計(jì)規(guī)定。

(4)對(duì)不同結(jié)構(gòu)在相同地震作用下結(jié)構(gòu)的不同反應(yīng),應(yīng)結(jié)合建筑功能對(duì)結(jié)構(gòu)延性需求給出合理的地震力調(diào)整,目前缺少這方面專述,有待進(jìn)一步研究。

(5)一直以來(lái),借鑒過(guò)往經(jīng)受地震考驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn),各國(guó)都采用了比理論地震作用要小很多的設(shè)計(jì)地震作用,試圖以此降低幾十年甚至幾百年一遇的小概率事件的抵御成本。考慮結(jié)構(gòu)一定限度的延性,在理論與實(shí)踐、安全與經(jīng)濟(jì)之間找到平衡,以這樣一個(gè)平衡點(diǎn)來(lái)確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),這是抗震設(shè)計(jì)有別于其他荷載設(shè)計(jì)的獨(dú)特思想,也是工程抗震的基本共識(shí)。