抗震設防標準與結構抗震安全性.ppt

抗震設防標準與結構抗震安全性 高小旺王菁肖偉孟鋼王巍周曉夫 中國建筑科學研究院 提要 工程結構采用的抗震設防標準對于其安全水平是至關重要的 本文采用投入 效益的工程決策分析方法 對不同重要性建筑的抗震設防標準進行了探討 對 建筑抗震設防分類標準 GB50223 95中的乙類建筑是否較丙類建筑提高和降低地震作用進行抗震截面驗算等作了工程投入和地震損失分析 提出了不同重要性的建筑抗震設防的最佳標準 關鍵詞工程決策重要建筑設防標準 1 前言 工程結構抗震的安全性與抗震設防標準 結構的抗震設計和施工等諸多因素有關 在這其中 抗震設防標準的確定是非常關鍵的 從一定意義上講 抗震設防標準決定著工程結構抗震安全水平 抗震設防標準既包括一個城市的設防烈度或地震動參數(shù) 又包括不同重要性工程因其使用功能的重要性而應采用不同的設防標準 圍繞較正確地確定抗震設防標準 國內(nèi)外學者進行了一系列的研究 適應地震作用隨機性的特點 采用概率方法確定抗震設防標準是較為合適的 采用投入 效益的工程決策分析方法 對城市抗震設防標準的若干問題進行了分析 建筑重要性分類 甲類建筑 特殊要求的建筑 如遇地震破壞會導致嚴重后果的建筑等 乙類建筑 國家重點抗震城市的生命線工程的建筑 主要指使用功能不能中斷或需要盡快恢復的建筑 丙類建筑 地震破壞后有一般影響及其它不屬于甲 乙 丁類的建筑 丁類建筑 次要的建筑 如遇地震破壞不易造成人員傷亡和較大損失的建筑 對乙類建筑中的第1類和第2類是否僅提高一度采取抗震構造措施 以及對于丁類建筑降低一度采取抗震構造措施 是否為最優(yōu)的抗震設防標準 尚需進一步探討 2 工程抗震設防標準決策分析方法概要 確定合理的抗震設防標準 必須建立在對一個城市或地區(qū)的地震危險性和對不同烈度地震作用下造成損失 包括直接損失和間接損失以及人員傷亡等 的科學分析基礎上 采用抗震設防 效益分析方法來確定工程抗震設防標準 需要建立目標函數(shù) 使之取極值求得最佳決策 目標函數(shù)可為期望的總損失 則極值為最小 也可為效益 則極值為最大 抗震設防標準的最佳取值 可為按某一設防烈度建造房屋和工程的投入與50年內(nèi)該城市或地區(qū)在各種不同烈度地震作用下的期望損失之和W I 為最小來確定 可用下列公式表示 W I min 2 式中R I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設防烈度的工程投入 P i 該城市或地區(qū)I烈度的出現(xiàn)概率 S1 I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設防烈度時 不同地震烈度作用下的直接損失 主要包括工程結構和結構內(nèi)部財產(chǎn)的損失 S2 I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設防烈度時 不同地震烈度作用下的間接損失 包括停水 停電 火災和停產(chǎn)的損失 S3 I 該城市或地區(qū)以I烈度作為設防烈度時 不同地震烈度作用下的人員傷亡損失 其分析方法可概括為圖1所示的框圖 3 地震損失分析 地震作用下造成的損失 可分為直接經(jīng)濟損失 間接經(jīng)濟損失和遠期損失以及人員傷亡等 這些損失和人員傷亡都與工程結構的破壞狀態(tài)有關 因此 討論地震損失中一個重要的工作就是對工程結構在不同地震作用下的易損性分析 通常我們稱為震害預測 3 1地震作用下工程結構的震害預測方法 基于可靠度理論的震害預測方法 對采取不同配筋率 軸壓比和體積配箍率的鋼筋混凝土構件的屈服 極限變形進行了分析 在構件配箍率和軸壓比相同的條件下 體積配箍率的增加對極限位移影響比較大 對屈服位移影響不大 其規(guī)律是隨著體積配箍率的增加 構件的極限變形能力增強 我們在乙類建筑的震害預測中引入了這方面的分析結果 3 2建筑物內(nèi)物資損失分析 地震作用下的建筑物破壞將導致建筑物內(nèi)的物資破壞 特別是工業(yè)廠房的破壞將導致對廠房中設備的破壞 因此 在分析工程結構的損失中 應對建筑物內(nèi)的物資損失進行分析 這里要說明的是 工業(yè)廠房內(nèi)的設備破壞是由二個方面引起的 一是由于在地震作用下設備地腳螺栓抗剪強度不足和浮放設備傾覆引起的破壞 也就是設備本身在地震作用下的破壞 二是由于廠房嚴重破壞或倒塌砸壞設備產(chǎn)生的 廠房內(nèi)的物資損失主要是指后者 根據(jù)對震害資料的分析 文獻 建議的建筑物內(nèi)物資損失與物資價值的比值列于表1 表1建筑內(nèi)物資損失與物資價值比 3 3地震間接損失的分析 地震的損失除了工程結構的破壞 基礎設施的失效 建筑物內(nèi)物資和設備的破壞 次生災害引起的構筑物和建筑物等破壞以及人員傷亡外 還有由地震破壞造成的停產(chǎn)或減產(chǎn) 特別是原材料工業(yè)部門和能源供應部門的停產(chǎn)或減產(chǎn) 會使依賴于這些能源和原材料加工的工業(yè)部門的生產(chǎn)引起一系列的連鎖反應 這種影響往往不僅限于地震區(qū) 而且還波及到其鄰近的地區(qū) 比如 發(fā)電廠主廠房的嚴重破壞 會使依靠電力作為能源的工廠停產(chǎn)或部分停產(chǎn) 對于乙類建筑 其間接損失較丙類建筑要嚴重得多 這主要是乙類建筑的使用功能一旦中斷 將對國民經(jīng)濟產(chǎn)生重大損失 特別是乙類建筑中的調(diào)度信號樓 網(wǎng)控樓 鐵路行車調(diào)度樓 航管樓等的嚴重破壞 將導致停電 鐵路與航空運輸中斷 其間接損失是非常巨大的 建議乙類建筑的間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下的直接損失的關系采用表2所列的倍數(shù) c 關于丁類建筑的間接損失 由于儲存物品價值低 其間接損失較丙類建筑要小 建議丁類建筑的間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下的直接損失的關系采用表2中丁類建筑的 c值 表2間接損失與各種不同破壞狀態(tài)下直接損失的倍數(shù) c 注 乙類建筑為中等破壞且有精密設備時 c1 0 乙類建筑為嚴重破壞后倒塌破壞狀態(tài)時 影響范圍大的取 c的較大值 4 建筑抗震設防標準分析 下面僅對 建筑抗震設防分類標準 中的乙類和丁類建筑進行抗震設防標準的分析 4 1不同設防城市50年內(nèi)各地震烈度的發(fā)生概率 在乙類和丁類建筑抗震設防標準的決策分析中 要給出各烈度在50年內(nèi)發(fā)生的概率 才能分析損失的期望值 在我們運用一些城市的地震危險性分析結果中 有一些城市的地震危險性分析結果中 有一些給出烈度超過5度 5 5度 6度和6 5度 的概率 作為對一些城市的決策分析 我們?nèi)? 5 6 49度為6度 6 5 7 49為7度 7 5 8 49為8度 8 5 8 49為9度 9 5 10 49為10度 大于10 5為11度 根據(jù)上述原則 所進行的設防烈度為6 9度的四個典型城市 在50年內(nèi)發(fā)生6 11度地震的概率列于表3 表36 7度設防典型城市50年內(nèi)發(fā)生各種地震烈度的概率 4 2破壞概率分析 對乙類建筑 主要指鋼筋混凝土結構類型 包括鋼筋混凝土框架 高層鋼筋混凝土結構和單層鋼筋混凝土柱廠房等 該類建筑提高一度采取抗震構造措施以及構件強剪弱彎 強柱弱梁 強節(jié)點和柱軸壓比的調(diào)整等 能夠較大的提高構件的極限變形能力 對于乙類建筑中的第1類調(diào)度信號系統(tǒng)房屋 若提高構件的承載能力 在地震作用下延緩了結構進入屈服的時間 在一定強度地震作用下的結構變形將會減少 再加上又提高一度采取抗震構造措施 該結構發(fā)生中等以上破壞的概率將會減少較多 表4列出了7度區(qū)某城市46幢鋼筋混凝土框架結構樣本 按丙類建筑設計 按提高一度采取構造措施及將地震作用增大1 5倍并提高一度采取構造措施等三種情況下 在7 8 9度時不同破壞狀態(tài)下的震害 表47度區(qū)某城市46幢鋼筋混凝土框架結構樣本采構造措施后的震害預測結果 同樣我們也可以分析丁類建筑的單層磚柱廠房按降低一度采取抗震構造措施和降低為0 75的承載能力及同時降低一度采取抗震構造措施的震害預測結果 4 3造價分析 對于乙類建筑不僅提高一度采取構造措施 而且對于信號調(diào)度樓還應提高地震作用進行結構構件的承載能力驗算 對于丁類建筑不僅降低一度采取構造措施 而且還可以降低地震作用進行構件承載力驗算 提高地震作用和同時提高一度采取構造措施的乙類建筑的工程造價 比僅提高一度采取構造措施的要增加 其增加的比例可按表5給出的范圍取值 僅提高一度采取構造措施時 取下限值 同時提高一度地震作用時取上限值 其它內(nèi)插 對于丁類建筑降低地震作用和同時降低一度采取構造措施 不同設防烈度的工程造價較不設防的增加值列于表6 若僅降低一度采取構造措施時取表6中的上限值 同時降低一度地震作用時取下限值 其它內(nèi)插 表5乙類建筑同時提高地震作用和提高一度采取構造措施比不設防時工程造價的增加比例 表6丁類建筑同時降低地震作用和降低一度采取構造措施比不設防時工程造價的增加比例 4 4抗震設防標準的分析結果 在進行工程決策分析中 我們采用歸一化的方法 即以乙類建筑提高一度采取構造措施抗震設防的投入與期望損失之和為標準W1 與按丙類建筑設防的投入與期望損失之和W2及按提高承載能力 按1 5倍地震作用進行構件承載力驗算 和同時提高一度采取構造措施抗震設防的投入與期望損失之和W3相比較 其最小值為乙類建筑的最優(yōu)設防標準 對6 9度四個典型設防烈度的分析結果列于表7 表7乙類建筑三種不同設防要求的分析結果比較 從表7可以看出 對于乙類建筑的第1類如指揮調(diào)度樓 從發(fā)揮其正常運行的功能來說 構件承載力驗算中按1 5倍地震作用有助于減輕地震災害 對于乙類建筑的第2類如大中城市的三級醫(yī)院的住院部 醫(yī)技樓 門診部和大型影劇院等 可僅提高一度采取構造措施 對于乙類建筑的第3類如工廠變電站等 可采取抗震性能好 經(jīng)濟合理的結構體系 并按本地區(qū)的抗震設防烈度采取抗震措施 乙類建筑中第1類的重要性系數(shù)可采用1 5 并且僅乘在地震作用效應上 而不是統(tǒng)乘在所有的荷載效應上 這與文獻 2 采用概率方法 對45個城市進行地震危險性分析給出的平均100年一遇地震峰值加速度的1 45倍大體一致 也就是說 乙類建筑中第1類的地震作用取值為平均100年一遇的地震 對于丁類建筑采用同樣的方法進行分析 以降低一度采取構造措施的投入與期望損失之和為標準的W1 與按降低構件承載力 系數(shù)采用0 75 并同時降低一度采取構造措施的投入與期望損失之和W2相比較 結果可以看出 對于抗震設防為7 8 9度區(qū)的丁類建筑 可采用該類建筑地震作用的0 75倍進行截面抗震驗算并降低一度采取構造措施 對于6度則不再降低 文獻 2 運用概率方法分析指出 0 75倍的地震作用為平均30年一遇的地震作用與平均50年一遇的地震作用的比值 也就是說 丁類建筑可采用平均30年一遇的地震作用進行結構構件截面設計 0 75系數(shù)也同樣是僅乘在地震作用效應上 5 結束語 本文采用工程決策分析方法 對不同重要性建筑的抗震設防標準進行了探討 給出了不同重要性建筑抗震設防的最佳標準 筆者認為 對于一個大型的單體公共建筑和一個具體的重要性建筑 也可應用工程決策的分析方法 確定其最優(yōu)的設防標準 使其抗震設防做到既安全又經(jīng)濟 參考文獻 1高小旺 鮑靄斌 用概率方法確定抗震設防標準 建筑結構學報 1986年2高小旺 鮑靄斌 抗震設防標準及各類建筑物抗震設計中 小震 與 大震 的取值 地震工程與工程震動 1989 9 1 3高小旺等 工