冶金工業建筑抗震設防思考范文

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本文作者：吳良玖

根據海城、唐山等地震的經驗,在研究制訂《冶金工業建筑抗震設計規程》(以下簡稱“規程”)中,編制組確定以“定性正確,定量合理,標準恰當,方便使用”為編制原則,其中,“標準恰當”的原則,具體體現在抗震設防總要求、設防烈度、設防標堆和設防水準等具體內容上。

一、抗,設防的總要求

抗震設防的總要求是保障地震作用下廠礦的生產安全和人身安全,這是政策性與技術性相結合的抗震設防總要求。所謂政策性,指的是根據國家當前的財力、物力條件,確定設防范圍和設防等級;按建筑物的重要性等級取用的容許損壞程度等。所謂技術性,指的是當前地震工程科學技術所能達到的水平,包括烈度的合理定量,地震動參數的積累和合理取值,由選廠、總平面布置到具體工程抗震設計技術的成熟程度等。海城、唐山地震以來,冶金部一直以保障地震下廠礦企業的人身安全與生產安全為抗震設防的必目標,而首先側重于保障人身安全。與此相對應,建筑抗震的研究對象主要是量大面廣的單體建筑物。隨著國家經濟條件的改善和地震工程科研技術的不斷進步,建筑抗震的研究將由單體建筑物的防治進到群體的防治,并與設備抗震、生命線工程等領域的研究相結合,由分部分項的地震危險性評定進到整個廠礦按生產全流程進行地震危險性的綜合評定,以適應冶金工業生產連續性強這一特點的需要,提商廠礦的綜合防震能力。抗震設防的總要求由原先的“保人身、保生產”迸到“保生產、保人身”的變化,正是反映或將反映地震工程科研技術的重大進步。在強烈地震作用下保障人身安全固然并非易事,而保障生產安全在技術上難度更大,涉及的領域范圍和內容更廣,綜合性更強;而且保障生產安全的目的,就所牽涉到的工業建筑和設施,將必然使人身安全的保障程度得到進一步提高。目前正處于這兩個設防總要求的過渡階段中。

二、抗,設防烈度的確定

新建工程和已有工程擴建時,確定抗震設防烈度的基本依據,是國家地震局1976年批準頒發的《中國地震烈度區劃圖》中規定的地區基本烈度。它以歷史地震活動性資料為基礎,根據地震地質條件,確定從1974年起一百年內地震危險區及其可能出現的最大震級與相應的震中烈度,再按分區的烈度衰減規律,判定所在地區在中等場地條件下的影響烈度,即基本烈度。這是中長周期地震預報在防震和抗震上對未來地震破壞程度的綜合定性估價,表明未來地震對特定觀察對象的動力作用或破壞作用的強弱程度。這是根據我國歷史地震記載資料豐富(約有2800年記載歷史)而強震運動記錄缺乏(在全世界已安設5000臺強震觀測儀中,我國僅有約二百臺)的實際情況,所采取的揚長避短但需補缺的抗震設防尺度。我國的新地震烈度表〔1〕、.〕將烈度定義為地面震動強弱程度的尺度,并根據建國三十余年來評定烈度的現場經驗和強震記錄資料的歸納分析結果,將烈度I與地面峰值剪切波加速度A的關系按公式(1)取用:A=10‘,‘o“2一,•,,,(1)其值比1974年和1978年抗震設計規范中的數值提高25%。上述對烈度的地面運動加速度定量,并與加速度反應譜中考慮地震動頻譜特性相結合,使烈度由原先的地震破壞后果的定性描述,進到定性與地震動參數(地震動強度和頻譜特性)定量的綜合評定,因而更適用于抗震設防和抗震設計的需要。由于地震的破壞作用是地震動強度、頻譜特性與持續時間三個主要因素的綜合反映,中國建筑科學研究院工程抗震研究所將烈度定義為地震的動力作用強弱程度,在加速度反應譜中引人遠震和近震的概念,以反映地震動持續時間長短的影響〔3〕。由于冶金工業廠礦具有長周期結構多的特點,因此,潛在震源的遠近對結構動力反應的影響是必須予以重視的主要因素之一。

三、遠瓜近展的劃分

大量的震害事實表明,震級小的近場地震和震級大的遠場地震,當綜合評定的烈度為相同級別時,在厚覆蓋層場地上地震動的頻譜特征和震害特點有明顯不同:前者地震動強度較大而頻譜組成中的短周期成分明顯,地震動持續時間短,短周期結構的震害比長周期結構的震害重;后者反之,地震動強度較小,長周期成分明顯,持續時間長,某些長周期結構的震害較重。這反映了震害的選擇性和累積性。首次在抗震設計規范中考慮地震動持續時間這一重要因素的是美國關于確定為遠震的震中距值,美國、日本和蘇聯〔5〕均取為100km。周錫元等由我國歷史強震等震線得出震中烈度I。與震級M的關系式10一0.24+l.26M,影響烈度I與震級M、震中距R(km)的關系式I~0.92+l.63M一3.49logR,由此可得我國地震的烈度衰減規律:I=0.61+1.291。一3.49logR遙I。(2)但由于震中距不易確定,中國建筑科學研究院抗震所建議以△I一I。一I~2度為近震、遠震的界限,即△I一0~l度為近震,△I多2度為遠震;遠震7度區將由震中烈度I。鄉9度所引起,遠震8度區將由I。多10度所引起。這樣,就可以從全國地震烈度區劃圖中的等震線中方便地查得遠震7度、8度區。例如:7度區徐州、連云港、棗莊、充州、萊蕪等地區的震中在郊城附近,I。多10度;河津、候馬、古縣,震中在臨汾附近,1。一9度;烏魯木齊、喀什、拉薩、昆明、昭通、德州、五原等,均為遠震7度區。位于遠震8度區的城市極少,如新疆的獨山子,四川的滬定等。至于9度區,由于此時震害將主要決定于地震動的強度,且原始資料太少(僅四例),故暫不分震源遠近。

對于雖為遠震7度、8度,但屬于I類場地的地區,由于從建筑物基底輸入的剪切波其長周期成分的幅值不大,故對長周期結構不致加重震害。周錫元等對三組不同震級、震中距的地震(M=5.5,R=lokm;M一6.5,R一30km;M一7.5,R=100km)形成相同影響烈度(I一7度)的場地地震反應計算結果作了比較,不同震中距時薄土層場地的三個標準化反應譜差別很小〔5〕。因此,考慮遠震對長周期建筑影響的范圍主要是7度、8度區的I、I、F類場地;就全國范圍來說,7度、8度區中的大多數以及9度區,則主要是近震影響。

上述區分遠震、近震的方法雖然是粗略的,但簡單實用,對一般工程已能滿足要求。至于重要的大型廠礦,當有可能進行地震小區劃,提出所在場地的設計反應譜時,則在分析未來的潛在震源時已考慮了震中距的遠近,但對遠場地震宜同時輸人遠震區所得的基巖運動記錄,以彌補目前對剪切波傳播途徑方面研究的不足。

四、根絡班筑,要性等級,區別抗震設防要求

對于地震區中特別重要的建筑物,在我國1974年、1978年兩本抗震設計規范中均有有關按批準權限報請批淮后可提高一度進行抗震設防的規定。國內地震工程界不少同志認為,這種不問薄弱環節所在,也不問形成薄弱環節的原因是強度不足還是塑性變形能力不足,而將整體結構及其地基的作用地展力統統都提高一度的做法,既是不經濟的,也不一定能深證安全。如果結構中的主要受力構件在地震下出現脆性破壞,則即使提高一度設防,由于無塑性耗能條件使地震力可能增大到三倍,而按提高一度設防的承載能力僅增加到二倍,故仍難免在薄弱部位發生脆斷。“規程”中對建筑物按共用途的重要性劃分為A、B、C三級,并與新規范相銜接,對A類建筑按批誰權限報i濘批準后可提高一度采取抗震構造措施,而不是提高一度來取用地震力。這樣,所采取的措施具有針對性,因而能保障安全,且花錢不多。對建筑物劃定重要性等級的標準,除象一般工業建筑那樣考慮保障生命和重要設備的安全外,并針對冶金工業生產連續性強和次生災害嚴重的特點,從嚴劃分A類建筑,這主要指大型廠礦中,建筑物的中斷使用將對連續生產和人民生命造成嚴重后果者,包括全廠礦性的動力系統、調度系統建筑,地展救災需要的建筑,地震下受損后可能導致嚴重次生災害的建筑,以及礦山的安全出口等。

五、合理取用抗,設防水準

根據海城、唐山等地震的震害經驗,國內地震工程界提出“小震不壞,大震不倒”的設防要求,但在現行全國抗震設計規范中,對本地區的大屯中、小地震沒有定量標準,對高于基本烈度的大震也沒有提出具體的計算4和構造要求。全國抗震設計規范修訂組近年來的科研新進展,使有關問題逐步趨于實用。“規程”編制組吸取了有關經驗,并按冶金工業建筑的特點和實踐體會加以運用。

1.抗班設防要求的三個水準

國際上的總趨勢是根據本地區的大中小不同地震分別取用不同的設防水準,例如:日本1981年新耐震設計規范規定,建筑物在幾十年到一百年的使用期限內可能遇到幾次中、小地震的情況下不損傷,且不影響使用;在最多遇到一次的強烈地震下不發生倒塌和人身傷亡。美國加州ATC一3抗震設計條例中要求:建筑物在小震下不損壞;在中等地震下,結構不顯著損壞,但容許非結構部分有某些損壞;在大地震下,結構或其構件和設備沒有大的破壞,必須保證生命安全,對重要設備特別是應急所需要的主要設備在地震時和地震后應保持正常運行。其它國家,如加拿大、印度、希臘、秘魯等國的抗震設計規范都有相應的規定。新作訂的我國抗震設計規范提出抗震設防的三個水準,即:建筑物在小于本地區基本烈度的多遇地震作用下不損壞,以滿足正常使用要求;建筑物在本地區的基本烈度地震作用下容許有不致危及人身和生產設備安全的損壞,不需修理或稍加修理即可恢復使用(“規程”中并增加“不致引起危及安全的次生災害”的內容);建筑物在高于本地區基本烈度的罕遇地震作用下不發生倒塌或危及人身安全的嚴重破壞。

2.所在地區大中小地震的界限

不少國家把在50年內超越概率為10%的地震強度作為一般工業與民用建筑的抗震設防標準;對應我國具有豐富歷史地震記載的特點,代以50年內超越概率為10%的烈度作為抗震設防標準。中國建筑科學研究院抗震研究所對我國華北、西北和西南地區65個城鎮得出50年內烈度概率密度分布曲線,其與現行烈度區劃圖中相應城鎮的基本烈度對比結果表明〔6〕,基本烈度相當于50年內超越概率平均值約為10%~13%的地震烈度,與上述10%超越概率值基本相同。多遇地震(烈度概率密度分布曲線上的眾值)比基本烈度降低值平均為1.55度,標準差。一0.16度。按公式(1)進行計算,多遇地震作用下地面運動剪切波加速度為基本烈度地震時數值的34%,其值相當于按規行抗震設計規范計算各類結構水平地震力時的結構影響系數C的平均值。這雖然是偶然的巧合,但說明以往按基本烈度進行抗震驗算的結果,對某些結構卻隱含了多遇地震下的抗震安全度。對應基本烈度為7、8和9度地區,50年內分別出現高于1度、0.75度和0.5度地震的超越概率約為2%~4%(烈度高者為小的超越概率),這樣的小概率事件當是可以被接受的,并稱之為罕遇地震。由此得不同基本烈度地區在遭遇不同等級地震時的地震系數k值(以g為單位)如表1。

3.達到三水準設防要求的具體措施

為使結構在多遇地震下無損壞,結構應處于彈性范圍工作,按線性動力理論進行地震反應計算,在彈性地震力的組合荷載下,結構及其主要受力構件應滿足強度(承載能力)要求,對某些結構,如重要的鋼筋混凝土水池、地下通廊等還應滿足抗裂度要求。

為使結構在落本烈度地震下滿足容許的有限損壞要求,對干已處于彈塑性工作狀態釣結構,按其組成構件和節點的所長,分別滿足強度或塑性變形能力的要求,使對先行出現塑性變形的構件限制其塑性變形出現量并合理利用其塑性吸能能力,使主要受力構件和節點沒有先行出現脆性破壞的可能。為使結構在罕遇地震下不發生危及生命的嚴重破壞或倒塌,除滿足承載能力和吸能能力的要求外,還應考慮結構的整體穩定性、極限側移量和抗傾覆能力,進行相應的抗震驗算。

綜上所述,在地震組合荷載作用下,應從六個方面綜合考慮結構的動力可靠度:強度(承載能力)和某些結構的抗裂度、塑性變形能力(或表現為吸能能力)、空間整體穩定性、側向變形以及抗傾覆能力;在本地區的多遇地震、基本烈度的地震和罕遇地震作用下,根據結構需要達到的功能要求,而對上述要求有所側重,但共性的要求是承載能力,后兩個水準的共性條件是塑性變形能力。

按現行抗震設計規范和抗震鑒定標準進行抗震設計時,只考慮第二個設防水準,其中還有某些概念上似有混淆的內容,舉例如下:

1)算得的水平地震力是經塑性耗能折減后的水平地震力,而取用的反應譜卻是加速度彈性反應譜;

2)結構已進人彈塑性工作狀態,但地震內力的組合卻采用線性疊加的方法;

3)對于已進入塑性狀態的結構組成構件,其總安全系數只可能是k一l,而不可能有大于l或小于l的情況,而現在抗震鑒定標準中鋼結構和鋼筋混凝土結構卻出現k<l的情況。

在修訂國家的抗震設計規范及制訂國家的工業構筑物抗震鑒定標淮和冶金部抗震設計規程時,都考慮消除上述概念上的矛盾,但考慮的方法有所不同。

為了在滿足多水準設防要求的基礎上使計算得到簡化,一般采用兩階段設計:在第一、二個設防水淮中選取其一,在某一設防水堆的抗震驗算中隱含了另一個設防水準的要求;再對少數結構進行罕遇地震下的側移和其它驗算。對于前者,如果選取小震進行結構及其地基的抗震強度等驗算,其優點在于結構的彈性工作階段與所取用的彈性反應譜、彈性地震力、線性要加的內力組合方法之間概念上一致,但可能有新的誤解或出現新的矛盾:其一,以往在水平地震力計算中引人結構影響系數C,提醒人們要綜合考慮承載能力和塑性變形能力(吸能能力),雖然在結構的抗震構造中采取了保證塑性變形能力和吸能能力的多種措施,但在地震力計算公式中卻得不到反映;其二,在反應譜中引入遠震的概念,考慮遠震的主要點在于遠展時地面運動剪切波主要周期的加長對某些長周期結構可能產生加振作用,以及地震動持續時間的加長使已進入彈塑性工作狀態的長周期結構產生破壞的累積性。“持時的主要影響在于結構反應一旦超過彈性極限后可能發生的強度喪失”〔‘〕;胡幸賢教授亦認為,“持時的重要意義同時存在于非線性體系的最大反應和能量損耗積累兩種反應之中”,而彈性結構雖經多次反復受力卻不會引起能量損耗的累積效應,不會導致結構承載能力的喪失,這樣,按彈性階段考慮遠震就失去了主要意義;其三,取用彈性反應譜,但結構周期的取值卻往往考慮出現容許性損壞后加長了的周期,兩者不一致;其四,結構在多遇地震的彈性地震力作用下處于彈性階段工作,而構件截面計算卻采用彈塑性工作狀態的計算簡圖,兩者不協調;其五,在較低烈度區,對應于多遇地震時的地面運動加速度值是否可能使可液化土層出現液化以及液化程度如何,地基承載力是否可能出現失效,恐怕存在定性上或量綱上的矛盾。

鑒于上述情況,我們在第一、二個設防水淮中采用了基本烈度地震下的抗震臉算,但盡量地避免前所列舉的現行規范在概念上易混淆之處,其要點如下:

(l)取基本烈度地震下的彈性地震力,則其地艘影響系數a的最大值a二.二~刀k~2.25k對應于基本烈度7、8和9度區分別為0.28、0.56和1.12。這樣,彈性地震力與彈性反應譜、內力的線性疊加方法得到一致;

(2)_上述彈性地震力與恒載等所產生于構件的內力組合后,如其值超過構件的彈性極限強度(屈服承載能力),則將先行出現塑性變形而起耗散地震能量的作用,因而對強度較之為大的脆性構件和節點起卸載作用,也即是在內力組合中才考慮結構類型和工作狀態系數C;

(3)在對水平地震力產生的內力乘C值折減的同時,并考慮由于容許出現有限的損壞而對結構周期乘以大于1的加長系數,以近似地考慮結構進入彈塑性狀態后反應的降低;

(4)結構組成構件中的總安全系數取為k多l,而無k<l情況,其中,k一l的構件指先行出現塑性變形的構件已達到屈服內力;k>i的構件是指未達到彈性極限強度的構件和節點;

(5)C值命名為“結構類型和工作狀態系數”,簡稱結構系數,所述結構類型包括組成材料(鋼、鋼筋混凝土、磚砌體等)和形式的不同,所述工作狀態指處于彈性工作狀惑還是彈塑性工作狀態。其值按不同類型結構而異,但原則上應不小于多遇地震時與基本烈度地震時地面運動剪切波加速度的比值,使得按基本烈度地震時的抗震驗算結果隱含了多遇地震時的承載能力要求。

采用上述抗震驗算方法同樣存在著弊病,例如,采用加長周期的方法與結構的彈塑性反應不能等同。但從總體來看,以基本烈度地震進行抗震驗算而隱含多遇地震影響,似乎較為合理。

至于在罕遇地震下避免結構倒塌的要求,限于目前對工業建筑尚缺少研究,故僅針對結構產生倒塌的原因采取一些構造措施。從震害中,分析結構倒塌的主要原因在于:(l)長周期結構整體或層間側移過大而形成過大的P一△(垂直力一側移)效應;(2)結構出現薄弱層,由塑性交形集中或主要受力構件脆斷使靜定體系變為機構;(3)整體失穩,或者因失去整體性而導致結構受力體系改變、示載能力不足;(4)地墓承載能力失效等。有關處理措施舉例如下:合理取用塑性變位率,使其值與延性系數之間尚有一定的富裕量;抗側力構件的合理設置以避免出現薄弱層,豎向支撐斜桿取用合理的長細比值使之透當增加吸能能力;要求脆性構件和節點的價載能力大于先行出現塑性變形的構件的承載能力,使前者為后者提供出現塑性耗能的條件,而后者為前者卸載,互湯其長,互補其短而形成整體之一長;對高重心結構進行抗傾覆驗算;加強連接構造使捉高結構的整體性和改善傳力路線;采取避免液化地荃和其它軟弱土地基承載能力失效的措施,等等。

上述內容從一個側面反映了近期我國地震工程技未的某些進展,在設防標準上較前有所合理,但隨著地震工程技術的進步,還將進一步完善并解決一些新問題,諸如:為保障地震下生產安全,從單體建筑抗震進到按生產流程綜合評定工業建筑和設施的動力可靠度時設防標準的合理取用,罕遇地震下為防IL長周期工業建(構)筑物倒塌以取用什么地面運動強度(加速度、速度還是位移)為宜及其計算方法等,有待逐步解決。