中美欧抗震设计规范地震动参数换算关系的研究

第 36 卷 第 8 期 建 　筑 　结 　构 2006 年 8 月 中美欧抗震 设计规范 民用建筑抗震设计规范配电网设计规范10kv变电所设计规范220kv变电站通用竖流式沉淀池设计 地震动参数换算关系的研究 罗开海 　王亚勇 (中国建筑科学研究院工程抗震研究所 　北京 100013) [提要 ] 　通过对中美欧抗震 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规范中场地类别以及设计地震危险性特征等内容的分析比较 ,确定了中美欧 抗震设计规范中场地类别的对应关系 ,给出了三本规范间地震动参数的换算关系以及中国地震分区在美欧规 范中的地震动参数值。 [关键词 ] 　抗震设计规范　场地类别　地震危险性　地震动参数 Research on Conversion Relationships Among the Parameters of Ground Motions in Seismic Design Codes of China , America and EuropeΠLuo Kaihai ,Wang Yayong( Institute of Earthquake Engineering ,China Academy of Building Research , Beijing 100013 ,China) Abstract :By the comparison among the seismic design codes of China ,America and Europe about the site classification and the seismic hazard characteristics ,the coincidence relations of the site classifications are determinated among the three codes. The conversion relationships between the parameters of ground motions in China code and that in the other codes ,and the parameter values of ground motions of Chinese seismic zones in the forms of America code and Europe Code ,are presented. Keywords :seismic design code ;site classification ;seismic hazard characteristics ;parameters of ground motions 0 　 引言 目前世界各国的工程设计技术标准在设计理念、 设计原则甚至设计要求等诸多方面均存在许多差别。 因此 ,对于走向国际市场的国内企业以及进入国内市 场的国际机构来说 ,首要的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 就是如何理解、掌握并 应用一个全新的技术理念、技术标准。通过对中美欧 抗震设计规范的场地类别、地震危险性特征等内容的 比较分析 ,给出了中美欧抗震设计规范地震动参数的 换算关系 ,为正确理解并应用美欧规范起到抛砖引玉 的作用。 1 　 场地类别 世界各国的抗震设计规范都不同程度地考虑了场 地对设计地震动的影响 ,其中比较广泛的做法是将场 地按照地震反应的特征分类 ,针对不同类别的场地给 出相应的设计地震动标准 ,即设计反应谱。《建筑抗震 设计规范》( GB50011 —2001) [1 ] ,美国的现行规范 IBC— 2003[2 ] ,ASCE7 —02[3 ] ,以及欧洲的抗震设计规范 prEN 1998 —1 :2003 Eurocode 8[4 ]等 ,都规定了场地分类 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 , 并给出了相应的设计反应谱 (规范 IBC—2003 和 prEN 1998 —1 的分类见表1 ,2) 。在同一规范中 ,不同场地的 加速度反应谱的平台段的高度 (αmax , SDS , Ag 等) 和宽 度( Tg , Ts 等) 相差较大 ,说明场地类别对确定地震作 用大小有重要影响。另外 ,各规范彼此之间也有较大 的差别。 　　由于各国规范都是以标准场地(中国为Ⅱ类 ,美国 规范 IBC—2003 建筑场地类别 表 1 场地类别 100 英尺 (30148m)范围内各指标平均值 土层剪切波速€v s (mΠs) 标准贯入锤击数ŠN 不排水剪切强度€s u (kPa) A €v s > 1 524 — — B 1 524 ≥€v s > 762 — — C 762 ≥€v s > 36518 ŠN > 50 €s u ≥9518 D 36518 ≥€v s ≥18219 15 ≤ŠN ≤50 4719 ≤€s u ≤9518 E 18219 < €v s ŠN < 15 €s u < 4719 规范 prEN 1998 —1 :2003 建筑场地类别 表 2 场地类别 3010m 范围内各指标平均值 土层剪切波速 vs ,30 (mΠs) 标准贯入锤击数N SPT (次Π30cm) 不排水剪切强度cu (kPa) A > 800 — — B 360～800 > 50 > 250 C 180～360 15～50 70～250 D < 180 < 15 < 70 为B 类 ,欧洲为 A 类) 为基础给出各自的地震动参数 , 而且各国在对标准场地的界定上存在较大差异 ,因此 要对各规范的地震动参数进行换算 ,就必须首先了解 清楚各规范场地类别之间的关系 ,特别是标准场地在 对方的场地分类中所处的位置。从中美欧规范的场地 分类标准中 ,不难发现三种分类标准在参数个数、计算 深度以及基岩面确定等方面存在较大差别。 为了便于比较 ,不考虑各规范在基岩面的确定、土 层剪切波速的测定方法上的差异 ,将中国规范的计算 301 深度由 20m延伸至 30m ,根据保持分类不变的原则 ,计 算Ⅱ类场地各边界点的等效剪切波速。计算过程中采 用的假定如下 : 1) 覆盖层以下土层的剪切波速按 500mΠs计算 ;2) 覆盖层厚度 dov > 20m 时 ,深度介于 20m 和 dov之间土层的剪切波速采用外延线性插值方法按 113 v20计算 ;3) v20 < 140mΠs 时 ,其下限值取为 70mΠs。 图 1 ,2 分别为美国规范 IBC—2003 以及欧洲规范 prEN 1998 的场地类别划分图 ,其中的阴影部分为转换 后中国规范 Ⅱ类场地的范围。由图可知 :1) 中国规范 的Ⅱ类场地大致相当于美国规范的 C ,D 类场地 ,相当 于欧洲规范的B ,C类场地 ;2) 欧洲规范的 A 类场地大 致相当于美国规范的 A 类和 B 类场地 ,B ,C ,D 类场地 分别相当于美国规范的 C ,D ,E类场地。 图 1 　美国规范 IBC—2003 场地分类 　 图 2 　欧洲规范 prEN 1998 场地分类 　 2 　 中美欧规范的地震危险性特征 由于中美欧规范采用的设防地震的概率水平不一 样 ,因此 ,要对中美欧规范的地震动参数进行换算 ,还 必须了解清楚不同重现期或概率水平地震之间的换算 关系 ,即地震危险性特征。 211 规范 GB50011 —2001 的地震危险性特征 　　中国规范 GB50011 —2001 采用了三水准设防思 想。所谓三水准就是多遇地震、基本烈度地震和罕遇 地震 ,亦即所谓的“小震”,“中震”和“大震”,在 50 年设 计基准期内相应的超越概率分别是6312 % ,10 %和 2 % ～3 %(9 度区 2 % ,7 度区 3 %) ,对应的重现期分别大 约为 50 年 ,475 年 ,2475～1642 年 (9 度区 2475 年 ,7 度 区 1642 年) [5 ] 。其中 ,“中震”对应的烈度或地面运动 峰值加速度由相应的地震烈度区划图或地震动参数区 划图给出。然后 ,以“中震”烈度 I 为基准 ,人为约定 “小震”为 I - 1155 度 ,“大震”为 I + 1 度。实际上 ,这样 的定义 ,只是在 1977 年版的地震区划图的基础上对我 国少数城市进行地震危险性分析的平均结果 ,与 1977 年以后各版地震区划图的平均结果存在一定的差异。 而且 ,根据地震危险性分析可知 ,不同重现期的地震烈 度或地震地面运动峰值加速度之间的比例关系是因地 而异的。对于给定的场地或特定地区 ,如果以超越概 率或重现期来界定小震和大震 ,则小震和大震与中震 的差别通常并不等于 - 1155 度和 1 度 ;如果以烈度来 人为约定小震和大震 ,则小震与大震的重现期通常并 不等于 50 年和 1975 年[6 ] 。实际上 ,根据文 [ 7 ] , [ 8 ] 1992 年对全国7 000多个场点的地震动危险性分析结 果的统计分析 ,大震与中震的地震烈度差值普遍小于 1 度 ,而且具有明显的地区性。 但是 ,为了保持规范的延续性 ,在规范 GB50011 — 2001 中仍然保持了这样的人为约定 ,为了便于工程应 用 ,规范给出了对应于各设防烈度的地面运动峰值加 速度。在规范 GB50011 —2001 中 ,对于同一基本烈度 区 ,地震地面运动峰值加速度 (或设防烈度) 与重现期 的关系是一定的 ,即地震危险性特征或地震危险性曲 线是一定的。依据现行《建筑抗震设计规范》关于大震 和小震的约定以及如下基本假定 ,可以大致确定各烈 度区的地震危险性曲线。基本假定 : (1) 按现行《建筑抗震设计规范》约定的大震重现 期为 2475～1642 年 ,小震重现期 50 年。 (2) 基本烈度相同的地区 ,其地震危险性特征相 同 ,即同一基本烈度区 ,地震烈度与地震重现期的关系 符合下式 : I = a (log X) 2 + blog X + c (1) 式中 X 为地震的重现期 , I 为与 X 对应的地震烈度 , a , b , c 为相应的系数。 (3) 地震烈度与地震地面运动峰值加速度(单位为 g) 的关系可表示为 : A = 011 ×2 I - 7 (2) 式中 : I 为对应于重现期为 X 的设防烈度 ; A 为对应于 重现期为 X 的地震地面运动峰值加速度 ; 根据 GB50011 —2001 给出的 50 年超越概率为 6312 % ,10 % 以及 2 %～3 %的地震地面运动峰值加速度值 (表 3) , 可很容易地求出式(1) 中系数 a , b , c ,如表 4 所示。 　　将表 4 中的各系数值代入式 (1) ,由式 (1) , (2) 可 计算出各烈度区不同重现期的抗震设防烈度及相应的 地震地面运动峰值加速度。图 3 为各烈度区地震危险 　　 中国规范规定的地震地面运动峰值加速度值( gΠ1 000) 表 3 重现期 (年) 7 度 (0110 g) 7 度(0115 g) 8 度(0120 g) 8 度(0130 g) 9 度 50 35 55 70 110 140 475 100 150 200 300 400 1642 220 310 — — — 1975 — — 400 510 — 2475 — — — — 620 不同烈度分区式( 1)的系数值 表 4 烈度 7 度(0110 g) 7 度(0115 g) 8 度(0120 g) 8 度(0130 g) 9 度 系数 a 　01372 3 01291 4 01041 8 - 01152 5 - 01366 4 b - 01081 4 01210 0 11366 1 　2114 77 　31137 3 c 　41552 4 41940 9 41043 7 　31928 8 　31215 7 401 性曲线 ,表 5 为不同重现期地面运动峰值加速度值与 475 年重现期峰值加速度的比值 ,即重现期调整系数 γCN 。由图 3 及表 5 可知 ,随着基本烈度 (基本地震地 面运动峰值加速度) 的增大 ,地震危险性曲线趋于平 缓 ,罕遇地震的重现期调整系数γCN逐渐减小。 图 3 　各烈度区地震危险性曲线 　 各重现期峰值加速度的比值γCN 表 5 重现期 (年) 7 度 (0110 g) 7 度(0115 g) 8 度(0120 g) 8 度(0130 g) 9 度 50 0135 0137 0135 0137 0135 475 1100 1100 1100 1100 1100 1975 2151 2131 2100 1170 1150 2500 2197 2169 2125 1184 1158 212 美国规范 IBC—2003 的地震危险性特征 在 2000 年以前美国的《统一建筑规范》UBC 系列 中 ,一直是以 50 年超越概率 10 %的地震地面运动作为 设计地震的。但是 ,后来文[ 9 ]给出的 Kennedy 等人的 研究结论认为 :在 115 倍设计水准的地震地面运动作 用下 ,结构倒塌的可能性很小 ,当地震地面运动大于 115 倍设计水准时 ,结构倒塌的几率会大幅度增加。因 此 ,在 1997NEHRP[10] 中提出了一个大小为 115 倍设计 地震的极限地震 ( seismic margin) 的概念。但是由于各 地的地质构造、震源机制等因素的差异 ,不同的地区 , 其地面运动加速度峰值与年超越概率(或重现期) 的关 系是不一样的。具体地说 ,在美国西部太平洋沿岸地 区 ,50 年超越概率 2 %(2500 年重现期) 的地震大致相 当于 50 年超越概率 10 %的地震的 115 倍 ,与极限地震 相当 ;而在美国中东部地区 ,50 年超越概率 2 %的地震 大约是 50 年超越概率 10 %的地震的 5 倍左右 ,远大于 极限地震。这样就产生了一个问题 ,即在美国全国范 围 ,采用相同的概率水平 (50 年 10 %) 的地震作为设计 地震 ,却产生了不同的倒塌概率水平。为了解决这一 矛盾 ,在 2000 年以后的《国际建筑规范》IBC 系列中 ,采 用以 50 年超越概率 2 %来定义的最大考虑地震作为极 限地震 ,并以此进行全国的地震动区划 ;以最大考虑地 震的 2Π3(115 的倒数) 作为设计地震 ,使全国的防倒塌 水平达到统一[9 ] 。 图 4 ,5 为美国部分城市的谱加速度与重现期的关 系(地震危险性) 曲线[9 ] 。对于洛杉矶、旧金山、纽约、 查尔斯顿及孟菲斯来说 ,2500 年重现期 (50 年超越概 率 2 %) 的 012s 谱加速度与 475 年重现期 (50 年超越概 率 10 %) 的 012s 谱加速度的比值[11] ,即重现期调整系 数γUS分别为 117 ,117 ,313 ,510 ,511。 213 欧洲规范 prEN 1998 的地震危险性特征 欧洲规范 prEN 1998 采用的是两级设防的思想 , 即 :在设计地震(475 年重现期) 作用下 ,结构不应出现 局部或整体倒塌 ,确保震后结构的完整性和足够的竖 向承载能力 ;在常遇地震 (95 年重现期) 作用下 ,不应 出现结构破坏现象 ,保持结构的使用功能正常运行。 设计地震以及常遇地震的取值主要由各成员国的政府 部门根据本国的地震危险性区划图给出。同时 ,prEN 1998 也给出了由设计地震动参数确定常遇地震动参数 的折减系数ν( Ⅰ, Ⅱ类的建筑 ,ν= 014 ; Ⅲ, Ⅳ类建筑 , 　　　　 图 4 　美国部分城市地震危险性曲线 　 图 5 　美国部分城市标准化地震危险性曲线 501 ν= 015) 和地震的危险性的经验公式 : H( agR) = k0 ( agR) - k (3) 式中 H( agR ) 为地面运动峰值加速度 agR的年超越概 率 , k 和 k0 是与场地相关的两个常数。 3 　 中美规范地震动参数的换算关系 311 中国城市的美国规范参数 对于某个给定的中国城市 ,按照《中国地震动参数 区划图》( GB18306 —2001) [12]以及《建筑抗震设计规范》 ( GB50011 —2001) ,其基本地震烈度和地震分组是确定 的 ,则其相应的美国规范 IBC—2003 的地震动参数 ,可 由下式确定 : S s = 215γCN AccΠFa (4) S1 = 215γCN Tg AccΠFv (5) 式中 S s , S1 分别为 IBC—2003 中最大考虑地震下、B 类 地面短周期和 1s 周期的谱加速度 ; Fa , Fv 分别为 IBC—2003 中与中国规范 Ⅱ类场地相对应的 C 类或 D 类场地的调整系数 ; Acc为中国规范中与基本烈度相对 应的基本地面运动峰值加速度 ; Tg 为中国规范中与地 震分组相对应的Ⅱ类场地的反应谱特征周期 ;γCN为重 现期调整系数 ,由表 5 按重现期为 2500 年取值。 需要说明的是 ,在美国规范 IBC—2003 中 ,场地调 整系数 Fa , Fv 是由场地类别和谱加速度两个参数确 定的 ,即 Fa , Fv 和 S s , S1 是耦联的。因此 ,在方程(4) , (5) 中共有 S s , S1 , Fa , Fv 四个未知量 ,必须采用迭代 的方法进行求解。具体迭代过程如下 :1) 假定 Fa , Fv 的初始值均为 110(相当于B 类场地) ;2) 由式 (4) ～ (5) 求出 S s , S1 的第一次迭代值 ;3) 根据 S s , S1 的第一次 迭代值按 IBC—2003 的相应规定 ,确定 Fa , Fv ;4) 由式 (4) ～ (5) 求出 S s , S1 的第二次迭代值 ;5) 重复第 3 ,4 步 ,直至前后两次的 S s , S1 的误差小于规定的误差允 许值 015 %。 按照上述步骤计算 ,可得出中国规范地震烈度分 区在美国规范 IBC—2003 中相应的地震动参数值 ,见 表 6 ,7。 312 美国城市的中国规范参数 对于某个给定的美国城市 ,按照 IBC—2003 以及 SEIΠASCE7 —02 ,其短周期及 1s 周期谱反应加速度 S s 和 S1 是确定的 ,则其相应于中国规范 GB50011 —2001 的地震动参数 ,可由下式确定 : Acc = Fa S s 215γUS , Tg = Fv S1Fa S s (6) 式中 S s , S1 分别为 IBC—2003 中最大考虑地震下、B 类 地面短周期和 1s 周期的谱反应加速度 ; Fa , Fv 分别为 IBC—2003 中与中国规范 Ⅱ类场地相对应的 C 类或 D 　　　　中国地震分区在美国规范中的谱加速度值 IIC ( g) 表 6 参数名称 7 度(0110 g) 7 度(0115 g) 8 度(0120 g) 8 度(0130 g) 9 度 S s 0165 1101 1113 1138 1158 S1 (第一组) 0116 0122 0125 0133 0139 S1 (第二组) 0118 0126 0130 0139 0148 S1 (第三组) 0121 0130 0135 0146 0155 　　注 : IIC 为中国规范Ⅱ类场地中相当于美国规范 C类场地的部分。 　中国地震分区在美国规范中的谱加速度值 IID ( g) 表 7 参数名称 7 度(0110 g) 7 度(0115 g) 8 度(0120 g) 8 度(0130 g) 9 度 S s 0155 0189 1104 1138 1158 S1 (第一组) 0111 0117 0120 0126 0131 S1 (第二组) 0113 0120 0123 0131 0140 S1 (第三组) 0115 0124 0128 0138 0146 　　注 : IID 为中国规范Ⅱ类场地中相当于美国规范 D 类场地的部分。 类场地的调整系数 ; Acc为中国规范 Ⅱ类场地上 475 年 重现期地震基本地面运动峰值加速度 ; Tg 为与美国规 范 IBC—2003 中 C 类或 D 类场地相对应的 Ⅱ类场地的 反应谱特征周期 ;γUS为 2500 年重现期 (50 年超越概率 2 %) 的 012s 谱加速度与 475 年重现期 (50 年超越概率 10 %) 的 012s 谱加速度的比值。 由式 (6) 计算出 Ⅱ类场地上 475 年重现期地震基 本地面运动峰值加速度 Acc 后 ,按照中国抗震规范 GB50011 —2001 以及 GB18306 —2001 的地震动参数分 区办法 ,确定该地在中国规范中的烈度分区 ,进而确定 相应的抗震设计参数αmax 。 以洛杉矶、旧金山和孟菲斯为例 ,按照 IBC—2003 的地震动参数区划图上述三城市的地震动参数 S s 分 别为 2100 g ,1150 g 和 1100 g ; S1 分别为 1100 g ,0189 g 和 0130 g。根据式(6) 计算 ,并按中国的地震动参数分 区 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行分区 ,结果如表 8 所示。 美国城市在中国规范中的设计地震动参数 表 8 城市 名称 IIC IID 计算结果 Acc ( g) Tg (s) 地震动参数分区 计算结果 Acc ( g) Tg (s) 地震动参数分区 洛杉矶 01471 0165 9 度 ,三组 01471 0175 9 度 ,三组 旧金山 01353 0177 8 度 (0130 g) ,三组 01353 0189 8 度 (0130 g) ,三组 孟菲斯 01078 0145 6 度 ,三组 01086 0149 6 度 ,三组 4 　 中欧规范地震动参数的换算关系 由于中国规范和欧洲规范在进行地震动参数分区 时 ,所采用的概率水平是一样的 ,均为 50 年超越概率 10 % ,相应的重现期均为 475 年 ,因此 ,两本规范的设 计地震动参数基本上可以直接相互使用 ,不存在重现 期换算的问题。但是 ,由于两本规范在地震分区时采 601 用的标准场地存在较大差别 ,因此 ,在两本规范的设计 地震动参数相互使用过程中 ,还必须注意场地效应的 问题。 411 中国地震分区的欧洲规范参数 对于某个给定的中国城市 ,其在欧洲规范 prEN 1998 —1 中的地震动参数 ,可由下式确定 : ag = AccΠS (7) 式中 : ag 为 prEN 1998 —1 中 A 类地面上设计地震地面 运动峰值加速度 ,结果如表 9 所示 ; S 为 prEN 1998 —1 中与中国规范Ⅱ类场地相对应的B 类或 C 类场地的场 地系数 ; Acc为中国规范中与基本烈度相对应的基本地 面运动峰值加速度。 　中国地震分区在 prEN 1998中的地震动参数 ag( g)值 表 9 震级 M 场地 7 度(0110 g) 7 度(0115 g) 8 度(0120 g) 8 度(0130 g) 9 度 M > 515 M ≤515 IIB 01083 01125 01167 01250 01333IIC 01087 01130 01174 01261 01348IIB 01074 01111 01148 01222 01296 IIC 01067 01100 01133 01200 01267 　　注 :ⅡB ,ⅡC 分别为中国的Ⅱ类场地与欧洲规范B ,C类场地相当。 412 欧洲地震分区的中国规范参数 对于某个给定的欧洲城市 ,按照其所在国家的政 府部门给定的地震动参数区划图 ,其基本地震地面运 动加速度 ag 是确定的 ,相应的反应谱拐点周期 TB , TC , TD 则由场地分类给出。与之相对应的中国规范 GB50011 —2001 的地震动参数 ,可由下式确定 : Acc = Sag , Tg = Tc (8) 式中 : ag 为 prEN 1998 —1 中 A 类地面上设计地震地面 运动峰值加速度 ; S 为 prEN 1998 —1 中与中国规范 Ⅱ 类场地相对应的B 类或 C 类场地的场地系数 ; Acc为中 国规范Ⅱ类场地上 475 年重现期地震基本地面运动峰 值加速度 ; Tg 为与欧洲规范 prEN 1998 中 B 类或 C 类 场地相对应的Ⅱ类场地的反应谱特征周期 ; Tc 为 prEN 1998 —1 中与中国规范 Ⅱ类场地相对应的 C 类或 B 类 场地的反应谱拐点周期。 5 　 结语 通过对中美欧抗震设计规范的场地类别、地震危 险性特征等内容的比较分析 ,给出了中美欧抗震设计 规范地震动参数的换算关系 ,并有如下结论 : (1) 中国规范的 Ⅱ类场地大致相当于美国规范的 C ,D 类场地 ,相当于欧洲规范的B ,C类场地。 (2) 欧洲规范的 A 类场地大致相当于美国规范的 A 类和B 类场地 ,B ,C ,D 类场地分别相当于美国规范 的 C ,D ,E类场地。 (3) 中美欧规范采用的设防地震的概率水平差别 较大 ,参照使用美欧规范时需要注意不同重现期或概 率水平地震之间的换算关系 ,即地震危险性特征。 (4) 中国地震动分区在美欧规范中的地震动参数 可分别按表 6 ,7 和表 9 取值。 (5) 欧美城市在中国规范中的地震动参数可分别 由式 (6) , (8) 确定。 参 考 文 献 [ 1 ] 建筑抗震设计规范 ( GB50011 —2001) [ S] . 北京 :中国建筑工业 出版社. 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