渤海海域海洋平臺抗震設防標準研究1

劉育豐彭艷菊王俊勤沙海軍呂悅軍

1）中海油能源發展股份有限公司北京分公司，北京 100027

2）中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

3）中海油研究總院，北京 100027

渤海海域海洋平臺抗震設防標準研究1

劉育豐1）彭艷菊2）王俊勤3）沙海軍2）呂悅軍2）

1）中海油能源發展股份有限公司北京分公司，北京 100027

2）中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

3）中海油研究總院，北京 100027

本文首先基于渤海海域的地震環境及地震危險性特征，根據46個海洋平臺的設計地震動參數，分析了不同設防水準的設計地震動參數之間的關系；然后，采用與其他工程類比的方法，確定了海洋平臺抗震設防的兩級目標；通過與國內其他規范的類比，確定了海洋平臺強度設計地震的概率水準取重現期200年，變形設計地震的概率水準取重現期1000—2500年，并深入分析論證了其合理性；最后，根據渤海地區的地震危險性分區和地震動參數區劃給出了相應的設防參數。本文是對渤海地區多年來海洋平臺抗震設防經驗的總結，是對我國海洋平臺抗震設防標準的探索性研究。

渤海 海洋平臺 抗震設防水準

前言

渤海蘊藏著豐富的海洋資源，是我國海洋石油的主要開發場所。同時，渤海海域地震活動也是我國海域內最高的地區，其活動強度和頻度遠高于其它海域。為確保地震中海洋平臺的結構安全，自上世紀80年代以來，我國對擬建的每座海洋平臺均進行了地震安全性評價工作，為其抗震設計提供地震動參數。與水電、交通、核電等工程均有國家或行業標準的抗震設計規范不同，受海域研究程度的制約，我國海洋平臺的抗震設防尚未制定專業的抗震規范。迄今為止，海洋平臺的抗震設防主要參考相關規范確定設防參數，如《工程場地地震安全性評價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標準，2005）、《建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010）和《海上平臺場址工程地質勘察規范（GB 17503-1998）》（中華人民共和國國家標準，1998）等。但這些規范的適用性越來越受到海洋石油設計部門的質疑，需對其科學性、安全性、經濟性進行深入研究。

渤海是我國海域中海洋勘探和海域地震研究較深入的地區，眾多學者在地震構造環境、地震活動特征方面開展了研究（陳國光等，2003；2004；呂悅軍等，2003；2008；彭艷菊，2008；王華林等，2000；王健，2007；徐杰等，2008），同時，在實際工作中對海洋平臺的抗震設計地震動參數也積累了一定的經驗，為研究海洋平臺抗震設防標準奠定了一定的基礎（呂悅軍等，2006；彭艷菊等，2004a；2004b；2007）。抗震設防標準是指根據客觀的地震設防環境和已定的設防目標，并考慮社會經濟條件等因素確定采用多大的設防參數進行抗震設防（謝禮立等，1996；歐進萍等，2008），從技術上講，包括設防目標、設防水準、設防參數等內容，其核心問題是設防水準。本文首先分析了渤海海域地震環境，然后研究了地震危險性特征，分析了不同概率水準的地震動參數之間的關系。在總結已有工程抗震設防經驗的基礎上，對比分析了確定海洋平臺的抗震設防目標。采用與甲類建筑物類比的原則，確定了海洋平臺的抗震設防水準，并與相關行業規范進行了對比，論證其合理性和安全性。最后，根據渤海海域的地震危險性分區和地震動參數區劃給出了相應的設防參數。

1 渤海海域地震活動特征

渤海海域地震活動的特點是強度大、頻度高，特別是7級以上大地震發生率在華北地震區內是最高的，平均120年發生1次。但是，渤海海域內歷史地震記載缺失較多。

圖1是渤海及周邊地區歷史強震震中分布圖。由圖1可知，渤海海域內強震在空間分布上很不均勻，1548年、1597年、1888年和1969年發生的4次7級以上地震都分布在渤海的中部，主要集中在北緯38°—39°、東經119°—121°之間，形成了華北地震區7級以上大震最集中的地區。而在北部的遼東灣一帶卻沒有記錄到大于5級的地震，南部的萊州灣也僅有5級左右的中等地震發生。這種分布特征受地震構造控制，在地震構造上，渤海海域處于郯廬斷裂帶和張渤斷裂帶的交匯部位，北北東向郯廬斷裂在渤海內部被一系列大致平行的北西西向斷裂左旋錯斷成多段，渤海內部的構造格架由這兩組構造所組成，它們控制著渤海的現代構造運動及地震活動（刁守中等，1990；鄧起東等，2001；陳國光，2003）。

圖1 渤海海域及鄰區歷史地震震中及主要斷裂分布圖Fig. 1 Map of historical earthquake epicenters and faults in Bohai and adjacent region

渤海內部活動斷裂各段的現代活動性是不均勻的。郯廬斷裂在渤海內部被北西西向斷裂大致分割成活動程度不同的三段（魏光興等，1993）：北段活動性相對較弱，只記載到5.0—5.5級地震，近期微震活動也較少；南段只記錄到6級左右的地震，沿斷裂帶附近現今有微震活動，地震活動性較北段高；中段由于受到一系列北西西向斷裂的切割，斷裂結構十分復雜，渤海內部有3次7.0—7.5級地震和若干次5級左右地震都發生在中段，是渤海內部地震活動性最高的地區。

圖2是渤海海域內強震的M-T圖，該圖顯示渤海內強震的時間分布也是不均勻的，具有周期性。自1548年以來，強震都集中分布在2個時段（表1）：1548—1624年為顯著活躍階段，在76年時間內發生了7級以上地震2次、5.0—6.9級地震3次；1625—1887年為平靜階段，在262年時間內沒有記錄到MS5.0以上地震；1888年至今為又一次顯著活躍階段，已發生7.0級以上地震2次、5.0—6.9級地震2次。

圖2 渤海海域內歷史地震M–T圖Fig. 2 M-T plot of historical earthquakes in Bohai Sea region

表1 渤海地震活動期統計表Table 1 Statistics of seismicity in Bohai sea region

2 渤海海域地震危險性特征及工程抗震設防經驗

2.1 渤海海域地震危險性特征

極值理論是常用的估計地震強度的方法之一，在地震危險性分析、地震預報、地震烈度區劃和重要工程地震安全性評價等方面得到了廣泛的應用（高孟潭等，1988；章淮魯，1991）。李亞琦（1999）利用極值III型分布擬合地震危險性曲線，引入形狀參數K表達地震危險性特征，以1990年地震烈度區劃結果為基礎，將中國的地震危險性分為3個區，K值越小，地震危險性曲線越平緩，不同概率水準的地震強度相差越大。地震危險性曲線表達式為：式中，P為對應的超越概率值；K為形狀參數；Amax為超越概率為P的地震地面峰值加速度；為相應于50年超越概率10%的地震地面峰值加速度。

近 10余年來，呂悅軍等（2003；2008）、徐杰等（2008）、陳國光等（2003；2004）對渤海的地震構造、地震危險性進行了深入的研究。呂悅軍等（2008）初步編制了渤海海域的地震動峰值加速度區劃圖，將研究區劃分為0.10g、0.15g和0.20g三個分區。本文以呂悅軍等（2008）給出的50年超越概率63%、10%和2%的地震動峰值加速度數據為基礎，采用式（1）計算了渤海海域0.1°×0.1°的網格結點的K值，K值集中分布在7—16之間，并將其劃分為7—10、10—13、13—16三檔，對研究區進行危險性分區，共分為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區3個區，結果如圖3所示。從圖3可以看出，大部分地區屬于Ⅱ區和Ⅲ區，地震危險程度中等；渤中地區危險性較高，K值較低，屬于Ⅰ區。同時，圖3還顯示出地震危險性分區與地震動峰值加速度分區存在一定的差異，Ⅰ區包含了地震動峰值加速度為0.20g、0.15g的分區；Ⅱ區跨越了0.15g和0.10g區；Ⅲ區跨越了0.10g和0.05g區。

圖3 渤海海域地震危險分布Fig. 3 Seismic risk map of Bohai Sea

2.2 已有工程抗震設防經驗

本文收集整理了渤海地區 2000年以來海洋平臺設計地震動參數研究報告，從中統計出可用的46個平臺的海底泥面峰值加速度，分別為重現期200年、1000年，50年超越概率63%、10%和2%（分別相當于重現期50年、500年和2500年）。這些海洋平臺分別分布在遼東灣、渤海灣、中央盆地以及萊州灣地區，其設計參數可以代表渤海海域的地震活動環境。對這46組數據有針對性地計算了不同概率水準的地震動峰值加速度之間的比值，統計分析了其分布規律。圖4（a—d）分別為重現期200年與50年超越概率63%、50年超越概率10%與重現期200年、重現期1000年與重現期200年、50年超越概率2%與重現期200年地震動峰值加速度比值R與頻次N分布圖，表2為其分布范圍、均值分布統計結果。

從圖4可以看出，4組數據的優勢分布范圍明顯，基本符合正態分布特征。第一組和第四組數據存在偏差，主要是受50年超越概率63%和2%的數據的可靠度影響，原因來自于小震和大震資料缺失，由于小震的影響程度和范圍較小，歷史記載缺失較多，大震則是因為其復發周期長，大于歷史記載時段，所用資料不能充分反映大震的活動特征。

圖4 渤海海洋平臺不同概率水準下設計地震動參數比值與頻次分布Fig. 4 Frequency distribution and ratio of seismic parameters at different probability levels for offshore platforms in Bohai Sea

表2 不同概率水準的地震動參數之間的關系Table 2 Ratios of peak accelerations at different probability levels

3 抗震設防目標的確定

設防目標是指工程結構通過抗震設計所要達到的宏觀防震目標。設防目標與設計方法有關。已頒布的各行業抗震規范中均制定了明確的設防目標，比如：建構筑物為三級設防，其目標可概括為“小震不壞、中震可修、大震不倒”；而水運、水工、公路等工程為一級設防，目標為在設防地震作用下，如發生局部損壞，經一般處理后仍可正常使用。海洋平臺目前采用極限狀態設計方法，即按照海洋平臺結構的承載力極限狀態和使用極限狀態進行設計（王忠暢，2005），由此可確定相應的兩級設防目標。魏巍（2004）采用時變分析方法模擬了導管架平臺的地震破壞過程，將其分為3個階段：定常反應階段；塑變反應階段；破壞階段。由于導管架平臺的空間剛架結構具有很高的冗余度，結構在變形超過塑變狀態極限或有構件屈曲后，仍具有繼續承載的能力，因此，塑變狀態可稱為承載力極限狀態；破壞狀態對應使用極限狀態。綜合上述分析，本文定義兩級設防目標，分別為強度水平地震和韌性水平地震（或稱為常遇地震和罕遇地震）。

第一級設防目標定義為：經歷強度水平地震時，結構處于定常反應階段或塑變反應階段，構件不發生破壞。我國建筑設防中的“小震不壞”要求結構處于線彈性階段，不出現破壞；“中震可修”要求結構可發生非彈性變形，允許出現可修復的破壞。但海洋平臺結構特殊，所用的鋼材具有很大的塑性變形能力，在往復加卸載過程中結構的塑性變形能夠很大程度地提高結構吸收和耗散地震能量的能力，僅將線彈性階段作為正常工作階段過于保守，因此將正常使用極限定位為塑性變形階段。這一目標的受損指標可與“小震不壞”相對應，工作狀態可進入塑變階段，與“中震可修”的狀態相對應。

第二級設防目標定義為：經歷韌性水平地震時，允許結構和基礎有一些損壞，次要部件遭到破壞，海洋平臺已不能繼續工作，但要求海洋平臺的結構和基礎系統仍保持整體穩定性，不至于倒塌，不發生生命損失和嚴重的環境污染。這一目標相當于我國建筑抗震規范的“大震不倒”。

4 抗震設防水準及設防參數的標定

本節采用類比法，確定與上述兩級設防目標相對應的設防水準，然后根據渤海海域的地震危險性分區和地震動參數區劃，給出不同分區相應設防水準的設防參數。

4.1 強度水平地震概率水準的標定

強度水平地震可類比建筑工程抗震目標“小震不壞”，所以正常使用極限地震可以簡稱為小震或常遇地震。對于一般建（構）筑物（丙類），常遇地震概率水準取50年超越概率63%。對于海洋平臺這類特別重要的工程結構，抗震設防的標準理應高于一般建（構）筑物，本文采用與甲類建（構）筑物抗震設防水準持平的原則確定強度水平地震的概率水準。

《建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010）未明確甲類建筑設防地震的概率水準，但規定地震作用應按高于本地區設防烈度計算，其值取地震安全性評價結果，當抗震設防烈度為6—8度時，按提高1度采取抗震措施，為9度時應符合比9度抗震設防更高的要求。鄢家全等（2000）的研究表明，地震烈度提高1度，峰值加速度增加1倍。馬玉宏等（2002）利用設計基準期標定建筑的重要性類別，建議甲類建筑物常遇地震的概率水準取50年超越概率22%（相當于重現期200年），但未給出實際的工程資料進行檢驗。鄢家全等（2000）根據對全國128項工程場地設計地震參數的統計分析發現，重現期200年的地震動峰值加速度約為50年超越概率10%的2/3。高孟潭等（1998）發現50年超越概率63%的地震動峰值加速度為50年超越概率10%的1/3。因此，可以認為重現期200年的地震作用強度約為50年超越概率63%的2倍，也就是說重現期200年的地震作用強度滿足了地震烈度提高1度的要求。

同時表2也表明，重現期200年與50年63%的峰值加速度比值在1.8—2.7之間，均值為2.1；50年超越概率10%與重現期200年的峰值加速度比值在1.2—1.6之間，均值為1.4，即重現期200年與50年超越概率10%的峰值加速度比值為1/1.4（約為0.7），略高于鄢家全等（2000）所得的 2/3。另外，海洋平臺設計地震動參數的統計結果也表明，在渤海海域內海洋平臺正常使用極限地震的重現期取200年達到了地震烈度提高1度的要求。

由上可見，強度水平地震的概率水準取重現期200年，同甲類建（構）筑物取值持平。另外，美國API RP 2A-WSD規范（API，2000）建議，南加利福尼亞海域的永久性結構的正常使用極限地震的重現期取200年。而彭艷菊等（2006）的研究表明，渤海地區的地震作用弱于南加州地區。因此，渤海海洋平臺強度水平地震的概率水準取200年是安全的。

4.2 韌性水平地震概率水準的標定

韌性水平地震就是通常所稱的罕遇地震。從根本上說，韌性水平地震作用下的抗震驗算應該是彈塑性變形能力極限狀態的驗算。當前在我國海洋平臺抗震設計中，韌性水平地震采用API規范中8腿平臺的韌性設計方法，地震作用取強度水平地震設計值的2倍（API，2000；王忠暢，2005）。

同時表2中的數據也表明，重現期1000年與重現期200年的峰值加速度比值頻次統計在1.6—2.4之間，平均為1.9，大致上能滿足強度水平地震作用2倍的要求；50年超越概率2%與重現期200年的峰值加速度比值為1.9—2.8，均值為2.4，大于重現期200年地震作用的2倍。因此可以判斷，渤海海域內重現期1000—2500年峰值加速度應該不小于重現期200年的2倍。也就是說，重現期1000—2500年的地震作用應該是強度水平地震的2倍及以上。據此，建議韌性水平地震的概率水準取重現期1000—2500年。

本文從地震危險性特征方面對韌性水平地震水準取值的合理性進行了論證，將上述渤海46個海洋平臺強度水平地震作用取重現期200年的峰值加速度，韌性地震作用取強度水平地震作用的 2倍，根據式（1）來計算強度水平地震的重現期，所得重現期分布在 773—1407年，統計結果列于表3。重現期主要集中在1000—1400年，共28個海洋平臺，占樣本的61%；小于1000年的有14個海洋平臺；大于1400年的有4個海洋平臺。從海洋平臺的分布位置看，韌性水平地震重現期長的位于遼東灣等地震危險性低、地震活動性弱的地區；韌性水平地震重現期短的集中在地震危險性高、活動性強的渤中地區，此結果符合實際規律。

由此可見，從地震環境角度看，渤海海域的韌性水平地震重現期取 1000—2500年是安全、合理的。

表3 不同重現期分檔的海洋平臺個數統計Table 3 Platform number in different intervals of return period

4.3 基于渤海地震環境的設防參數

根據渤海地震危險性分區和地震動參數分區，利用式（1）計算得到了不同地震危險性分區、不同地震動分區內，重現期200年、1000—2500年的地震設防參數，結果如表4所示。表4中的數據表明，在同一危險性特征分區內，韌性水平地震的設防參數較大，重現期1000年的參數一般大于重現期200年參數的2倍；另外，即使在同一地震動參數分區內，地震危險性特征不同，強度水平地震和韌性水平地震的參數存在一定的差異，K值小的分區內的強度水平地震設防參數小于K值大的分區內的參數，而韌性水平地震的情況則相反，即在K值相對低的地區，相同重現期的韌性水平地震的強度要大，這也說明了劃分地震危險性分區的必要性。

表4 地震危險性分區內不同概率水準下的抗震設防參數（單位：g）Table 4 Seismic fortification parameters on different probability levels in various seismic risk zones (unit: g)

5 結論

本文綜合分析了渤海海域的地震環境，研究了其地震危險性特征，分析了該區海洋平臺不同設防水準的設計地震動參數之間的關系，為確定海洋平臺抗震設防水準奠定了資料基礎；針對海洋平臺兩階段設計的方法，并與其他工程進行對比，確定了兩級設防目標；采用與甲類建筑類比的方法，以46個海洋平臺設計地震動參數之間的關系為基礎，確定了強度水平地震的概率水準，然后根據設計中韌性水平地震與強度水平地震的關系，確定了韌性水平地震的概率水準，并深入分析論證了其合理性；最后根據渤海海域的地震動參數區劃和地震危險性分區，給出了不同地震危險性分區內的設防參數。

本文以渤海的地震環境為基礎，根據該地區海洋平臺的地震動參數研究成果，進行了海洋平臺抗震設防水準和設防參數的初步研究。該研究是對渤海地區海洋平臺多年的抗震設防經驗的總結，適用于渤海地區的地震環境。

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Study on Seismic Fortification Criteria of Offshore Platforms in Bohai Sea

Liu Yufeng1）, Peng Yanju2）, Wang Junqin3）, Sha Haijun2）and Lu Yuejun2）

1) CNOOC Energy Technology & Services Limited Beijing Branch, Beijing 100027, China
2) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
3) CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China

Based on the seismo-tectonic background and the seismic risk characters of Bohai Sea region, we analyzed the design seismic parameters of 46 platforms in Bohai Sea, as well as the ratios of the peak accelerations for different probability levels. In accordance with the two-stage design method, a scheme of two design seismic levels is proposed, and two fortification goals are established respectively for the strength level earthquake and ductility level earthquake. By comparison to the Chinese seismic code for buildings it is determined that the probability level for the strength and ductility level earthquake takes respectively return period of 200 and 1000—2500 years, and further expounded on its rationality. Finally, the fortification parameters in sub-regions of Bohai area are given in the light of seismic risk zonation and ground motion division. This article is a summary of experience from many years work of offshore platform seismic fortification, and an exploratory study on the seismic fortification standard of offshore platforms in China, which may serve as reference for the standard establishment.

Bohai sea; Offshore platform; Seismic fortification level

劉育豐，彭艷菊，王俊勤，沙海軍，呂悅軍，2012.渤海海域海洋平臺抗震設防標準研究.震災防御技術，7（2）：111—120.

財政部2007年公益性行業科研專項200708055

2012-03-26

劉育豐，男，生于1955年。高級工程師。1982年畢業于中國海洋大學物理海洋專業，理科學士。現任中海油能源發展股份有限公司北京分公司資深技術專家，總工。長期從事物理海洋、海洋工程環境等方面的研究和應用工作。E-mail：Liuyf@cnooc.com.cn

呂悅軍，E-mail：Luyj1@263.net