關于在基礎設施抗震規范中規定最低設防要求的一點建議1

王克海李 悅顏文暉李 茜韋 韓

1）交通運輸部公路科學研究院，北京 100088

2）美國聯邦公路局Turner-Fairbank公路研究中心

關于在基礎設施抗震規范中規定最低設防要求的一點建議1

王克海1）李 悅1）顏文暉2）李 茜1）韋 韓1）

1）交通運輸部公路科學研究院，北京 100088

2）美國聯邦公路局Turner-Fairbank公路研究中心

作者針對目前我國基礎設施抗震設計時遇到的問題，給出了以下建議：①根據地震作用水平，對結構不同部位、不同構件制定不同的設計目標，明確設計構件所用的強度、延性參數指標；②我國地震動區劃圖提供的地震動參數僅僅是中震水平（地震重現期475年），實際發生的地震可能遠遠超過中震水平，在基礎設施設計時應對大震（罕遇地震）有所考慮，甚至應考慮超預期地震發生后的應對、應急措施；③提高最低設防水準，并非是提高一度設防，應通過確定最小地震動參數滿足最低設防要求，并在地震動區劃圖中以地震重現期代表地震危險程度；④對于VI度以下設防地區的基礎設施結構物，都應按照VI度設防標準設計并考慮采取相應的抗震措施。

規范 地震 設防 建議

引言

在對地震災害預防較為重視的國家，7級（震中9度，對應峰值加速度0.4g）以下地震一般不會對社會造成較大影響（高孟潭等，2006）。而2005年11月26日發生在江西九江的M5.7級地震，造成了13人死亡，1.8萬多間房屋倒塌，16萬間房屋受損，地震對當地社會生活的沖擊持續了3至4個月。而2008年5月12日發生在汶川的M8.0級地震則又一次提醒我們，即特大地震也可能發生于基本烈度較低的地區。而我國目前位于低烈度區的建筑結構，特別是 1980年前的建筑結構，普遍沒有考慮抗震設防的要求，抗震能力較為低下，將2008年汶川地震、2010年玉樹地震與智利2010年地震、日本1995年阪神地震的震害現象相比較，可知我國大量建筑缺乏抗震能力，建筑的設防水準比智利、日本等國家低得多。隨著我國城市化建設步伐的加快，以及城市生命線工程的脆弱性，強制規定最低抗震設防要求，使 VI度及以下地區的建筑結構物也具有一定的抗震能力，已成為中國社會發展的一個十分緊迫的問題。

1 我國抗震設計規范中最低設防要求的演變

我國抗震設計規范中對建筑結構物的抗震最低設防要求經歷了一個從無到有、從初級到逐步完善的過程。

我國的第一個抗震規范草案編制于1957年，其后分別于1964年、1974年和1978年完成了《地震區建筑設計規范（草案）》（中華人民共和國國家標準，1964）、《工業與民用建筑抗震設計規范（TJ11-74）》（中華人民共和國國家標準，1974）（以下簡稱“74規范”）以及《工業與民用建筑抗震設計規范（TJ11-78）》（中華人民共和國國家標準，1978）（以下簡稱“78規范”）。“74規范”和“78規范”大體沿用了 1964年規范草案的規定，“78規范”對“74規范”作了一些提高和改進，但仍比較簡單，其設防水準也還是比較低。上述三版規范設防烈度均為7—9度，而對6度及6度以下地區的建筑為抗震不設防，沒有抗震最低設防的要求。第四版是1989年制訂的《建筑抗震設計規范（GBJ11-89）》（以下簡稱“89規范”），設防烈度為6—9度，即將6度首次列為設防烈度。這主要是由于1976年的唐山大地震，將位于6度區的唐山市夷為平地，使抗震工作者認識到6度區建筑抗震不設防將帶來巨大的災難。“89規范”總結了唐山地震的許多震害經驗，對“74規范”、“78規范”進行了很大的修改，指出抗震設計應符合概念設計原則，明確三水準、二階段的設計思想，使建筑的抗震設計有了較大的提高和完善。在2001年制定并頒布的第五版《建筑抗震設計規范（GB 5001-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）中延續了“89規范”中將6度區列為設防烈度的相關規定，而在2010年發布并實施的第六版《建筑抗震設計規范（GB 5001-2010）》（中華人民共和國國家標準，2010）中補充給出了6度區最小地震剪力控制和罕遇地震影響系數取值，然而這兩版規范中對于最低設防要求沒有更進一步的明確規定。

2 抗震規范中強制規定最低設防要求的必要性

2.1 地震動區劃圖中基本烈度的不確定性

我國地震動區劃圖是依據歷史記錄的地震情況，結合有限的地震地質資料，以地震重現期475年（50年超越概率10%，相當于中震水平）的概率地震危險性分析為基礎，并考慮該地區社會重要性及經濟條件而確定的。由于地震是偶然、隨機的極端事件，可能出現實際發生的地震重現期遠大于475年的情況，這樣實際地震烈度就會遠大于基本烈度，使地震區劃圖標示的基本烈度與實際發生的地震情況有非常大的出入。表1列出了1966—2010年40多年間在地震區劃圖VI—VII度區內發生的高于及遠高于該烈度的強震實例（王克海，2007）。2008年的汶川地震也發生在地震區劃圖所標示的中低烈度區，再次暴露了我國地震動區劃圖指導工程設計的局限性。汶川所在地區位于地震多發地帶，自有地震記載以來，震中附近200km范圍內發生過10次7級以上地震，最大的是1933年四川茂汶北迭溪7.5級地震。汶川地震震區最大烈度達到Ⅺ度，而根據《中國地震動峰值加速度區劃圖（GB18306-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001），這一地區的峰值加速度為0.1g，即Ⅶ度，也就是說，實際烈度遠遠大于抗震設防烈度。汶川地震后，經國家標準化管理委員會的批準，對《中國地震動峰值加速度區劃圖（GB18306-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）進行了修改，修改后該地區的地震動峰值加速度調整為0.2g。

目前，我國地震基本烈度為VI度的地區約占我國國土面積的27.4%，VI度以下地區約占國土面積的21%。然而，歷史事實證明在這些地區發生強烈地震是有可能的，地震動區劃圖中的基本烈度具有很大的不確定性，應正確認識和使用地震動區劃圖。對于工程結構尤其是生命線工程，僅根據地震動區劃圖提供的信息進行抗震計算或僅采取簡單的抗震構造措施是遠遠不夠的，應結合詳細的地震地質調查研究，并視結構物的重要程度分別針對中震和大震給出相應的、可供抗震設計使用的地震動參數指標。

表1 VI—VII度區發生強震實例表Table 1 Examples of strong earthquake in the region with intensity VI—VII

2.2 VI度及以下區域遭受地震破壞后的嚴重性

根據中國社科院《國際城市發展報告2012》，我國到2020年城市化率將由目前的51.27%增長到55%左右。由此必然引發大量的城市建設，因而，在VI度及以下區域規定最低設防要求，對保障城市的防災減災工作具有十分重要的意義。2010年《中國城市發展化報告》指出，百強城市利用全國2.65%的土地面積，承載著17.57%的人口，貢獻了52.52%的GDP。中國已經形成了以京津環勃海、長三角和珠三角3個城市群，并以若干個大城市為核心形成區域性的經濟帶或經濟走廊。有效地減輕地震對這些經濟發達城市地區的沖擊，減少地震對公眾生命財產造成的損失，是每一位抗震工作者必須要考慮的重要問題。而設置最低抗震設防要求，將大大減少地震應急處理的時間，并有效控制大地震破壞的空間范圍和破壞程度，盡可能縮短發生地震后的恢復重建時間。在經濟發達地區，特別是在城市群地區，設置最低抗震設防要求，以保證發生6.0級（震中8度，對應峰值加速度0.2g）以下地震時結構物不發生破壞，這將對降低地震對社會的影響具有重要的作用。而對于以中強地震活動為主的地區，如果實現了這一目標，將會在較少經濟投入的情況下，得到十分巨大的回報。

2.3 規定最低設防要求的必要性

我國過去是在計劃經濟體制下，國家是基本建設投資的主體，再加上受經濟發展水平的制約，從成本考慮較多，因而建設工程抗震設防水準普遍偏低。國家制定的設防水準和抗震設計規范是剛性要求，各種建筑物在抗震標準設計的執行上不能自主提高。而日本自 1923年關東地震后，就提出建筑設計按照0.1的系數考慮地震力（相當于我國的7度）；1950年在全國范圍內提高到0.2（相當于我國的8度）。在美國，抗震設防水準是最低要求，設計人員可以根據業主的要求在其基礎上提高抗震標準。在智利，由于境內地震多發，因而所有建筑被強制按能抵抗M9.0級地震（峰值加速度0.4g，震中相當于11度）的標準進行設計，并且在建筑的建造過程中，有嚴格的監督貫穿始終。所以在2010年2月智利發生的M8.8級地震中，90%的建筑物成功地經受了強震的考驗。而我國青海玉樹2010年4月14日發生的M7.1級地震中，州府所在地結古鎮90%的居民房屋倒塌。更可悲的是，2005年11月26日M5.7級地震便導致我國江西九江房屋倒塌1.8萬間，損壞16萬多間。這些都是非常值得反思的事件。

目前，我國與日本抗震設防大體相當的只有北京、唐山、西安等少數幾個地區，絕大多數國土面積缺乏最低抗震設防要求。據統計，20世紀全世界由地震導致死亡的事件有一半發生在中國，其中49%是因房屋倒塌致死。

近年來，不少地震工程專業人員都意識到提高VI度及以下地區建筑抗震能力的重要性，中國地震局工程力學研究所研究員郭迅在2011年的《環球時報》上呼吁，我國應痛下決心，提高建筑抗震設防水準。2011年6月住房和城鄉建設部發布的《農村危房改造抗震安全基本要求（試行）》對農村危改房的抗震能力做出了具體規定，并要求非抗震設防地區的危改房應按照 VI度設防標準采取相應的抗震構造措施。這是我國首次對普通建筑抗震能力提出了最低設防的要求。根據測算，合理提高抗震標準并不會大幅提高建筑的造價。并且隨著我國經濟快速發展，人口更為集中，易造成嚴重震害。因而，強制規定最低抗震設防要求，使 VI度及以下地區的建筑也具有一定的抗震能力，已成為我國社會發展的一個十分緊迫的問題。

3 多水準地震動區劃圖最低設防要求的體現

這里所講的強制規定最低設防要求，并非簡單的“提高一度設防”（魏璉，1991；謝禮立等，2009）。這是由于簡單的提高一度設防，有可能使得地震重現期從原來的500年提高到1500年，也有可能只提高到800年。如前所述，地震動區劃圖給定地震參數是中震水平，如果中震時的抗震按地震重現期1500年設計，大震（罕遇地震）的抗震設計如何做？比如Ⅷ度區的地震峰值加速度為0.2g，提高一度Ⅸ度就是0.4g，而我國地震動區劃圖提供的是50年超越概率10%的加速度峰值，也就是地震重現期是475年，那么提高一度后加速度峰值所對應的地震重現期，在不同地區是不同的（王克海，2010）。據統計，50年超越概率2%（地震重現期為2475年）與50年超越概率10%（地震重現期為475年）的基巖加速度的比值為1.4—2.4，平均值為 1.8。并且，地震烈度為地震時包含震害在內的多種宏觀地震現象的總合，其要求簡單而綜合，但抗震設計則要求分清引起結構破壞的不同因素，以便對癥下藥采取有效的抗震措施（胡聿賢，1983）。采用地區抗震設防烈度對結構進行抗震設計，往往采用的是基于強度的“一水準一階段”的抗震設計方法，這也與“多水準多階段”的抗震設計方法相矛盾。據統計，在1973年的各國抗震規范中，采用烈度一詞的占所有規范的52%；1983年占32.5%；1992年僅占31.5%；而到了1996年只占27%，呈逐漸下降的趨勢。日本在其抗震規范中歷來不采用烈度，美國在1978年ATC-3樣板規范后也直接采用地震動分區。并且，在1992年采用地震動參數區劃的國家占總調查樣本的68%，到1996年上升到了73%；而按烈度區劃的國家由1992年的32%下降到1996年的27%（謝禮立等，2009）。因而，在抗震規范中不用烈度而直接使用地震動物理量已成為國際的共同趨勢。因此，應采用地震重現期來確定地震動參數，通過設定最小地震動參數滿足最低設防要求，以地震動區劃圖中不同地震重現期代表地震危險程度。

地震區劃圖是震災防御的基礎，是震災防御的核心技術之一。目前廣泛采用的確定地震動的途徑有兩種：第一種是通過地震烈度的估計，再利用烈度與地震動的對應關系將烈度換算為地震動設計參數，這種是過去廣泛使用而現在仍為許多國家和地區使用的途徑；第二種是根據過去的強震觀測結果，尋求地震動與地震大小、震源特性、傳播介質、場地影響的統計規律（稱為衰減規律），然后直接用此衰減規律來估計地震動，這種方法主要應用于美國、日本、印度、加拿大等國家。美國的地震動參數區劃開始較早，1978年即提出以有效峰值加速度（EPA）和有效峰值速度（EPV）這2個地震動參數為指標的地震區劃原則，并于20世紀80年代完成具有概率意義的地震區劃圖。目前，最新的地震區劃圖為美國地質調查局負責完成的2002年版。2002年版的地震區劃圖提供了重現期為500年（475）、1000年（975）和2500年（2475）的峰值加速度（PGA）等值線（間隔0.02g），以及阻尼比5%的0.2s和1.0s的加速度反應譜等值線，并且給出了0.1s、0.3s、0.5s、1.0s和2.0s周期的加速度譜值和標準危險譜和危險性曲線，通過計算可以得到任何地震重現期的地震動參數，并以郵政編碼查詢地震動參數，其地震動區劃圖具有良好的操作性（Ian Buckle等，2008）。

而日本由于國土面積較小，地震類別較為單一，故其抗震規范中確定設計地震動的方法獨特：①設計地震動的概率特征十分不明顯，第一級設計地震雖有統計意義，但仍是主觀確定成分較多；②第二級設計地震以確定性方法規定，其中第一類主要參考了1923年關東地震（大陸邊緣地震），第二類主要參考了1995年阪神地震（都市直下型地震）。這與日本地域狹小和地震類型相對比較清楚有關。

我國自20世紀50年代至今，已經完成了4幅全國地震區劃圖，之前的地震烈度區劃圖均以震害的宏觀描述——地震烈度為依據，而最新的第四代地震動參數區劃圖則將地震動峰值加速度參數和地震動反應譜特征周期作為指標，直接作為設計之用，對應的標準為50年超越概率10%（地震重現期為475年）。我國與美國的地震動區劃圖的總體思路是相同的，都是以Cornell概率地震危險性分析為基礎，代表了世界地震區劃研究的先進水平。采用地震反應譜的雙參數作為地震動區劃圖的參數，目前在世界上只有中國和美國采用，可以說兩國地震動區劃圖的編制是先進的。從對比中也可以發現，由于美國規范能提供三種地震重現期的地震動參數，通過計算可以得到任何地震重現期的地震動參數，使實現多水準、多階段的抗震設計成為可能。而我國只提供了50年超越概率為10%（地震重現期475年）的地震動水準，因此，對于我國大量工程結構，如果不做地震安全性評價，目前尚不具備做多水準多階段設計的技術條件。

我國前四代地震區劃圖編圖原則關注的重點在地震科學方面，沒有著重考慮地震區劃的綜合防震減災作用，特別是沒有充分考慮地震區劃圖在保障人民生命安全方面所起的作用。而于2007年7月啟動的第五代地震區劃圖編制工作的基本原則，將首先考慮以抗倒塌地震動參數作為編圖的基準，在新一代區劃圖中將出現“超預期地震”或“最大可信地震”的概念，可直接用于抗倒塌設計，同時根據該參數折減給出小震的相應數值以滿足彈性階段的設計需要，并按一定比例給出中震以滿足采取構造措施的需要。這將為結構抗震設計的發展提供必要的基礎條件。研究和設計人員可以根據業主要求和管理部門的意見，通過費用-效益分析對設防標準進行優化和決策分析，并在此基礎上制定設計方案，根據地震可能導致的后果嚴重性考慮防御措施，為新技術新方法的應用提供更多的機會。

4 建議

（1）目前我國建筑物抗震設防的目標是：“小震不壞，中震可修，大震不倒”，筆者認為從設計人員、科研人員的角度看太宏觀、太籠統，為此建議：在不同的地震作用水平下，對結構不同部位、不同構件制定不同的設計目標。有些部位、構件在中震作用水平（地震重現期約500年）下在彈性范圍內；有些部位、構件在中震作用水平下可以進入延性；有些部位、構件在大震水平下（如：地震重現期1000—2500年）才進入延性，如果這些部位、構件進入延性，應明確不同地震水平作用下這些部位、構件的強度、延性參數是多少。

（2）一定要切記：我國地震動區劃圖提供的地震動參數僅僅是中震水平（地震重現期475年），實際發生的地震可能遠遠超過中震水平，在設計時應對大震（罕遇地震）有所考慮，甚至應考慮超預期地震發生后的應對措施和應急措施。

（3）建議抗震規范中提高最低設防水準，并非是提高一度設防。筆者認為提高一度設防是錯誤概念（王克海等，2008；2010），謝禮立等（2009）認為是不科學的提法。抗震規范中提高最低設防水準，應通過確定最小地震動參數滿足最低設防要求，并在地震動區劃圖中以地震重現期代表地震危險程度。

（4）基于地震動區劃圖的背景是地震重現期475年，實際是一個中震設防水平，加之我國大量災難性地震發生在低烈度區，即實際發生的地震常常遠遠超出設防水平，為此筆者建議：對于VI度以下設防地區的基礎設施結構物，都應按照VI度設防標準設計并考慮采取相應的抗震措施。

（5）本文建議的最低設防水準是6度（對應峰值加速度0.05g），但隨著人們對震害認識水平的提高及我國國力的提升，以后最低設防水準有可能到7度（對應峰值加速度0.1g），甚至更高。

高孟潭，盧壽德，2006. 關于下一代地震區劃圖編制原理與關鍵技術的初步探討. 震災防御技術，1（1）：1—6.

胡聿賢，1983. 在抗震規范中不用地震烈度的一個建議. 建筑結構學報，1（1）：32—39.

王克海，2007. 橋梁抗震研究. 北京：中國鐵道出版社.

王克海，李剛，韋韓等，2008. 關于抗震設計規范與地震動區劃圖的有關探討. 震災防御技術，3（4）：413—420.

王克海，李茜，韋韓，2010. 汶川地震對我國地震區劃圖與橋梁抗震設計的啟示. 工程力學，27（6）：120—126.

魏璉，1991. 建筑結構抗震設計. 北京：萬國學術出版社.

謝禮立，馬玉宏，翟長海，2009. 基于性態的抗震設防與設計地震動. 北京：科學出版社.

中華人民共和國國家標準，2001. 中國地震動峰值加速度區劃圖（GB18306-2001）. 北京：地震出版社.

中華人民共和國國家標準，1964 地震區建筑設計規范（草案）.未頒布.

中華人民共和國國家標準，1974. 工業與民用建筑抗震設計規范（TJ11-74）.北京：中國建筑工業出版社.

中華人民共和國國家標準，1978. 工業與民用建筑抗震設計規范（TJ11-78）.北京：中國建筑工業出版社.

中華人民共和國國家標準，2001. 建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）.北京：中國建筑工業出版社.

中華人民共和國國家標準，2010. 建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）.北京：中國建筑工業出版社.

Ian Buckle, Ian Friedland, John Mander, 2008. 公路結構物抗震加固改造手冊. 王克海，李茜等譯，北京：人民交通出版社.

Suggestion of Adding Foundational Seismic Fortification Criterion in Seismic Specification of Infrastructure

Wang Kehai1), Li Yue1), W. Phillip Yen2), Li Qian1)and Wei Han1)

1) Research Institute of Highway, Ministry of Communications, Beijing 100088, China
2) Federal Highway Administration, Turner-Fairbank Highway Research Center, USA

Aimed at the current problems encountered in the seismic design of infrastructure in China, we propose the following suggestions: (1) The seismic design goals, strength and ductility factor of varying elements and components should be determined according to the earthquake intensity level; (2) Only the earthquake ground motion parameters of medium earthquake level (475 years returning period) are provided by the seismic zoning map, and actual earthquake is very likely to exceed the medium level, thus strong earthquake (rare earthquake) should be considered in the seismic design, even the aftermath and emergency measures should be considered when the unexpected earthquake occurs. (3) Improving the seismic fortification standards is not simple to increase one degree, but the minimum fortification requirement should be satisfied by setting the minimum parameters of ground motion and the earthquake risk should be represented by the seismic returning period in the seismic zoning map. (4) For the infrastructure in the district below intensity VI, the seismic design and construction measure should be adopted according to the intensity VI.

Criterion; Earthquake; Fortification; Suggestion

科技部國際科技合作項目（2009DFA82480）；交通運輸部西部交通建設科技項目（2009318223094）；交通運輸部行業標準項目（JTG-C-201012）；中國博士后科學基金資助項目（2011M500017）

2012-01-29

王克海，男，生于1964年。博士，研究員，博士生導師。主要研究方向為橋梁抗震。E-mail: kh.wang@rioh.cn