我國中、低烈度區罕遇地震設防水準的選取

王玨 程宇 安曉文 文雯 姚姜森

摘要：采用概率地震危險性（PSHA）方法計算了我國中、低烈度區位于主要經濟帶內的28個大中城市50年超越概率3%和2%的地震動峰值加速度，為比較中、低烈度區罕遇地震不同設防水準的影響提供了定量數據；計算了中、低烈度區50年超越概率3%和2%地震作用下對應的建筑結構的屈服加速度，評價其抗震能力。結果表明：50年超越概率2%對應的屈服加速度明顯大于50年超越概率3%的對應值。根據分析結果，建議抗震設計規范將中、低烈度區罕遇地震的設防水準統一至50年超越概率2%。

關鍵詞：抗震設防；設防水準；PGA；屈服加速度；中、低烈度區；罕遇地震

中圖分類號：P315.91文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2023）03-0415-07

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2023.0046

0引言

地震是一種突發性的自然災害，發震地點和時間具有較大的隨機性，且通常破壞性很大。我國地處歐亞地震帶和環太平洋地震帶之間，地震災害頻發，21世紀以來我國發生的5級以上地震超過500次，截至2018年地震災害導致的直接經濟損失超過1.4萬億元（國家統計局，2020）。據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306—2015）（以下簡稱“2015區劃圖”），我國已實現抗震設防全覆蓋，Ⅶ度及以上地區面積約占國土總面積的58%，Ⅷ度及以上地區面積約占國土總面積的18%，可見地震災害是我國防災減災事業面臨的主要威脅之一。

為防御地震破壞，我國從《建筑抗震設計規范》（GBJ11—89）（以下簡稱“89規范”）開始確定了“大震不倒，中震可修，小震不壞”的抗震設計目標，多年來這一建筑抗震設防思想在國民經濟建設中發揮了重要作用（羅開海，2017）。然而，隨著人們對地震災害特點的不斷深入認識和人類社會發展對抗震設防需求的變化，我國建筑物的抗震能力還不能與社會經濟的快速發展相匹配（薄景山等，2022；任軍宇等，2021；肖意等，2021）。現行的《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）（以下簡稱“2010規范”）中不同烈度區罕遇地震的設防標準不一致，是當前抗震設防標準和防災對策中存在的較為突出的問題（羅開海等，2018）。

89規范和2010規范抗震設計規范均規定，罕遇地震（大震）指的是一般場地條件下50年超越概率2%～3%的地震，具體規定為Ⅶ度區及以下罕遇地震設防水準為50年超越概率3%、Ⅷ度區為2.5%、Ⅸ度區為2%。與之相對應的罕遇地震的重現期在1642～2475年，可見不同烈度區罕遇地震的風險水平差異明顯。這樣的規定直接導致抗震設計時不同烈度區所采用的建筑結構防倒塌設計地震動不在統一的概率水平，烈度越低的地區，防倒塌設計地震動參數也越低。數十年來的地震宏觀破壞經驗表明，現階段我國工程抗震形勢是中、低烈度區一旦發生超設防地震時，地震災害風險將顯著高于高烈度區，因此2010規范采用的罕遇地震風險水平不一致會使得中、低烈度區建筑物的地震安全形勢惡化（羅開海，劉培，2016）。

目前工程界對中、低烈度區罕遇地震設防水準不統一的問題已有定性的認識，但對罕遇地震設防水準取值不統一會導致地震動峰值加速度有何變化，以及據此進行抗震設計的建筑結構的抗震能力差異等問題，尚無定量的分析結果。本文利用第一次全國自然災害綜合風險普查“一省一市”地震評估與區劃試點工作取得的最新資料和2015區劃圖中概率地震危險性分析方法（ProbabilisticSeismicHazardAnalysis，簡稱PSHA），計算了我國中、低烈度地區大中城市50年超越概率3%與2%的地震動參數，并利用該結果計算了采用這兩組參數進行抗震設計所得到的建筑結構的屈服加速度，據此對不同罕遇地震設防水準下結構的抗震能力差異進行初步評價。

1中、低烈度區大中城市50年超越概率3%與2%的地震動參數

根據地域上分布相對均勻、且在主要經濟帶內的原則，本文挑選了2015區劃圖規定的0.05g區、0.10g區和0.15g區中的28個大中城市作為計算點。采用2015區劃圖推薦的考慮地震活動時、時空不均勻的概率分析方法，計算了這28個大中城市50年超越概率3%和2%的地震動參數，并將計算結果與2010規范的中、低烈度區罕遇地震設防水準的概率界定和參數取值進行比較分析。

1.1基巖地震動參數

PSHA計算中所使用的地震帶、潛在震源區及其地震活動性參數和地震動衰減關系均采用2015區劃圖推薦的方案。其中潛在震源區劃分和地震活動性模型主要參考了“中國地震動參數區劃圖地震活動性參數確定工作報告”（全國地震區劃圖編制地震活動性參數確定工作組，2011）；地震動衰減關系采用2015區劃圖建立的地震動參數衰減關系（俞言祥等，2013）。中國地震區、帶劃分及各計算點所處位置如圖1所示。每個計算點選擇其所在地震帶及周邊的多個地震區、帶內的潛源進行計算，以保證可能對計算點產生影響的潛源不

1.2一般場地條件（Ⅱ類場地）地震動參數

通常情況下，基巖地震動參數需要轉換為地表地震動參數才能為抗震設防所采用。據2015區劃圖的技術方法（高孟潭，2015），一般場地條件（Ⅱ類場地）和基巖場地（Ⅰ1類場地）對應的加速度分檔和這兩種場地類別之間的轉換系數經驗值見表2。從基巖場地地震動參數轉換到地表地震動參數時，通常表示如下：

Amax（Ⅱ）=Amax（Ⅰ1）Fa（1）

式中：Amax（Ⅱ）為Ⅱ類場地地震動峰值加速度；Amax（Ⅰ1）為基巖場地地震動峰值加速度；Fa為不同場地類別之間峰值加速度的轉換系數。

當Amax（Ⅰ1）處在不同加速度分檔之間時，Fa按表2中給出的控制點進行線性插值。表3給出了按照上述轉換方法得到的28個城市一般場地條件（Ⅱ類場地）地震動峰值加速度。

從表3可看出，超越概率水準的高低直接影響抗震設計所對應的地震動參數的大小。為討論我國中、低烈度區50年超越概率3%和2%的地震動峰值加速度與2010規范中罕遇地震峰值加速度取值的差異，做以下3種比較。

0.05g區（Ⅵ度區），2010規范中罕遇地震峰值加速度取值為122Gal，計算點50年超越概率3%、2%峰值加速度均值分別為126和144Gal，可見50年超越概率3%峰值加速度計算值與規范值相當，超越概率2%峰值加速度均值較規范值大18%。

0.10g區（Ⅶ度區），2010規范中罕遇地震峰值加速度為218Gal，計算點50年超越概率3%、2%峰值加速度均值分別為218和253Gal，50年超越概率3%峰值加速度計算值與規范值相當，2%峰值加速度計算均值較規范值大16%。

0.15g區（Ⅶ度半區），2010規范中罕遇地震峰值加速度為314Gal，計算點50年超越概率3%、2%峰值加速度均值分別為285和340Gal，50年超越概率3%峰值加速度計算值小于規范值，如前所述2010規范采用的設防水準應為50年超越概率2.5%，2%峰值加速度計算均值則較規范值大8.4%。

從上述結果看，烈度值越低，50年超越概率3%和2%的地震動峰值加速度的差值越大。低烈度區罕遇地震的設防水準采用50年超越概率3%，會使大震的風險水平被低估，致使建筑防倒塌水準也偏低。

地震的發生具有很大的不確定性，在中、低烈度區造成嚴重災害的強震時有發生（《中國地震年鑒編輯部》，2002，2017）。隨著人們對地震災害的認識不斷深入和人類社會發展對抗震設防需求的提高，對于一座城市，盡管發生破壞性地震的概率極小，但破壞性地震一經發生往往產生巨災，損失慘重（薄景山等，2019）。因此，在中、低烈度區（Ⅵ度區和Ⅶ度區）罕遇地震設防水準采用50年超越概率3%可能會加大該類地區的地震災害風險。

2不同罕遇地震設防水準對典型建筑結構抗震能力的影響

本文從建筑結構的地震易損性出發，以地震屈服加速度作為評價指標，討論采用50年超越概率3%和2%作為設計參數的建筑物的抗震能力。

地震屈服加速度是指設防標準下結構構件最大設計承載力所對應的譜加速度值，是建筑物抗震能力總的評價指標之一。屈服加速度的大小可以反映建筑物抗御地震作用的能力（尹之潛，1994；尹之潛等，2003）。表4給出了我國城鎮現有的6種量大面廣的典型建筑類型（尹之潛，楊淑文，2021）。

式中：λ2為結構構件內力組合系數；αd是設計地震加速度，單位為g；re是地震作用分項系數，rg是重力荷載分項系數影響值，rd是材料強度抗震調整系數，這3個參數采用2010規范給出的不同結構類型進行取值；rs為結構構件承載為調整系數，磚結構一般取1.25，鋼混結構按實際配筋率與計算配筋率之比取值（建筑抗震設計規范，GB50011—2010；建筑結構設計統一標準，GB50068—2018）。

本文按照公式（2）、（3）計算了我國中、低烈度區8個大中城市典型建筑結構以50年超越概率3%和2%地震動峰值加速度為設計參數的地震屈服加速度（表5）。表5中K是2010規范中罕遇地震對應的地震加速度峰值。從計算結果看，對不同烈度區、不同結構類型而言，50年超越概率2%對應的屈服加速度總體上均明顯大于50年超越概率3%的對應值。在設防加速度為0.05g（Ⅵ度）的地區，不同結構類型的50年超越概率3%和2%罕遇地震所對應的屈服加速差異為12%～20%，0.10g（Ⅶ度）地區的差異為14%～19%，0.15g（Ⅶ度）地區的差異為17%～21%。按2010規范，0.15g及以下的中、低烈度區罕遇地震均采用50年超越概率3%的地震動峰值加速度，因此當遭遇大震危險時，中、低烈度區的房屋建筑抗震能力相對高烈度地區更加偏于不安全。

3結論

本文利用PSHA方法，計算了中、低烈度區大中城市50年超越，概率3%和2%的地震動峰值加速度。在此基礎上，以屈服加速度為指標，對比分析了中低烈度區罕遇地震不同設防水準下建筑結構的抗震能力，得出以下結論：

（1）根據PSHA結果，現行2010規范規定的Ⅵ度、Ⅶ度地區罕遇地震設防水準所對應的地震動峰值加速度值明顯低于PSHA方法的結果。建議修訂抗震規范時，應綜合考慮社會經濟發展水平、地震與工程抗震研究新成果和抗震設防思想的發展動態，充分體現“以人為本、人人平等”的原則，將我國不同烈度區建筑抗震設計采用的罕遇地震風險水平統一為50年超越概率2%。

（2）根據50年超越概率3%和2%所對應的地震屈服加速度計算結果，當遭遇大震危險時，在2010規范的中、低烈度區罕遇地震風險水平下，房屋建筑結構的抗震能力相對高烈度地區的更加偏于不安全。根據我國國情，大幅度提高現有抗震設防烈度分布并不現實，也不科學（中華人民共和國國務院，2021）。因此，對于中、低烈度的地區，將罕遇地震的設防水準由50年超越概率3%提高至2%是比較科學、合理的。

地震設防標準是一個涉及科學性、經濟性和政策性等多個方面的綜合性工程技術問題。本文僅用不同概率水準地震動參數相應的結構屈服加速度一個指標討論了中、低烈度區罕遇地震設防水準偏低的問題。在今后的研究中，在地震風險普查建筑物抽樣調查工作獲得的詳細資料的基礎上，可采用完整的建筑物地震易損性分析方法，評估中、低烈度區兩種罕遇地震設防水準下的建筑的抗震能力，為抗震設計提供論證資料和決策依據。

參考文獻：

薄景山，李平，孫有為，等.2019.中國城市抗御地震災害研究的發展與實踐［J］.震災防御術，14（2）：259-268.

薄景山，王玉婷，薄濤，等.2022.城市和建筑抗震韌性研究的進展與展望［J］.地震工程與工程振動，42（2）：13-21.

高孟潭.2015.GB18306—2015《中國地震動參數區劃圖》宣貫教材［M］.北京：中國標準出版社.

國家統計局.2020.中國統計年鑒（2019年）［M］.北京：中國統計出版社.

羅開海，保海娥，左瓊.2018.我國建筑抗震設防水準的歷史沿革、現狀及展望［J］.地震工程與工程振動，38（4）：41-47.

羅開海，劉培.2016.新一代地震區劃圖調整統計及抗震規范局部修訂簡介［J］.城市與減災，108：43-48.

羅開海.2017.建筑抗震設防思想發展動態及展望［J］.工程抗震與加固改造，39（S1）：99-105.

全國地震區劃圖編制地震活動性參數確定工作組.2011.中國地震動參數區劃圖地震活動性參數確定工作報告［R］.

任軍宇，潘鵬，王濤，等.2021.GB/T38591—2020《建筑抗震韌性評價標準》解讀［J］.建筑結構學報，42（1）：48-56.

肖意，周穎，吳浩，等.2021.GB/T38591—2020《建筑抗震韌性評價標準》與國際相關標準對比研究［J］.建筑結構學報，42（7）：194-202.

尹之潛，楊淑文.2021.地震損失分析與設防標準［M］.北京：地震出版社.

尹之潛，趙直，楊淑文，等.2003.建筑物易損性和地震損失與地震加速度譜值的關系（上）［J］.地震工程與工程振動，23（4）：195-200.

尹之潛.1994.地震災害損失預測的動態分析模型［J］.自然災害學報，3（2）：72-80.

尹之潛.2010.現有建筑抗震能力評估［J］.地震工程與工程振動，30（1）：36-45.

俞言祥，李山有，肖亮.2013.為新區劃圖編制所建立的地震動衰減關系［J］.震災防御技術，8（1）：24-33.

《中國地震年鑒》編輯部.2002.中國地震年鑒［M］.北京：地震出版社.

《中國地震年鑒》編輯部.2017.中國地震年鑒［M］.北京：地震出版社.

中華人民共和國國務院.2021.建設工程抗震管理條例［Z］.

GB18306—2015，中國地震動參數區劃圖［S］.

GBJ11—89，建筑抗震設計規范［S］.

GB50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

GB50068—2018，建筑結構設計統一標準［S］.