中國與伊朗抗震規范地震作用對比研究

張 輝

(福建永福電力設計股份有限公司,福建 福州 350108)

0 引言

近年來,隨著我國“一帶一路”倡議的推進,中國在伊朗承擔的工程建設項目越來越多。伊朗位于地中海-喜馬拉雅地震帶上,是亞歐地震帶上地震活動頻繁的地區之一[1-2]。中伊兩國在結構抗震設計理念、設計原則、設計方法等多方面存在巨大差異。因此學習研究伊朗的抗震規范對我國工程技術人員在當地開展工程建設是十分重要的。

伊朗建筑抗震設計規范為《Iranian code of practice for seismic resistant design of buildings》,2015年以后頒布施行第4版。第4版對抗震設防分類、結構反應系數與反應譜曲線等做出了重大調整。本文以伊朗現行的抗震設計規范第4版[3]為藍本,對其抗震設防目標、地震區劃、場地類別、設計反應譜、基底剪力等進行論述,并與我國抗震設計規范[4-6]相關內容做出對比,以供工程設計人員進行探討與參考。

1 中伊兩國的抗震設計標準

1.1 抗震設防目標與方法

《建筑抗震設計規范》(簡稱《抗規》)采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準設防目標,“兩階段”的設計方法。三個水準的地震水平分別對應著50 a超越概率63%,10%,2%～3%的地震。“兩階段”設計的第一階段是基于小震的彈性反應譜計算地震作用,對結構構件承載力、位移以及變形進行驗算,并根據延性要求采用相應的抗震措施,使結構不發生不可修復的脆性破壞,實現小震不壞與中震可修;第二階段是驗算大震作用的結構彈塑性變形不超過限值以避免倒塌[7]。

伊朗規范首先對建筑物按重要性分類,對不同重要性的建筑分別設定不同的抗震設防目標:1)對于中等重要的建筑,防止至關重要的結構和非結構部件破壞,并盡量減少人員傷亡;2)對于重要性高的建筑,防止發生關鍵性的損壞,以保證損壞能夠很快被修復;3)對于非常重要的建筑,防止結構和非結構部件發生抗力變化與承載能力受損,使建筑維持可使用性;4)對于50 m或15層以上以及非常重要與重要性高的建筑物,防止發生損壞并保持建筑的可使用性。

伊朗規范定義了設計基本地震和工作水平地震,其50 a內的超越概率分別為10%與99.5%,重現期分別為475 a與10 a。可見伊朗規范中的設計基本地震與中國的“中震”相當。伊朗規范要求各類重要性的建筑都要進行設計基本地震水平的抗震設計驗算。另外對于50 m或15層以上以及非常重要與重要性高的建筑物要求保證其地震時保持正常使用的能力,還應對工作水平地震時其構件的應力水平與結構層間位移、整體側移等做出限制。進行設計基本地震水平的抗震設計時,先根據彈性反應譜計算結構的地震作用,再采用相應延性等級的結構性能系數對其折減后,用于結構承載力和變形的驗算,同時通過不同的抗震措施來實現各類延性等級的要求。

1.2 抗震設防分類

伊朗規范根據建筑物的用途以及損壞后的危害性將建筑物劃分為四個類別,如表1所示。其中,1類為非常重要的建筑,2類為重要性高的建筑,3類為中等重要的建筑,4類為重要性低的建筑。通過給每一類建筑分別指定不同的重要性系數對其承受的地震作用進行整體放大或者折減。

《建筑工程抗震設防分類標準》根據建筑物的重要性與破壞后果的嚴重性,由高到低將建筑物劃分為甲、乙、丙、丁四種設防類別,對應特殊、重點、標準、適度設防,并對各設防類別結構的地震作用計算和抗震措施分別規定不同的要求和調整方式,設防類別越高其要求越嚴格。

表1 伊朗規范建筑物重要性分類

2 地震動參數相關規定

2.1 地震分區

伊朗規范根據各地地震活動水平給出了全國各個城市50 a超越概率10%的設計基底加速度,并按其劃分為四類地震風險分區,如表2所示。表2中的DBA為設計基底加速度與重力加速度的比值。但伊朗規范未指出DBA所對應的場地類型。

表2 伊朗規范地震風險分區

《抗規》根據全國各地的地震活動情況,以行政區劃為單位給出了各縣區50 a超越概率10%即“中震”水平的設計基本地震加速度值,并將全國劃分為6個地震烈度區(6度、7度(0.1g,0.15g)、8度(0.2g,0.3g)、9度)。根據地面加速度大小劃分地震分區,兩本規范做法相同。《中國地震動參數區劃圖》(簡稱《區劃圖》)給出了全國各地Ⅱ類場地條件下50 a超越概率10%的基本地震動峰值加速度。《抗規》中沒有明示設計基本地震加速度取值所依據的場地類型,但在條文說明中指出其取值與《區劃圖》附錄A所規定的基本地震動峰值加速度相當。

2.2 場地類型

伊朗規范根據場地地表以下30 m以內土體的3個獨立的物理與力學指標:平均標貫擊數、平均不排水剪切強度、平均剪切波速,將場地劃分為四類,如表3所示。

表3 伊朗規范場地類型劃分

《抗規》根據場地土覆蓋層厚度與地面以下20 m內土層的平均剪切波速兩個因素將場地劃分為Ⅰ0,Ⅰ—Ⅳ五類。伊朗規范中Ⅰ類場地平均剪切波速大于750 m/s,近似于《抗規》中Ⅰ0場地;其余各類場地的剪切波速范圍無法一一準確對應,只能按剪切波速范圍近似地將二者大致對應,伊朗規范與《抗規》的場地劃分比較如表4所示。伊朗規范還要求,對于以下三種場地應做專門的研究:1)對于性質不同于Ⅰ到Ⅳ類的場地,還應考慮地震作用時場地特性變化的可能性;2)含有厚度大于10 m、塑性指數大于40的黏土或者高含水量粉質黏土的場地;3)位于剪切波速超過750 m的剛性層上的土層,其剪切波速相當于場地類型Ⅲ或Ⅳ且厚度在5 m～20 m,且剛性層的剪切波速至少是其上土層的3倍。可見,兩本規范在場地類型的判別方法上,伊朗規范的判別方式更加便于工程應用,《抗規》土層劃分的更為細致。但《抗規》中平均剪切波速的計算深度相對較小,采用30 m深度平均剪切波速反映出的場地條件更全面可靠,對地震效應的評價更為合理[8]。

表4 伊朗規范與《抗規》場地類型劃分對比

2.3 地震反應譜曲線

地震反應譜法屬于線彈性分析方法,為了考慮結構冗余和超強能力,以及非彈性變形引起的能量耗散等結構延性性能,伊朗規范引入了結構性能系數Ru,設計地震的反應譜由式(1)給出。

C=ABI/Ru

(1)

其中,C為地震系數;A為地面設計基底加速度與重力加速度的比值(即表2中DBA);I為結構重要性系數;B為結構反應系數,代表結構加速度對地面運動的反應,其計算式為B=B1N。B1為結構加速度反應譜形狀系數;N為反應譜修正系數。結構的反應譜形狀系數B1由場地類別、地震分區確定,計算式如下:

(2)

其中,T為結構的基本自振周期;S,Ts,T0,S0均為與場地特征以及場地地震風險相關的參數。伊朗規范根據四類地震分區的場地特性、風險概率等因素,對高地震風險、非常高地震風險區域與中地震風險、低地震風險區域分別給出了兩種結構加速度標準反應譜曲線。不同地震分區各類場地上未經修正的標準反應譜曲線如圖1,圖2所示。標準反應譜曲線定義參數如表5所示。

從標準反應譜形狀系數曲線以及其參數取值可以看出,伊朗規范綜合考慮了場地類型與設計基底加速度(地震分區)對結構加速度反應譜形狀的影響。每一類場地的反應譜曲線峰值平臺起始點與下降點都隨著場地土由硬到軟逐漸右移,平臺段長度也逐漸拉長,反應譜曲線長周期部分下降段亦逐漸變緩。從反應譜曲線整體形狀來看,高地震風險區與低地震風險區結構的最大反應加速度隨著場地土從硬到軟有不同程度的提高,結構最大反應加速度與地面加速度之比從2.5提高到2.75和3.25,表明在越軟的場地上結構受到的地震作用越大,在短周期段增大尤為顯著。

表5 伊朗規范結構加速度反應譜參數

Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ類場地,其反應譜平臺段高度不隨設計基底加速度變化。但Ⅳ場地上中、低地震風險區的反應譜峰值平臺段高度比兩類高地震風險區有所提高,結構最大反應加速度與地面加速度之比達到3.25。伊朗規范對較低地震風險區軟弱場地上的結構最大反應加速度做了明顯放大。

伊朗規范的反應譜修正系數N按不同地震分區對周期大于Ts的反應譜曲線做了整體放大,N值計算見式(3),式(4)。特別是長周期部分,隨著結構周期的變長,反應譜值被放大得越多。4 s周期以后的放大系數保持不變。高與非常高地震風險區的反應譜曲線值放大系數比中、低風險區要高。

非常高、高地震風險區的場地反應譜修正系數N取值如下:

(3)

中等、低地震風險區的場地反應譜修正系數N取值如下:

(4)

《抗規》通過特征周期考慮了場地類型對反應譜曲線的影響。場地從硬到軟,反應譜平臺的下降點所對應的特征周期逐漸增長,但起始點固定在0.1 s不隨場地變化。《抗規》還按震源遠近將每類場地的設計地震分為3組,每組場地按照距離震源由近到遠,特征周期逐漸變長,其反應譜平臺段下降點相應右移。《抗規》認為遠震中的柔性建筑受到的地震作用增強。《抗規》中反應譜峰值平臺高度不受場地軟硬和地震烈度的影響,結構最大反應加速度與地面最大加速度之比固定取2.25。但是在《區劃圖》中,動力系數峰值βmax已取2.5,并考慮了場地類型對基本地震動峰值加速度的調整。

《抗規》給出結構水平地震影響系數α曲線,α=k×β。其中,β為動力系數,即結構最大加速度與地面最大加速度之比;k為地面最大加速度與重力加速度之比。如果將式(1)中的I與Ru取1.0,則C=AB,可見地震系數C與水平地震影響系數α的形式與意義相同。

《抗規》中的水平地震影響系數α是相應于50 a超越概率10%的“小震”,根據“小震”為0.35倍的“中震”地震強度的換算關系[9],可以反算出基于中震水平的地震影響系數曲線α50,10%。假定相同的平均剪切波速計算深度,分別取場地土平均剪切波速400 m/s和140 m/s,在伊朗規范與《抗規》中都為Ⅱ與Ⅳ類場地,結構阻尼比取5%,伊朗規范中不考慮反應譜形狀修正系數N時的地震系數曲線與《抗規》中震的α50,10%曲線對比如圖3,圖4所示。由圖可見,0 s～0.1 s周期兩本規范的反應譜曲線基本重合;伊朗規范的反應譜峰值平臺高度更高,其覆蓋的周期范圍更長;在0.1 s～2.5 s的周期內,伊朗規范的結構加速度大于《抗規》,最高可達1.53倍。2.5 s周期以后,《抗規》的結構加速度略大于伊朗規范。

3 基底剪力的計算

伊朗規范的基底剪力計算式為:

Vu=C×W

(5)

C即式(1)地震系數,該式中Ru根據結構體系與高度,結構延性越好Ru取值越大。W為地震重力荷載,由結構自重與樓面屋面活荷載、雪荷載等活荷載組合得到,一般民用建筑樓面活載組合系數取20%,屋面雪荷載取20%,屋面活載不計。

《抗規》的基底剪力計算式為:

FEk=α×Geq(單質點體系)

(6)

FEk=0.85×α×Geq(多質點體系)

(7)

Geq為結構重力荷載代表值,一般民用建筑樓面活載組合值取0.5,屋面雪荷載取0.5,屋面活載不計。以上可見,兩本規范計算基底剪力的方法基本一致,重力荷載代表值中活載的組合系數《抗規》略大,但《抗規》對多層結構的重力荷載代表值做了總體折減。二者的主要差異在于地震系數或者水平地震影響系數取值的不同。

結構重要性系數取I=1.0,場地位置按近震考慮,在兩本規范共同的Ⅱ,Ⅳ類場地上,結構性能系數按高、中、低延性分別取Ru=7.5,5,3時,多層鋼筋混凝土框架的基底剪力系數反應譜如圖5,圖6所示。由圖5,圖6可見,在相同的外部地震環境下,由于伊朗規范的高延性鋼筋混凝土框架采用了較大的結構性能系數,使得在整個周期段上,其基底剪力比《抗規》小;特別是在較硬的Ⅱ場地上,《抗規》基底剪力相當于伊朗規范的1.4倍～2倍。在較硬場地上,伊朗規范中延性框架的基底剪力在反應譜起點到峰值平臺段低于中國規范,其余周期段上兩本規范基本相當。軟弱場地上,伊朗規范中延性框架的基底剪力在反應譜起點到0.65 s兩本規范相差不多,但在0.65 s之后伊朗規范約為《抗規》的1.4倍～1.8倍。對于低延性混凝土框架,在軟、硬場地上伊朗規范計算的基底剪力普遍比《抗規》大,在較硬場地上前者約為后者的1.2倍～1.7倍,在軟弱場地上前者約為后者的1.6倍～3倍。《抗規》的基底剪力相當于“中震”地震作用除以2.8進行了折減,伊朗規范的低延性框架基底剪力是對“中震”地震作用除以3,二者對“中震”地震作用的折減基本相當,但后者的基底剪力比前者要大得多。

4 結論

1)在抗震設防目標方面,伊朗規范針對不同重要性的結構,規定了其在遭受設計基本地震時允許損壞與導致傷亡的程度,并要求超過一定高度和重要性的結構在遭受工作水平地震時保持正常使用的能力。伊朗規范對結構有選擇性地做“兩水準”要求。中國規范對各類重要性的結構都做“三水準”要求。

2)伊朗規范中的Ⅰ類場地近似于《抗規》的Ⅰ0場地,其余各類場地的平均剪切波速劃分范圍互有交叉,無法直接對應。《抗規》場地類型劃分的更細。伊朗規范場地類型判別方法多樣,平均剪切波速計算深度取值更為合理。

3)伊朗規范根據設計基底加速度劃分四個地震風險分區,類似于《抗規》的地震烈度分區。伊朗規范除考慮了場地類型對結構加速度反應譜平臺段起止點周期的影響外,還考慮了場地類型與地震分區對動力系數的影響。中硬到軟弱場地的動力系數峰值逐漸提高,尤其是低地震風險區軟弱場地上動力系數峰值增大到3.25。伊朗規范的地震作用基于“中震”地震的彈性反應譜,根據結構延性對地震作用進行折減,還通過對反應譜做整體修正放大了地震作用。中國規范的地震作用按“小震”彈性反應譜計算。

4)基底剪力的計算,兩國規范在重力荷載代表值取值上差別不大。由于伊朗規范采用不同的結構性能系數對地震作用進行折減,相同外部環境的結構基底剪力與《抗規》差異較大。軟、硬場地上伊朗規范的高延性混凝土框架的基底剪力比《抗規》略小;對于中延性混凝土框架,兩本規范計算的基底剪力的比較結果,在不同場地不同周期段表現不同;軟、硬場地上伊朗規范低延性混凝土框架的基底剪力都比《抗規》大得多。