冶金工业建筑抗震设防思考范文

本文作者：吴良玖

根据海城、唐山等地震的经验,在研究制订《冶金工业建筑抗震设计规程》(以下简称“规程”)中,编制组确定以“定性正确,定量合理,标准恰当,方便使用”为编制原则,其中,“标准恰当”的原则,具体体现在抗震设防总要求、设防烈度、设防标堆和设防水准等具体内容上。

一、抗,设防的总要求

抗震设防的总要求是保障地震作用下厂矿的生产安全和人身安全,这是政策性与技术性相结合的抗震设防总要求。所谓政策性,指的是根据国家当前的财力、物力条件,确定设防范围和设防等级;按建筑物的重要性等级取用的容许损坏程度等。所谓技术性,指的是当前地震工程科学技术所能达到的水平,包括烈度的合理定量,地震动参数的积累和合理取值,由选厂、总平面布置到具体工程抗震设计技术的成熟程度等。海城、唐山地震以来,冶金部一直以保障地震下厂矿企业的人身安全与生产安全为抗震设防的必目标,而首先侧重于保障人身安全。与此相对应,建筑抗震的研究对象主要是量大面广的单体建筑物。随着国家经济条件的改善和地震工程科研技术的不断进步,建筑抗震的研究将由单体建筑物的防治进到群体的防治,并与设备抗震、生命线工程等领域的研究相结合,由分部分项的地震危险性评定进到整个厂矿按生产全流程进行地震危险性的综合评定,以适应冶金工业生产连续性强这一特点的需要,提商厂矿的综合防震能力。抗震设防的总要求由原先的“保人身、保生产”迸到“保生产、保人身”的变化,正是反映或将反映地震工程科研技术的重大进步。在强烈地震作用下保障人身安全固然并非易事,而保障生产安全在技术上难度更大,涉及的领域范围和内容更广,综合性更强;而且保障生产安全的目的,就所牵涉到的工业建筑和设施,将必然使人身安全的保障程度得到进一步提高。目前正处于这两个设防总要求的过渡阶段中。

二、抗,设防烈度的确定

新建工程和已有工程扩建时,确定抗震设防烈度的基本依据,是国家地震局1976年批准颁发的《中国地震烈度区划图》中规定的地区基本烈度。它以历史地震活动性资料为基础,根据地震地质条件,确定从1974年起一百年内地震危险区及其可能出现的最大震级与相应的震中烈度,再按分区的烈度衰减规律,判定所在地区在中等场地条件下的影响烈度,即基本烈度。这是中长周期地震预报在防震和抗震上对未来地震破坏程度的综合定性估价,表明未来地震对特定观察对象的动力作用或破坏作用的强弱程度。这是根据我国历史地震记载资料丰富(约有2800年记载历史)而强震运动记录缺乏(在全世界已安设5000台强震观测仪中,我国仅有约二百台)的实际情况,所采取的扬长避短但需补缺的抗震设防尺度。我国的新地震烈度表〔1〕、.〕将烈度定义为地面震动强弱程度的尺度,并根据建国三十余年来评定烈度的现场经验和强震记录资料的归纳分析结果,将烈度I与地面峰值剪切波加速度A的关系按公式(1)取用:A=10‘,‘o“2一,•,,,(1)其值比1974年和1978年抗震设计规范中的数值提高25%。上述对烈度的地面运动加速度定量,并与加速度反应谱中考虑地震动频谱特性相结合,使烈度由原先的地震破坏后果的定性描述,进到定性与地震动参数(地震动强度和频谱特性)定量的综合评定,因而更适用于抗震设防和抗震设计的需要。由于地震的破坏作用是地震动强度、频谱特性与持续时间三个主要因素的综合反映,中国建筑科学研究院工程抗震研究所将烈度定义为地震的动力作用强弱程度,在加速度反应谱中引人远震和近震的概念,以反映地震动持续时间长短的影响〔3〕。由于冶金工业厂矿具有长周期结构多的特点,因此,潜在震源的远近对结构动力反应的影响是必须予以重视的主要因素之一。

三、远瓜近展的划分

大量的震害事实表明,震级小的近场地震和震级大的远场地震,当综合评定的烈度为相同级别时,在厚覆盖层场地上地震动的频谱特征和震害特点有明显不同:前者地震动强度较大而频谱组成中的短周期成分明显,地震动持续时间短,短周期结构的震害比长周期结构的震害重;后者反之,地震动强度较小,长周期成分明显,持续时间长,某些长周期结构的震害较重。这反映了震害的选择性和累积性。首次在抗震设计规范中考虑地震动持续时间这一重要因素的是美国关于确定为远震的震中距值,美国、日本和苏联〔5〕均取为100km。周锡元等由我国历史强震等震线得出震中烈度I。与震级M的关系式10一0.24+l.26M,影响烈度I与震级M、震中距R(km)的关系式I~0.92+l.63M一3.49logR,由此可得我国地震的烈度衰减规律:I=0.61+1.291。一3.49logR遥I。(2)但由于震中距不易确定,中国建筑科学研究院抗震所建议以△I一I。一I~2度为近震、远震的界限,即△I一0~l度为近震,△I多2度为远震;远震7度区将由震中烈度I。乡9度所引起,远震8度区将由I。多10度所引起。这样,就可以从全国地震烈度区划图中的等震线中方便地查得远震7度、8度区。例如:7度区徐州、连云港、枣庄、充州、莱芜等地区的震中在郊城附近,I。多10度;河津、候马、古县,震中在临汾附近,1。一9度;乌鲁木齐、喀什、拉萨、昆明、昭通、德州、五原等,均为远震7度区。位于远震8度区的城市极少,如新疆的独山子,四川的沪定等。至于9度区,由于此时震害将主要决定于地震动的强度,且原始资料太少(仅四例),故暂不分震源远近。

对于虽为远震7度、8度,但属于I类场地的地区,由于从建筑物基底输入的剪切波其长周期成分的幅值不大,故对长周期结构不致加重震害。周锡元等对三组不同震级、震中距的地震(M=5.5,R=lokm;M一6.5,R一30km;M一7.5,R=100km)形成相同影响烈度(I一7度)的场地地震反应计算结果作了比较,不同震中距时薄土层场地的三个标准化反应谱差别很小〔5〕。因此,考虑远震对长周期建筑影响的范围主要是7度、8度区的I、I、F类场地;就全国范围来说,7度、8度区中的大多数以及9度区,则主要是近震影响。

上述区分远震、近震的方法虽然是粗略的,但简单实用,对一般工程已能满足要求。至于重要的大型厂矿,当有可能进行地震小区划,提出所在场地的设计反应谱时,则在分析未来的潜在震源时已考虑了震中距的远近,但对远场地震宜同时输人远震区所得的基岩运动记录,以弥补目前对剪切波传播途径方面研究的不足。

四、根络班筑,要性等级,区别抗震设防要求

对于地震区中特别重要的建筑物,在我国1974年、1978年两本抗震设计规范中均有有关按批准权限报请批淮后可提高一度进行抗震设防的规定。国内地震工程界不少同志认为,这种不问薄弱环节所在,也不问形成薄弱环节的原因是强度不足还是塑性变形能力不足,而将整体结构及其地基的作用地展力统统都提高一度的做法,既是不经济的,也不一定能深证安全。如果结构中的主要受力构件在地震下出现脆性破坏,则即使提高一度设防,由于无塑性耗能条件使地震力可能增大到三倍,而按提高一度设防的承载能力仅增加到二倍,故仍难免在薄弱部位发生脆断。“规程”中对建筑物按共用途的重要性划分为A、B、C三级,并与新规范相衔接,对A类建筑按批谁权限报i泞批准后可提高一度采取抗震构造措施,而不是提高一度来取用地震力。这样,所采取的措施具有针对性,因而能保障安全,且花钱不多。对建筑物划定重要性等级的标准,除象一般工业建筑那样考虑保障生命和重要设备的安全外,并针对冶金工业生产连续性强和次生灾害严重的特点,从严划分A类建筑,这主要指大型厂矿中,建筑物的中断使用将对连续生产和人民生命造成严重后果者,包括全厂矿性的动力系统、调度系统建筑,地展救灾需要的建筑,地震下受损后可能导致严重次生灾害的建筑,以及矿山的安全出口等。

五、合理取用抗,设防水准

根据海城、唐山等地震的震害经验,国内地震工程界提出“小震不坏,大震不倒”的设防要求,但在现行全国抗震设计规范中,对本地区的大屯中、小地震没有定量标准,对高于基本烈度的大震也没有提出具体的计算4和构造要求。全国抗震设计规范修订组近年来的科研新进展,使有关问题逐步趋于实用。“规程”编制组吸取了有关经验,并按冶金工业建筑的特点和实践体会加以运用。

1.抗班设防要求的三个水准

国际上的总趋势是根据本地区的大中小不同地震分别取用不同的设防水准,例如:日本1981年新耐震设计规范规定,建筑物在几十年到一百年的使用期限内可能遇到几次中、小地震的情况下不损伤,且不影响使用;在最多遇到一次的强烈地震下不发生倒塌和人身伤亡。美国加州ATC一3抗震设计条例中要求:建筑物在小震下不损坏;在中等地震下,结构不显著损坏,但容许非结构部分有某些损坏;在大地震下,结构或其构件和设备没有大的破坏,必须保证生命安全,对重要设备特别是应急所需要的主要设备在地震时和地震后应保持正常运行。其它国家,如加拿大、印度、希腊、秘鲁等国的抗震设计规范都有相应的规定。新作订的我国抗震设计规范提出抗震设防的三个水准,即:建筑物在小于本地区基本烈度的多遇地震作用下不损坏,以满足正常使用要求;建筑物在本地区的基本烈度地震作用下容许有不致危及人身和生产设备安全的损坏,不需修理或稍加修理即可恢复使用(“规程”中并增加“不致引起危及安全的次生灾害”的内容);建筑物在高于本地区基本烈度的罕遇地震作用下不发生倒塌或危及人身安全的严重破坏。

2.所在地区大中小地震的界限

不少国家把在50年内超越概率为10%的地震强度作为一般工业与民用建筑的抗震设防标准;对应我国具有丰富历史地震记载的特点,代以50年内超越概率为10%的烈度作为抗震设防标准。中国建筑科学研究院抗震研究所对我国华北、西北和西南地区65个城镇得出50年内烈度概率密度分布曲线,其与现行烈度区划图中相应城镇的基本烈度对比结果表明〔6〕,基本烈度相当于50年内超越概率平均值约为10%~13%的地震烈度,与上述10%超越概率值基本相同。多遇地震(烈度概率密度分布曲线上的众值)比基本烈度降低值平均为1.55度,标准差。一0.16度。按公式(1)进行计算,多遇地震作用下地面运动剪切波加速度为基本烈度地震时数值的34%,其值相当于按规行抗震设计规范计算各类结构水平地震力时的结构影响系数C的平均值。这虽然是偶然的巧合,但说明以往按基本烈度进行抗震验算的结果,对某些结构却隐含了多遇地震下的抗震安全度。对应基本烈度为7、8和9度地区,50年内分别出现高于1度、0.75度和0.5度地震的超越概率约为2%~4%(烈度高者为小的超越概率),这样的小概率事件当是可以被接受的,并称之为罕遇地震。由此得不同基本烈度地区在遭遇不同等级地震时的地震系数k值(以g为单位)如表1。

3.达到三水准设防要求的具体措施

为使结构在多遇地震下无损坏,结构应处于弹性范围工作,按线性动力理论进行地震反应计算,在弹性地震力的组合荷载下,结构及其主要受力构件应满足强度(承载能力)要求,对某些结构,如重要的钢筋混凝土水池、地下通廊等还应满足抗裂度要求。

为使结构在落本烈度地震下满足容许的有限损坏要求,对干已处于弹塑性工作状态钓结构,按其组成构件和节点的所长,分别满足强度或塑性变形能力的要求,使对先行出现塑性变形的构件限制其塑性变形出现量并合理利用其塑性吸能能力,使主要受力构件和节点没有先行出现脆性破坏的可能。为使结构在罕遇地震下不发生危及生命的严重破坏或倒塌,除满足承载能力和吸能能力的要求外,还应考虑结构的整体稳定性、极限侧移量和抗倾覆能力,进行相应的抗震验算。

综上所述,在地震组合荷载作用下,应从六个方面综合考虑结构的动力可靠度:强度(承载能力)和某些结构的抗裂度、塑性变形能力(或表现为吸能能力)、空间整体稳定性、侧向变形以及抗倾覆能力;在本地区的多遇地震、基本烈度的地震和罕遇地震作用下,根据结构需要达到的功能要求,而对上述要求有所侧重,但共性的要求是承载能力,后两个水准的共性条件是塑性变形能力。

按现行抗震设计规范和抗震鉴定标准进行抗震设计时,只考虑第二个设防水准,其中还有某些概念上似有混淆的内容,举例如下:

1)算得的水平地震力是经塑性耗能折减后的水平地震力,而取用的反应谱却是加速度弹性反应谱;

2)结构已进人弹塑性工作状态,但地震内力的组合却采用线性叠加的方法;

3)对于已进入塑性状态的结构组成构件,其总安全系数只可能是k一l,而不可能有大于l或小于l的情况,而现在抗震鉴定标准中钢结构和钢筋混凝土结构却出现k<l的情况。

在修订国家的抗震设计规范及制订国家的工业构筑物抗震鉴定标淮和冶金部抗震设计规程时,都考虑消除上述概念上的矛盾,但考虑的方法有所不同。

为了在满足多水准设防要求的基础上使计算得到简化,一般采用两阶段设计:在第一、二个设防水淮中选取其一,在某一设防水堆的抗震验算中隐含了另一个设防水准的要求;再对少数结构进行罕遇地震下的侧移和其它验算。对于前者,如果选取小震进行结构及其地基的抗震强度等验算,其优点在于结构的弹性工作阶段与所取用的弹性反应谱、弹性地震力、线性要加的内力组合方法之间概念上一致,但可能有新的误解或出现新的矛盾:其一,以往在水平地震力计算中引人结构影响系数C,提醒人们要综合考虑承载能力和塑性变形能力(吸能能力),虽然在结构的抗震构造中采取了保证塑性变形能力和吸能能力的多种措施,但在地震力计算公式中却得不到反映;其二,在反应谱中引入远震的概念,考虑远震的主要点在于远展时地面运动剪切波主要周期的加长对某些长周期结构可能产生加振作用,以及地震动持续时间的加长使已进入弹塑性工作状态的长周期结构产生破坏的累积性。“持时的主要影响在于结构反应一旦超过弹性极限后可能发生的强度丧失”〔‘〕;胡幸贤教授亦认为,“持时的重要意义同时存在于非线性体系的最大反应和能量损耗积累两种反应之中”,而弹性结构虽经多次反复受力却不会引起能量损耗的累积效应,不会导致结构承载能力的丧失,这样,按弹性阶段考虑远震就失去了主要意义;其三,取用弹性反应谱,但结构周期的取值却往往考虑出现容许性损坏后加长了的周期,两者不一致;其四,结构在多遇地震的弹性地震力作用下处于弹性阶段工作,而构件截面计算却采用弹塑性工作状态的计算简图,两者不协调;其五,在较低烈度区,对应于多遇地震时的地面运动加速度值是否可能使可液化土层出现液化以及液化程度如何,地基承载力是否可能出现失效,恐怕存在定性上或量纲上的矛盾。

鉴于上述情况,我们在第一、二个设防水淮中采用了基本烈度地震下的抗震脸算,但尽量地避免前所列举的现行规范在概念上易混淆之处,其要点如下:

(l)取基本烈度地震下的弹性地震力,则其地艘影响系数a的最大值a二.二~刀k~2.25k对应于基本烈度7、8和9度区分别为0.28、0.56和1.12。这样,弹性地震力与弹性反应谱、内力的线性叠加方法得到一致;

(2)_上述弹性地震力与恒载等所产生于构件的内力组合后,如其值超过构件的弹性极限强度(屈服承载能力),则将先行出现塑性变形而起耗散地震能量的作用,因而对强度较之为大的脆性构件和节点起卸载作用,也即是在内力组合中才考虑结构类型和工作状态系数C;

(3)在对水平地震力产生的内力乘C值折减的同时,并考虑由于容许出现有限的损坏而对结构周期乘以大于1的加长系数,以近似地考虑结构进入弹塑性状态后反应的降低;

(4)结构组成构件中的总安全系数取为k多l,而无k<l情况,其中,k一l的构件指先行出现塑性变形的构件已达到屈服内力;k>i的构件是指未达到弹性极限强度的构件和节点;

(5)C值命名为“结构类型和工作状态系数”,简称结构系数,所述结构类型包括组成材料(钢、钢筋混凝土、砖砌体等)和形式的不同,所述工作状态指处于弹性工作状惑还是弹塑性工作状态。其值按不同类型结构而异,但原则上应不小于多遇地震时与基本烈度地震时地面运动剪切波加速度的比值,使得按基本烈度地震时的抗震验算结果隐含了多遇地震时的承载能力要求。

采用上述抗震验算方法同样存在着弊病,例如,采用加长周期的方法与结构的弹塑性反应不能等同。但从总体来看,以基本烈度地震进行抗震验算而隐含多遇地震影响,似乎较为合理。

至于在罕遇地震下避免结构倒塌的要求,限于目前对工业建筑尚缺少研究,故仅针对结构产生倒塌的原因采取一些构造措施。从震害中,分析结构倒塌的主要原因在于:(l)长周期结构整体或层间侧移过大而形成过大的P一△(垂直力一侧移)效应;(2)结构出现薄弱层,由塑性交形集中或主要受力构件脆断使静定体系变为机构;(3)整体失稳,或者因失去整体性而导致结构受力体系改变、示载能力不足;(4)地墓承载能力失效等。有关处理措施举例如下:合理取用塑性变位率,使其值与延性系数之间尚有一定的富裕量;抗侧力构件的合理设置以避免出现薄弱层,竖向支撑斜杆取用合理的长细比值使之透当增加吸能能力;要求脆性构件和节点的价载能力大于先行出现塑性变形的构件的承载能力,使前者为后者提供出现塑性耗能的条件,而后者为前者卸载,互汤其长,互补其短而形成整体之一长;对高重心结构进行抗倾覆验算;加强连接构造使捉高结构的整体性和改善传力路线;采取避免液化地荃和其它软弱土地基承载能力失效的措施,等等。

上述内容从一个侧面反映了近期我国地震工程技未的某些进展,在设防标准上较前有所合理,但随着地震工程技术的进步,还将进一步完善并解决一些新问题,诸如:为保障地震下生产安全,从单体建筑抗震进到按生产流程综合评定工业建筑和设施的动力可靠度时设防标准的合理取用,罕遇地震下为防IL长周期工业建(构)筑物倒塌以取用什么地面运动强度(加速度、速度还是位移)为宜及其计算方法等,有待逐步解决。