张 辉
(福建永福电力设计股份有限公司,福建 福州 350108)
0 引言
近年来,随着我国“一带一路”倡议的推进,中国在伊朗承担的工程建设项目越来越多。伊朗位于地中海-喜马拉雅地震带上,是亚欧地震带上地震活动频繁的地区之一[1-2]。中伊两国在结构抗震设计理念、设计原则、设计方法等多方面存在巨大差异。因此学习研究伊朗的抗震规范对我国工程技术人员在当地开展工程建设是十分重要的。
伊朗建筑抗震设计规范为《Iranian code of practice for seismic resistant design of buildings》,2015年以后颁布施行第4版。第4版对抗震设防分类、结构反应系数与反应谱曲线等做出了重大调整。本文以伊朗现行的抗震设计规范第4版[3]为蓝本,对其抗震设防目标、地震区划、场地类别、设计反应谱、基底剪力等进行论述,并与我国抗震设计规范[4-6]相关内容做出对比,以供工程设计人员进行探讨与参考。
1 中伊两国的抗震设计标准
1.1 抗震设防目标与方法
《建筑抗震设计规范》(简称《抗规》)采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标,“两阶段”的设计方法。三个水准的地震水平分别对应着50 a超越概率63%,10%,2%～3%的地震。“两阶段”设计的第一阶段是基于小震的弹性反应谱计算地震作用,对结构构件承载力、位移以及变形进行验算,并根据延性要求采用相应的抗震措施,使结构不发生不可修复的脆性破坏,实现小震不坏与中震可修;第二阶段是验算大震作用的结构弹塑性变形不超过限值以避免倒塌[7]。
伊朗规范首先对建筑物按重要性分类,对不同重要性的建筑分别设定不同的抗震设防目标:1)对于中等重要的建筑,防止至关重要的结构和非结构部件破坏,并尽量减少人员伤亡;2)对于重要性高的建筑,防止发生关键性的损坏,以保证损坏能够很快被修复;3)对于非常重要的建筑,防止结构和非结构部件发生抗力变化与承载能力受损,使建筑维持可使用性;4)对于50 m或15层以上以及非常重要与重要性高的建筑物,防止发生损坏并保持建筑的可使用性。
伊朗规范定义了设计基本地震和工作水平地震,其50 a内的超越概率分别为10%与99.5%,重现期分别为475 a与10 a。可见伊朗规范中的设计基本地震与中国的“中震”相当。伊朗规范要求各类重要性的建筑都要进行设计基本地震水平的抗震设计验算。另外对于50 m或15层以上以及非常重要与重要性高的建筑物要求保证其地震时保持正常使用的能力,还应对工作水平地震时其构件的应力水平与结构层间位移、整体侧移等做出限制。进行设计基本地震水平的抗震设计时,先根据弹性反应谱计算结构的地震作用,再采用相应延性等级的结构性能系数对其折减后,用于结构承载力和变形的验算,同时通过不同的抗震措施来实现各类延性等级的要求。
1.2 抗震设防分类
伊朗规范根据建筑物的用途以及损坏后的危害性将建筑物划分为四个类别,如表1所示。其中,1类为非常重要的建筑,2类为重要性高的建筑,3类为中等重要的建筑,4类为重要性低的建筑。通过给每一类建筑分别指定不同的重要性系数对其承受的地震作用进行整体放大或者折减。
《建筑工程抗震设防分类标准》根据建筑物的重要性与破坏后果的严重性,由高到低将建筑物划分为甲、乙、丙、丁四种设防类别,对应特殊、重点、标准、适度设防,并对各设防类别结构的地震作用计算和抗震措施分别规定不同的要求和调整方式,设防类别越高其要求越严格。
表1 伊朗规范建筑物重要性分类
2 地震动参数相关规定
2.1 地震分区
伊朗规范根据各地地震活动水平给出了全国各个城市50 a超越概率10%的设计基底加速度,并按其划分为四类地震风险分区,如表2所示。表2中的DBA为设计基底加速度与重力加速度的比值。但伊朗规范未指出DBA所对应的场地类型。
表2 伊朗规范地震风险分区
《抗规》根据全国各地的地震活动情况,以行政区划为单位给出了各县区50 a超越概率10%即“中震”水平的设计基本地震加速度值,并将全国划分为6个地震烈度区(6度、7度(0.1g,0.15g)、8度(0.2g,0.3g)、9度)。根据地面加速度大小划分地震分区,两本规范做法相同。《中国地震动参数区划图》(简称《区划图》)给出了全国各地Ⅱ类场地条件下50 a超越概率10%的基本地震动峰值加速度。《抗规》中没有明示设计基本地震加速度取值所依据的场地类型,但在条文说明中指出其取值与《区划图》附录A所规定的基本地震动峰值加速度相当。
2.2 场地类型
伊朗规范根据场地地表以下30 m以内土体的3个独立的物理与力学指标:平均标贯击数、平均不排水剪切强度、平均剪切波速,将场地划分为四类,如表3所示。
表3 伊朗规范场地类型划分
《抗规》根据场地土覆盖层厚度与地面以下20 m内土层的平均剪切波速两个因素将场地划分为Ⅰ0,Ⅰ—Ⅳ五类。伊朗规范中Ⅰ类场地平均剪切波速大于750 m/s,近似于《抗规》中Ⅰ0场地;其余各类场地的剪切波速范围无法一一准确对应,只能按剪切波速范围近似地将二者大致对应,伊朗规范与《抗规》的场地划分比较如表4所示。伊朗规范还要求,对于以下三种场地应做专门的研究:1)对于性质不同于Ⅰ到Ⅳ类的场地,还应考虑地震作用时场地特性变化的可能性;2)含有厚度大于10 m、塑性指数大于40的黏土或者高含水量粉质黏土的场地;3)位于剪切波速超过750 m的刚性层上的土层,其剪切波速相当于场地类型Ⅲ或Ⅳ且厚度在5 m～20 m,且刚性层的剪切波速至少是其上土层的3倍。可见,两本规范在场地类型的判别方法上,伊朗规范的判别方式更加便于工程应用,《抗规》土层划分的更为细致。但《抗规》中平均剪切波速的计算深度相对较小,采用30 m深度平均剪切波速反映出的场地条件更全面可靠,对地震效应的评价更为合理[8]。
表4 伊朗规范与《抗规》场地类型划分对比
2.3 地震反应谱曲线
地震反应谱法属于线弹性分析方法,为了考虑结构冗余和超强能力,以及非弹性变形引起的能量耗散等结构延性性能,伊朗规范引入了结构性能系数Ru,设计地震的反应谱由式(1)给出。
C=ABI/Ru
(1)
其中,C为地震系数;A为地面设计基底加速度与重力加速度的比值(即表2中DBA);I为结构重要性系数;B为结构反应系数,代表结构加速度对地面运动的反应,其计算式为B=B1N。B1为结构加速度反应谱形状系数;N为反应谱修正系数。结构的反应谱形状系数B1由场地类别、地震分区确定,计算式如下:
(2)
其中,T为结构的基本自振周期;S,Ts,T0,S0均为与场地特征以及场地地震风险相关的参数。伊朗规范根据四类地震分区的场地特性、风险概率等因素,对高地震风险、非常高地震风险区域与中地震风险、低地震风险区域分别给出了两种结构加速度标准反应谱曲线。不同地震分区各类场地上未经修正的标准反应谱曲线如图1,图2所示。标准反应谱曲线定义参数如表5所示。
从标准反应谱形状系数曲线以及其参数取值可以看出,伊朗规范综合考虑了场地类型与设计基底加速度(地震分区)对结构加速度反应谱形状的影响。每一类场地的反应谱曲线峰值平台起始点与下降点都随着场地土由硬到软逐渐右移,平台段长度也逐渐拉长,反应谱曲线长周期部分下降段亦逐渐变缓。从反应谱曲线整体形状来看,高地震风险区与低地震风险区结构的最大反应加速度随着场地土从硬到软有不同程度的提高,结构最大反应加速度与地面加速度之比从2.5提高到2.75和3.25,表明在越软的场地上结构受到的地震作用越大,在短周期段增大尤为显著。
表5 伊朗规范结构加速度反应谱参数
Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类场地,其反应谱平台段高度不随设计基底加速度变化。但Ⅳ场地上中、低地震风险区的反应谱峰值平台段高度比两类高地震风险区有所提高,结构最大反应加速度与地面加速度之比达到3.25。伊朗规范对较低地震风险区软弱场地上的结构最大反应加速度做了明显放大。
伊朗规范的反应谱修正系数N按不同地震分区对周期大于Ts的反应谱曲线做了整体放大,N值计算见式(3),式(4)。特别是长周期部分,随着结构周期的变长,反应谱值被放大得越多。4 s周期以后的放大系数保持不变。高与非常高地震风险区的反应谱曲线值放大系数比中、低风险区要高。
非常高、高地震风险区的场地反应谱修正系数N取值如下:
(3)
中等、低地震风险区的场地反应谱修正系数N取值如下:
(4)
《抗规》通过特征周期考虑了场地类型对反应谱曲线的影响。场地从硬到软,反应谱平台的下降点所对应的特征周期逐渐增长,但起始点固定在0.1 s不随场地变化。《抗规》还按震源远近将每类场地的设计地震分为3组,每组场地按照距离震源由近到远,特征周期逐渐变长,其反应谱平台段下降点相应右移。《抗规》认为远震中的柔性建筑受到的地震作用增强。《抗规》中反应谱峰值平台高度不受场地软硬和地震烈度的影响,结构最大反应加速度与地面最大加速度之比固定取2.25。但是在《区划图》中,动力系数峰值βmax已取2.5,并考虑了场地类型对基本地震动峰值加速度的调整。
《抗规》给出结构水平地震影响系数α曲线,α=k×β。其中,β为动力系数,即结构最大加速度与地面最大加速度之比;k为地面最大加速度与重力加速度之比。如果将式(1)中的I与Ru取1.0,则C=AB,可见地震系数C与水平地震影响系数α的形式与意义相同。
《抗规》中的水平地震影响系数α是相应于50 a超越概率10%的“小震”,根据“小震”为0.35倍的“中震”地震强度的换算关系[9],可以反算出基于中震水平的地震影响系数曲线α50,10%。假定相同的平均剪切波速计算深度,分别取场地土平均剪切波速400 m/s和140 m/s,在伊朗规范与《抗规》中都为Ⅱ与Ⅳ类场地,结构阻尼比取5%,伊朗规范中不考虑反应谱形状修正系数N时的地震系数曲线与《抗规》中震的α50,10%曲线对比如图3,图4所示。由图可见,0 s～0.1 s周期两本规范的反应谱曲线基本重合;伊朗规范的反应谱峰值平台高度更高,其覆盖的周期范围更长;在0.1 s～2.5 s的周期内,伊朗规范的结构加速度大于《抗规》,最高可达1.53倍。2.5 s周期以后,《抗规》的结构加速度略大于伊朗规范。
3 基底剪力的计算
伊朗规范的基底剪力计算式为:
Vu=C×W
(5)
C即式(1)地震系数,该式中Ru根据结构体系与高度,结构延性越好Ru取值越大。W为地震重力荷载,由结构自重与楼面屋面活荷载、雪荷载等活荷载组合得到,一般民用建筑楼面活载组合系数取20%,屋面雪荷载取20%,屋面活载不计。
《抗规》的基底剪力计算式为:
FEk=α×Geq(单质点体系)
(6)
FEk=0.85×α×Geq(多质点体系)
(7)
Geq为结构重力荷载代表值,一般民用建筑楼面活载组合值取0.5,屋面雪荷载取0.5,屋面活载不计。以上可见,两本规范计算基底剪力的方法基本一致,重力荷载代表值中活载的组合系数《抗规》略大,但《抗规》对多层结构的重力荷载代表值做了总体折减。二者的主要差异在于地震系数或者水平地震影响系数取值的不同。
结构重要性系数取I=1.0,场地位置按近震考虑,在两本规范共同的Ⅱ,Ⅳ类场地上,结构性能系数按高、中、低延性分别取Ru=7.5,5,3时,多层钢筋混凝土框架的基底剪力系数反应谱如图5,图6所示。由图5,图6可见,在相同的外部地震环境下,由于伊朗规范的高延性钢筋混凝土框架采用了较大的结构性能系数,使得在整个周期段上,其基底剪力比《抗规》小;特别是在较硬的Ⅱ场地上,《抗规》基底剪力相当于伊朗规范的1.4倍～2倍。在较硬场地上,伊朗规范中延性框架的基底剪力在反应谱起点到峰值平台段低于中国规范,其余周期段上两本规范基本相当。软弱场地上,伊朗规范中延性框架的基底剪力在反应谱起点到0.65 s两本规范相差不多,但在0.65 s之后伊朗规范约为《抗规》的1.4倍～1.8倍。对于低延性混凝土框架,在软、硬场地上伊朗规范计算的基底剪力普遍比《抗规》大,在较硬场地上前者约为后者的1.2倍～1.7倍,在软弱场地上前者约为后者的1.6倍～3倍。《抗规》的基底剪力相当于“中震”地震作用除以2.8进行了折减,伊朗规范的低延性框架基底剪力是对“中震”地震作用除以3,二者对“中震”地震作用的折减基本相当,但后者的基底剪力比前者要大得多。
4 结论
1)在抗震设防目标方面,伊朗规范针对不同重要性的结构,规定了其在遭受设计基本地震时允许损坏与导致伤亡的程度,并要求超过一定高度和重要性的结构在遭受工作水平地震时保持正常使用的能力。伊朗规范对结构有选择性地做“两水准”要求。中国规范对各类重要性的结构都做“三水准”要求。
2)伊朗规范中的Ⅰ类场地近似于《抗规》的Ⅰ0场地,其余各类场地的平均剪切波速划分范围互有交叉,无法直接对应。《抗规》场地类型划分的更细。伊朗规范场地类型判别方法多样,平均剪切波速计算深度取值更为合理。
3)伊朗规范根据设计基底加速度划分四个地震风险分区,类似于《抗规》的地震烈度分区。伊朗规范除考虑了场地类型对结构加速度反应谱平台段起止点周期的影响外,还考虑了场地类型与地震分区对动力系数的影响。中硬到软弱场地的动力系数峰值逐渐提高,尤其是低地震风险区软弱场地上动力系数峰值增大到3.25。伊朗规范的地震作用基于“中震”地震的弹性反应谱,根据结构延性对地震作用进行折减,还通过对反应谱做整体修正放大了地震作用。中国规范的地震作用按“小震”弹性反应谱计算。
4)基底剪力的计算,两国规范在重力荷载代表值取值上差别不大。由于伊朗规范采用不同的结构性能系数对地震作用进行折减,相同外部环境的结构基底剪力与《抗规》差异较大。软、硬场地上伊朗规范的高延性混凝土框架的基底剪力比《抗规》略小;对于中延性混凝土框架,两本规范计算的基底剪力的比较结果,在不同场地不同周期段表现不同;软、硬场地上伊朗规范低延性混凝土框架的基底剪力都比《抗规》大得多。
