关于完善甲类建筑防震标准的思考＊

鄢家全 刘爱文 俞言祥潘 华 吕红山 郝玉芹

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

关于完善甲类建筑防震标准的思考＊

鄢家全 刘爱文 俞言祥潘 华 吕红山 郝玉芹

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

本文认为，宜按设计使用年限之不同，将甲类建筑由设计使用年限100年的甲A类和设计使用年限为50年的甲B类，分别确定设防地震的概率水平。考虑到国家抗震设防政策的延续性，并结合我国地震危险特性，甲A类建筑3个设防地震的重现期宜取200年、2 000年和5 000～10 000年；甲B类建筑3个设防地震的重现期宜取100年、1 000年和2 500～5 000年。若按设计使用年限内的超越概率水平来表述，则均为40%、5%和1%～2%。这些结果既保证了不同设计使用年限内甲类建筑设防地震安全水平的一致性，也体现了与乙类和丙类建筑（63%、10%、2%～3%）的差异；并且满足了第一水准地震加速度峰值大于等于第二水准地震加速度峰值1/3的要求。文后还对相关的问题进行了讨论。本文之结果，对于完善甲类建筑的防震标准是有益的。

建筑工程；防震标准；设防地震；概率水平

引言

目前，我国对建筑工程抗震设防类别的划分，仍分为甲、乙、丙、丁4个类别。本文所论之甲类建筑，即为新的《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223－2008）中的特殊设防类：指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑，简称甲类［1］。该标准对甲类建筑抗震设防标准的要求是：“应按高于本地区抗震设防烈度提高1度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。”但是，相关的标准和规范对甲类建筑设防地震的概率水平却未予明确，以致在地震安全性评价工作中很难操控。比如，无论是设计使用年限为50年或100年，常按100年63%、10%和2%～3%来确定设防地震。这着实值得商榷。

作者将有关的认识和考虑概述如下，希望对完善甲类建筑的防震标准有所帮助。

1 宜按设计使用年限确定设防地震概率水平

从20世纪80年代以来，我国建筑工程结构设计理念已发展到采用由概率论为基础的可靠度设计方法［2］。在可靠度设计方法中，不仅要考虑各种作用和材料强度在设计取值上的统计变异性，而且要考虑影响结构可靠度的各种物理量，以及计算模型的不确定性。可靠度设计要求，结构在规定的时间内、在规定的条件下，对完成其预定功能应具有足够的可靠度。其“规定的时间”是指结合结构使用年限选定的设计基准期，并作为结构可靠度分析的时间参数；“规定的条件”是指正常设计、正常施工、正常使用和维护等条件。

随着我国市场经济的发展，社会迫切要求明确建筑结构的设计使用年限。借鉴ISO2394（1998）提出了各类建筑结构的设计使用年限［2］（表1）。

表1 设计使用年限分类

按可靠度方法设计的建筑，结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。也就是说，结构在设计使用年限内经受各种作用下，不需要大修就能完成预定的功能。结构上的作用可分为持久作用（如结构自重、土压力、预应力和地基变形等）、可变作用（施工和使用中的荷载变化、风、雪、冰、波浪、常遇地震和温度变化等）、偶然作用（撞击、爆炸、火灾、罕遇地震和罕遇洪水等）。对于3种作用状况，工程结构均应按承载能力极限状态设计［2］。在可变作用和偶然作用中，都需要考虑地震的影响。设防地震作用的概率水平，应按设计使用年限（或设计基准）来确定。当设计使用年限和设计基准期不一致时，需按使用年限长短调整设防地震动参数。不同设计使用年限的地震动参数与设计基准期（50年）的地震动参数之间的基本关系，可参阅有关的研究结果。当获得设计使用年限100年内不同超越概率的地震动参数时，如按这些地震动参数确定地震作用，即意味着通过提高结构的地震作用来提高抗震能力［1］。

需要注意的是，只有纪念性建筑和特别重要的建筑（如重要的电视塔、博物馆和档案馆等），设计使用年限才为100年，可称为甲A类建筑。其余需要特殊设防的建筑，包括地震时可能发生严重次生灾害等建筑，设计使用年限仍为50年，可称为甲B类建筑。因此，由于甲A、甲B类建筑的设计使用年限不同，设防地震的概率水平应有差别。所以，宜按设计使用年限长短，分甲A、甲B类确定设防地震概率水平。

2 考虑国家抗震设防政策的延续性

当前，我国建筑工程抗震设防仍以“小震不坏、中震可修、大震不倒”的“3个水准”为设防目标。一般情况下（不是所有情况下），当遭遇第一水准地震作用时，建筑处于正常使用状态，可视为弹性体系；遭遇第二水准地震作用时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏程度控制在可修复的范围内；遭遇第三水准地震作用时，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌［3］。建筑抗震设计仍采用二阶段设计实现3个水准的设防目标。其第一阶段设计是承载力验算，取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应地震作用效应，继续保持其可靠度水平同78规范相当。这样，既满足了在第一水准下具有必要的承载能力可靠度，又满足第二水准的损坏可修的目标。为了通过小震设计保证中震可修的目标，现行《建筑抗震设计规范》中的设计取值，第一水准地震的加速度峰值均大于等于第二水准地震加速度峰值的1/3［3－4］。这也说明了第一水准地震的合理性，在建筑工程抗震设防中至关重要。

建筑工程的防震标准是以量大面广的丙类建筑为基础的。甲类和乙类相对于丙类的防震标准有所提高，丁类相对于丙类却略有降低。丙类建筑应按本地区的抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用。建筑行业中的“抗震设防烈度”就是指基本烈度。丙类建筑设计使用年限多为50年，设防地震的概率水平分别为50年内超越概率63%、10%和2%～3%。设防地震的概率水平代表了地震安全水平。设计使用年限内设防地震的概率水平一致，说明地震安全水平也一致。当甲A类建筑的设计使用年限为100年，如若3个设防地震概率水平也取100年内超越概率63%、10%和2%～3%，岂不是与丙类建筑的地震安全水平一样吗？这显然不尽合理。

在1995年版的《建筑抗震设防分类标准》（GB50223－95）中，对甲类建筑抗震设防标准的强制性要求是：“应按提高设防烈度1度设计（包括地震作用和抗震措施）”。那时的甲类建筑范围相当于本文中的甲A类建筑。对于这类建筑的地震作用按当地的抗震设防烈度提高1度采用，相当于重要性系数取2.0。由于丙类建筑第一水准（50年一遇）地震作用的加速度峰值应大于等于第二水准（500年一遇）地震作用加速度峰值的1/3，因此，考虑到国家抗震设防政策的延续性，甲A类建筑的重要性系数宜按2.0取用，则其第一水准地震作用的加速度峰值应大于等于500年一遇地震作用加速度峰值的2/3。而且，甲A类建筑第二水准和第三水准地震作用的概率值，也应该比100年内10%和2%～3%要小。

3 宜结合地震危险特性确定设防地震的概率水平

各地区地震危险性的共同之处在于，弱地震作用的平均重现期较短，强地震作用的平均重现期较长。而且，地震作用的强度是有极限的，当平均重现期达数千年至万年左右，有趋于极限值的特性。为了设防地震的概率标定，曾以全国范围128项工程场地地震安全性评价结果为基础，对不同平均重现期相应的地震烈度和基岩水平加速度峰值进行过统计分析。其中，各平均重现期的烈度值，减去500年重现期的烈度值，所得烈度差值（△I）之中位值，以及由基岩水平加速度峰值，除以500年重现期的基岩水平加速度峰值，得到的加速度峰值比率中位值，统列于表2中。表2所示之结果说明，不同平均重现期相应的烈度差值与加速度峰值比率之间是相关的。其相对于平均重现期500年的变化趋势，代表了不同平均重现期之地震作用强度的变化趋势［5］。

李金臣等［6］还对包括核工程、大型水利水电工程和特大型桥梁在内的125个场地，研究了不同超越概率水平加速度峰值之间的关系。这类工程场地的安评工作，大都进行了深入、细致的调查研究，具有较高的可信度。他们所得到的不同平均重现期基岩水平加速度峰值与重现期10 000年加速度峰值之比率平均值及标准差，示于表3。而且，表3所揭示的比率变化，在不同地区和不同地震基本烈度区，都没有显著的差异［6］。

表2 不同重现期相应的烈度差值（△I）和加速度峰值比率中位值

表3 不同重现期相应的加速度峰值比率平均值及标准差

若将表3中的比率平均值，也换算为以重现期500年加速度峰值为底的数值，则重现期为100年、500年、1 000年、2 000年、5 000年和10 000年之比率平均值分别为0.46、1.00、1.31、1.64、2.15和2.56。这些比率平均值同表2中的比率中位值非常接近，说明表2和表3的统计样本虽然不同，但都揭示了我国不同地区的地震危险特性是相似的。

根据表2所示结果，甲A类建筑第一水准地震作用的加速度峰值要达到平均重现期500年加速度峰值的2/3（约0.67），则第一水准地震作用的平均重现期宜为200年。表3没有直接给出200年重现期的结果，但从文献［6］中图1所示结果可以估计出，相应的比率平均值约为2/3（0.26/0.39）。丙类建筑第一水准地震作用的平均重现期为50年；第二水准地震作用的平均重现期为475年（约500年）。甲A类建筑第一水准地震作用的平均重现期是丙类建筑（50年）的4倍，其第二水准地震作用的平均重现期也取丙类建筑（500年）的4倍，则为2 000年。由表2和表3所示之结果可知，重现期2 000年与重现期200年地震烈度之差为1.2度，小于1.5度；而重现期2 000年的加速度峰值是重现期500年的1.6倍，重现期200年的加速度峰值是重现期2 000年加速度峰值的41%。这就表明，当甲A类建筑第一水准地震作用和第二水准地震作用的平均重现期分别取200年与2 000年时，不仅可以满足第一水准地震作用的加速度峰值是丙类建筑（50年）相应取值的2倍，同时还满足了第一水准地震作用加速度峰值与第二水准地震作用加速度峰值之比值（41%）大于等于1/3的设防要求。以此类推，甲A类建筑的第三水准地震作用平均重现期宜取5 000～10 000年。若按设计使用年限内的超越概率来表述，甲A类建筑3个设防地震作用之概率水平则为，100年内超越概率40%、5%和2%～1%。

对于设计使用年限和设计基准期均为50年的甲B类建筑，不仅仅是防倒塌的问题，而是要求在预估的罕遇地震作用下，使结构的破坏状态控制在中等程度内。通过工程决策分析认为，对于该类建筑，其重要性系数可采用1.5。并且仅乘在地震作用效应上，同时其防震措施提高1度。重要性系数取1.5，相当于100年一遇的地震作用［7］。按表2和表3所示之结果，重现期100年的加速度峰值均为500年重现期的45%。因而，甲B类建筑第一水准地震作用的重现期宜取100年。与甲A类建筑相类比，甲B类建筑第二水准地震作用的重现期宜取1 000年。按表2和表3之结果，重现期1 000年与重现期100年地震烈度之差值为1.3度，也小于1.5度；而重现期1 000年的加速度峰值约为500年重现期的1.3倍；重现期100年的加速度峰值约为1 000年重现期的35%。这也满足了第一水准地震作用加速度峰值必需大于等于第二水准加速度峰值1/3的要求。其甲B类建筑第三水准地震作用的重现期宜取2 500～5 000年。若按设计使用年限内的超越概率来表述，甲B类建筑3个设防地震作用分别为，50年内超越概率40%、5%和1%～2%。

本节的论述表明，当考虑到国家抗震设防政策的延续性，甲A类建筑的重要性系数取2.0，3个水准设防地震作用的概率值，宜分别为100年内超越概率40%、5%和2%～1%。甲B类建筑的重要性系数若按1.5考虑，3个水准设防地震作用的概率值，则宜为50年内超越概率40%、5%和2%～1%。这些结果首先保证了不同设计使用年限内甲类建筑设防地震安全水平的一致性，也体现了与乙类和丙类（50年内63%、10%、2%～3%）的差异，并且满足了第一水准地震作用加速度峰值大于等于第二水准地震作用加速度峰值1/3的要求。

4 讨论

兹对上述结果相关的问题讨论如下：

（1）首先，对于甲A类建筑考虑的防震标准，不仅继承了以往标准中提高设防烈度1度设计的政策，而且在工程实践中是可行的。例如，从1987年以来相继施工并建成的北京中央电视塔、天津电视塔和四川电视塔等，均属于高度超过250m的甲类电视塔。其设计基准期为100年；设防目标为“中震不坏，大震局部可修”；中震为100年内超越概率5%，大震为100年内超越概率2%［8－9］。虽然甲类电视塔设防中震和大震的概率水平同本文所指甲A类建筑相当，但设防目标却不同。按文献［8］的解释，电视塔在遭遇中震地震作用时，全塔结构应保持弹性状态，震后处于正常工作阶段；当遭遇大震作用时，塔主体结构应保持原有的安全功能，局部（桅杆）可能出现损坏，但经修理后，仍可继续使用。这显然高于“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防目标。而且，振动台模型动力试验，特别是2008年汶川地震四川塔完好无损均表明，甲类电视塔提高防震标准是必要的，也是可行的［8］。

（2）不同类别建筑工程的防震标准差异，主要体现在防震措施要求不同，只有甲类建筑“应按批准的地震安全性评价结果且高于本地区设防烈度的要求确定其地震作用”。2008年汶川大地震的经验教训再次证明：我国在1976年唐山地震后，建筑工程从Ⅵ度开始设防和按高于设防烈度1度的“大震”不倒塌的设防目标进行抗震设计的决策，是正确的。凡是严格按照现行规范进行设计、施工和使用的建筑，在遭遇比当地设防烈度高1度的地震作用下，没有出现倒塌破坏，有效地保护了人民的生命安全。鉴于所有建筑均要求达到“大震不倒”的设防目标，对需要比普通建筑（丙类）提高抗震设防要求的建筑，主要采取提高防倒塌变形能力的措施。在新版的《建筑工程抗震设防分类标准》中，从抗震概念设计的角度，文字表达上更突出各个设防类别在防震措施上的区别。甲类建筑在按提高1度的要求加强其防震措施的基础上，还需要进行“场地地震安全性评价”等专门研究。需注意，只提高防震措施或提高地震作用，二者的效果有所不同，但都可认为满足提高防震安全性的要求。提高防震措施，着眼于把财力、物力用在增加结构薄弱部位的防震能力，是经济有效的方法；只提高地震作用，则结构各构件均全面增加材料，投资增加的效果不如前者［1］。甲类建筑采取既提高防震措施，又提高地震作用的办法，可以确保其结构具有较高的防震安全性。

（作者电子信箱，刘爱文：Law73＠163.com）

［1］GB50233－2008建筑工程抗震设防分类标准.北京：中国建筑工业出版社，2008

［2］GB50068－2001建筑结构可靠度设计统一标准.北京：中国建筑工业出版社，2001

［3］GB50011－2001建筑抗震设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2001

［4］鄢家全，俞言祥，郝玉芹.解读建筑工程防震标准.国际地震动态，2005（10）：15－20

［5］鄢家全，陈家庚，高孟潭，等.抗震设防标准的概率标定.国际地震动态，2000（9）：1－7

［6］李金臣，潘华，吴健，等.不同超越概率水平PGA关系研究.震灾防御技术，2007，2（2）：207－211

［7］高小旺，李荷，王菁，等.不同重要性建筑抗震设防标准的探讨.建筑科学，1999，15（2）：11－16

［8］汪祖培.体验·思考·认识.中广电广播电影电视设计研究院，2009，64－77，86－88

［9］GY5060－1997广播电影电视建筑抗震设防分类标准，北京，中国科学技术出版社，1998

Discussion on improving criterion of aseismatic design for class A buildings

Yan Jiaquan，Liu Aiwen，Yu Yanxiang，Pan Hua，LüHongshan，Hao Yuqin
（Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

Class A buildings are suggested to be divided into 2categories，class Aaand class Ab，subjecting to their design service periods of 100years and 50years，respectively.The seismic fortification probability levels for class Aaand Abbuildings ought to be different.Taking into account the continuity of the aseismatic design policy and the characteristics of seismic hazard in China，the 3presumed recurrence periods of earthquakes in aseismatic design for class Aabuildings ought to be 200，2 000and 5 000～10 000years，respectively.For class Abbuildings，the recurrence periods ought to be 100，1 000and 2 500～5 000years.In terms of exceeding probability in design service period，they should be 40%，5%and 1%～2%.These suggestions guarantee the consistency of seismic safety level for class A buildings with different design service periods，and make it different from class B and class C buildings，for which the exceeding probability is 63%，10%and 2%～3%in 50years.This also satisfies the requirement that the PGA of level 1earthquake should not be less than 1/3 of that of level 2.The suggestions of this paper should be useful for improving criterion of aseismatic design for class A buildings.

building structure；criterion of aseismatic design；fortification against earthquakes；exceeding probability level

TU352，P315.9；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.05.007

2010－11－12。

地震行业科研专项200908011资助。