中菲规范地震动参数确定方法的对比分析

彭殿东 武 涛 赵建峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 问题的提出

随着中国经济的快速发展和科研实力的增强，海外工程勘察设计和咨询市场逐步拓宽，海外工程不再局限于经援项目，更多的是发展中和发达国家的商业项目。一般的商业项目多要求采用所在国的勘察设计规范或欧美规范标准进行设计，这就需要勘察设计人员熟悉采用的国外规范并详细了解不同规范间的差异，为承包商签订合同提供有力技术支撑，为勘察设计文件咨询审批创造有利条件。作者参与了菲律宾北吕宋铁路项目建设的全过程，对中菲两国地震动参数确定方法进行了详细的对比分析，供同行从事国外勘察设计项目时借鉴。

2 抗震设防

中菲两国规范关于建筑抗震设计的目的、目标和地震作用存在着较大的差异。中国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(以下简称“GB”)采用“三水准设防目标”的抗震设计指导思想，即“小震不倒，中震可修，大震不坏”，分别对应于以50年超越概率63.2%、10%和2%～3%的地震作用。菲律宾国家结构规范-2010第6版(以下简称“NSCP”)208.1.1条款只是做出了以下简要的说明:“避免结构倒塌和人身伤亡”，采用单一的设防水准，即以50年超越概率10%的地震作用作为基准设防地震作用。

因此，中国GB抗震的设防目标相比菲律宾NSCP规范概念清晰、目标明确。根据两国规范、相关文献及研究报告，现将中菲两国规范中的设防水准及目标列于表1。

表1 中菲抗震设计规范的设防水准及目标

3 场地类别

随着对强地面运动记录数据的增多以及对重大工程地震安全性评价的深入研究，发现场地地质条件对地震动参数有着较大的影响。因此，GB和NSCP抗震规范都考虑了场地条件对地震动参数的影响，但两者关于场地类别及划分方法存在着较大的差别，见表2、表3和表4。

表2 中国GB场地类别的划分

表3 中国GB各类建筑场地的覆盖层厚度 m

表4 菲律宾NSCP场地类别的划分

通过上述对GB和NSCP场地类别划分方法的分析，可见:

(1)场地类别划分不同。GB中将场地类别划分为4类，其中，Ⅰ类场地分为Ⅰ0、Ⅰ1两个亚类;NSCP则将场地划分为6类。GB规范将波速500m/s的硬土作为基岩的界限，更多的是限于勘探深度;而NSCP规范将760m/s和1500m/s作为软质岩和硬质岩的波速界限，也就显得更加详细合理。

(2)场地类别的判别因素不同。GB考虑等效剪切波速和覆盖层两个因素，而NSCP只考虑场地土或波速一个因素，也可能由于NSCP规范评价土层深度较大，故未再考虑覆盖层厚度的影响。场地类别的详细程度与对应地震动反应谱特征周期的精准度相关，从建筑结构抗震设计的准确性和提高工程设防投资的效果来讲，都具有十分重要意义。

(3)场地类别确定时考虑地面下土层的深度不同。GB中采用等20m范围内等效剪切波速进行评价，同时还考虑了覆盖层厚度的影响。NSCP采用30m范围内等效剪切波速进行评价，并同时将标准贯入试验和不排水剪切强度等列为场地评价的辅助标准。

(4)特殊场地评价不同。特殊土层如震陷、液化、软土、高塑性土等，地震作用显著不同，在GB中并未加以详细规定，而是统一采用等效剪切波速区分。而NSCP要求对于特殊土层单独分出来进行甄别，是考虑到沿海沉积物特点，以便于单独分析和专项研究。

4 地震动参数及其确定方法

中国《建筑抗震设计规范》中规定:一般情况下，我国建筑的抗震设计可按国家标准《中国地震动参数区划图》规定的地震动参数执行，即地震动峰值加速度、地震动反应谱特征周期直接从中国地震动参数区划图上获取。但地震动反应谱特征周期需根据场地类别和设计地震分组进行调整。菲律宾关于动峰值加速度的方法与我国基本相同，地震动反应谱特征周期的确定方法与我国存在着较大差别。

4.1 动峰值加速度

菲律宾确定峰值加速度的方法与我国基本相同，根据地震区划图获得，但是地震动峰值加速度数值差别较大。

菲律宾板块属地震活跃区域，是世界上地震最活跃的国家之一。从图1中可以看出，菲律宾80%国土位于地震 4区(0.4g)，部分地区位于地震 2区(0.2g)，少数地区则高达0.6g;而在我国(见图2)，只有位于地震带四川、云南、西藏、甘肃、台湾等省市的少数县市为9度(0.4g)设防区。中菲两国地震动峰值加速度详见表5和表6。

图1 律宾NSCP地震动峰值加速度区划图

图2 中国GB地震动峰值加速度区划图

表5 菲律宾NSCP地震动峰值加速度区划

表6 中国GB地震动峰值加速度区划

4.2 反应谱

(1)理论基础

对地震动反应谱形状有重要影响的因素是震级、距离和场地条件。中菲两国规范中地震动反应谱的理论基础相同，计算公式类似，见公式(1)。式中am和βm、T0、Tg、x 分别表示设计地震的峰值加速度和放大系数反应谱的平台值、第一拐点周期值、第二拐点周期值、下降段下降速度控制参数。

(2)中国GB规范

中国GB规范采用的抗震设计反应谱是取相同场地条件下的多个加速度记录，并取阻尼比ζ=0.05，得到相应于该阻尼比的加速度反应谱，除以每一条加速度记录的最大加速度，进行统计分析取综合平均并结合经验判断并进行平滑化处理得到“标准反应谱”，将标准反应谱乘以地震系数(相当于7、8、9度烈度峰值加速度与重力加速度的比值)，即为规范采用的地震影响系数，或称为抗震设计反应谱。

除有专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05，地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按1.0采用，形状系数应符合下列规定:

①直线上升段，周期小于0.1 s的区段。

②水平段，自0.1 s至特征周期区段，应取最大值(αmax)。

③曲线下降段，自特征周期至5倍特征周期区段，衰减指数应取0.9。

④直线下降段，自5倍特征周期至6 s区段，下降斜率调整系数应取0.02。

特征周期不仅与场地类别有关，而且还与地震分区有关，同时也反应了震级大小、震中距和场地条件的影响。罕遇地震作用时，特征周期Tg值也适当延长。根据场地类别的特征周期分组可按表7采用，计算8、9度罕遇地震时，特征周期应增加0.05 s。(周期大于6.0 s的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究)

表7 水平地震影响系数最大值

计算地震作用标准值时，阻尼比为0.05的水平地震影响系数最大值应按表8采用。

不同阻尼比的地震影响系数不同，随着阻尼比的减小，地震影响系数增大，其增大的幅度则随周期的增大而减小。

中国 GB规定，当建筑结构的阻尼比不等于0.05时，水平地震影响系数曲线仍按图2确定，但形状参数应进行调整。

表8 水平地震影响系数最大值

曲线下降段的衰减指数按下式确定

式中 γ——曲线下降段的衰减指数;

ζ——阻尼比。

直线下降段的下降斜率调整系数应按下式来确定

式中，η1-直线下降段的下降斜率调整系数，小于0时取0。

阻尼调整系数应按照下式确定

式中，η2-阻尼调整系数，小于0.55时取0.55

(3)菲律宾NSCP规范

菲律宾NSCP规定的设计反应谱曲线如图3。确定地震反应谱特征周期时考虑因素较多，如震源类型、场地类别、地震影响系数、震源距离等。

图3 菲律宾NSCP地震动反应谱

4.3 中菲规范地震动参数对比

表9中Ka、Kβ分别表示每一类场地上的设计地震动峰值加速度am和放大系数反映的平台值βm与Ⅰ或Sa类(岩石)场地上的值之比。

分析表9所给参数值，可得到中菲两国规范地震动反应谱之间的如下共同点和差异:

(1)中国GB规范地震影响系数曲线中水平段起始周期T0定为0.1 s，对于一般工程都是经过反应谱平台值求得的，便于工程设计操作。而菲律宾NSCP规范则给出了0.2Tg的计算方式，与特征值周期值相联系。

表9 GB和NSCP中地震动参数对应于不同类型场地的取值

(2)菲律宾NSCP考虑了不同场地条件对am的影响;即较软弱场地对am具有较大的放大作用，Ka为1.00～4.375。在同一地震动强度时随着场地变软，场地系数变大，在同一类别场地中，随着地震动强度提高相应的值减小。虽然国内诸多学者和机构对于不同场地条件对地震动参数的影响做了大量的研究，且得到了“在同一场地类别时随着地震动强度提高，相应的场地系数值普遍减小，但在同一地震动强度时，各类场地系数变化规律不同(有变大，亦有变小)”的结论，中国GB并未采纳，即不考虑不同场地条件对am的影响，Ka为1.0。

(3)菲律宾NSCP和中国GB的放大系数反映平台值βm均为常数，但 NCSP的 βm取值要略大于中国GB。

(4)菲律宾NSCP未考虑曲线段衰减指数γ，而中国GB考虑了衰减指数的影响，取值为0.90。

5 结束语

通过对中菲两国地震动参数及其确定方法的比较分析，反映了以下问题:

(1)中国的抗震设计采用“三设防”的指导原则，菲律宾抗震设计为“一防水准”，中国的抗震设计规范给出了比较明确具体的分层次设防目标。

(2)对于场地分类，中国GB规范的场地土评价厚度与探勘深度相对较小。而NSCP中对地震影响因素进行了详细说明，并给出了具体的影响系数，便于设计人员采用。相对而言，菲律宾规范在场地分类、地震影响因素等方面考虑更为细致。两国规范基本原理一致，都采用反应谱特征地震影响系数曲线，只是菲律宾NSCP规范没有过多的简化处理。我国规范规定的参数操作性更强。

(3)菲律宾NSCP着重考虑了软弱场地对地震的放大作用，而中国GB在此部分存在一定的欠缺，即没有考虑地震动峰值加速度或反应谱(放大系数谱)平台值的场地调整。不同类别场地地震影响系数形状参数的水平段起始周期都是0.1 s，而0.1 s以下的直线下降段属人为连线。但在国内一些重大工程中已经开展软弱场地对地震动峰值加速度或反应谱(放大系数谱)平台值的场地调整的影响的研究。这些对于中国GB规范的修订和完善具有一定的补充意义。

(4)中国规范明确了阻尼比不等于0.05时地震影响系数曲线的阻尼调整系数和形状参数的规定，具有一定的可操作性，适应不同建筑的设计需要。

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