基于静力法的中印标准水平地震作用比较

刘天英，王　斐，魏翠影

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春　130021)

国内工程公司在印度承担大量的电厂项目，这些项目由中国设计公司按照中国标准设计，确认工作由印度工程技术人员完成。印度工程技术人员熟悉印度标准(以下简称印标)，不了解中国标准(以下简称中标)，而中国工程设计人员熟知中标，不了解印标，这就阻碍了图纸的确认。为便于交流并顺利执行项目，有必要进一步了解印标。地震作用是结构设计最基本工况之一，地震组合常对建(构)筑物的安全起控制作用。地震作用又进一步细分为水平地震作用和竖向地震作用,其中水平地震作用在结构设计中最常遇到，其计算也是中印工程技术人员争论的焦点。在中印标准中，水平地震作用计算均分为静力方法和动力方法，两种方法有各自适用条件，其中静力方法简单实用，应用广泛，所以有必要对中印标准基于静力法的水平地震作用计算进行对比，找出差异并分析对结果的影响。

1　水平地震作用

许多国家抗震规范中的设计地震作用可用统一的公式来表示，总设计水平基底剪力V=ZIβ(T)W/R,式中：Z为地震区系数，为不同地震分区设计地震水准的峰值地面加速度与重力加速度的比值；I为地震重要性系数；R为响应修正系数，与结构的延性有关，结构延性越好，R值越大；β(T)为场地设计谱(即动力放大系数)；T为周期；W为地震重力荷载[1-2]。

印标IS 1893(Part 1)：2002《结构抗震设计标准》中静力法总设计底部剪力V=AhW，Ah=ZISa/(2Rg)，式中：Ah为设计水平地震系数；Sa/g为加速度谱系数，也就是动力放大系数谱。I/R不能大于1.0,对于周期T≤0.1 s的结构，系数Ah不能小于Z/2。将最大考虑地震(MCE)的地震区系数Z除以2，折减至设计基准地震(DBE)区系数Z/2。总设计底部剪力可改写为V=0.5ZIβ(T)W/R。中标GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》设计地震作用计算见文献[1]。

中印标准水平地震作用公式接近一致，有比较基础。水平地震作用涉及到结构重性系数、设计基准地震、场地类别、场地放大系数谱、强度折减系数、等效重力荷载，可从上述方面进行比较。为便于比较，地震等效重力荷载取值相同，具体计算见中标GB 50011—2010和印标IS 1893(Part 1)：2002。

2　水平地震作用参数

2.1　设计地震水准

IS 1893(Part 1)：2002规定：最大考虑地震(MCE)为50年超越概率2%，也就是2 500年重现期的地震动；DBE为50年超越概率10%，也就是475年重现期的地震动；同一场地，MCE区系数是DBE区系数的2倍(见表1)。中标GB 50011—2010设计地震水准规定见参考文献[1]。

表1　地震区系数

IS 1893(Part 1)：2002中DBE为475年重现期地震，与中标GB 50011—2010重现期一致，其动参数可以直接对应。印标DBE的Ⅱ、Ⅲ区与中标6度(0.05g)对应；Ⅳ区与中标7度(0.10g)对应；Ⅴ区与中标7度(0.15g)对应。2部标准计算水平地震作用的主要区别就是采用的基准不同。中标采用475年重现期的地震水准，也就是以平时常说的中震作为基准。而印标以MCE作为基准，也就是采用2 500年重现期的地震水准，然后乘以1/2作为DBE水准。虽然2部标准最终都采用475年重现期的地震水准进行水平地震作用计算，但性质不同，印标采用2 500年重现期地震水准作为基准，往回推导设计基准地震水准的目的是当遭遇2 500年重现期地震时，也就是平常说的大震，使各地的倒塌率在一个水平上。

2.2　地震重要性系数

IS 1893(Part 1)：2002根据结构的功能、失效后果、灾后需求、历史价值和经济重要性，将结构的类别分为2类：重要服务和社区建筑及所有其他结构，地震重要性系数I分别为1.50和1.00。发电厂属于重要服务和社区建筑，重要性系数为1.50。IS 1893(Part 4)：2005将工业建筑进一步划分为4类：类别1～4，重要性系数分别为2.00、1.75、1.50和1.00。中标GB 50011—2010地震重要性系数均为1.0[1-3]。

2.3　场地类别

IS 1893(Part 1)：2002根据土的性状和标贯击数，将主要组成地基土的类型分为3类。类别Ⅰ为岩石或硬土：级配很好的碎石和砂石混合物，级配不好的黏土砂或砂黏土混各物，其标贯值N>30；类别Ⅱ为中等土：10≤N≤30，级配不好的砂或没有细颗粒N>15的碎石砂；类别Ⅲ软土：除级配不好的砂之外的所有土，N<10。中标GB 50011—2010建筑场地分类见参考文献[1]。

两部标准的场地分类的指标不同[4-5]，中标采用等效剪切波速和覆盖土层厚度，而印标根据土的性状和标贯击数；另外IS 1893(Part1):2002中同样没有明确覆盖土层厚度要求，同一种土，覆盖土层厚度不同，场地类别也应区分。中标土的性状与剪切波速有一定关联(见表2)，进而可以找到两部标准场地分类的内在联系。表2中νs为岩石的剪切波速度，νse为土的等效剪切波速度，fak为地基承载能力特征值。中标场地类别与印标的大致对应关系如下：印标场地类别Ⅰ(岩石，或硬土)相当于中标Ⅰ、Ⅱ类场地；类别Ⅱ(中等土)相当于中标Ⅲ类场地；类别Ⅲ(软土)相当于中标Ⅳ类场地。

2.4　设计反应谱

IS 1893(Part 1)：2002结构加速度响应谱系数(Sa/g)是表示承受地震动力加速度响应谱的系数，根据自振同期和结构阻尼确定，也就是场地放大系数。5%阻尼比的结构加速度响应谱曲线见图1，各分段曲线的取值见表3。当结构阻尼比不等5%时，考虑阻尼比修正系数，对反应谱曲线形状进行调整，阻尼比修正系数的取值见表4。计算设计地震水平作用力时，混凝土结构阻尼比取5%；钢结构取2%。中标GB 50011—2010动力放大系数取值见参考文献[1]。

表2　中标土的类型划分和剪切波速范围的关系

图1　印标5%阻尼比各类场地加速度谱系数(Sa/g)

场地周期T/sSa/g岩石或硬土0.00≤T≤0.100.10≤T≤0.400.40≤T≤4.001+15T2.501.00/T中等土0.00≤T≤0.100.10≤T≤0.550.55≤T≤4.001+15T2.501.36/T软土0.00≤T≤0.100.10≤T≤0.670.67≤T≤4.001+15T2.501.67/T

表4　印标阻尼比修正系数

可以看出，印标将加速度谱响应系数曲线分为3段，周期最长至4.0 s；而GB 50011—2010分为4段，周期最长至6.0 s。随着地震区及场地类别的不同，两部标准均对反应谱平台段的宽度以及曲线的形状做了调整。5%阻尼比时，印标响应系数最大值取2.5,而中标取2.25。印标中岩石或硬土、中等土及软土的特征周期分别为0.40 s、0.55 s和0.67 s，没有体现震级和震中距对反应谱的影响；而中标通过地震分组来体现震级和震中距对特征周期Tg的影响。

2.5　强度折减系数

IS 1893(Part 1)：2002中R称为响应折减系数，实际就是强度折减系数。不同建筑材料以及不同结构型式，也就是不同延性结构采用不同R值，典型建筑框架结构R值见表5。中标GB 50011—2010中所有的建构筑物R值为2.86[1]。

表5　印标建筑框架结构响应折减系数R

3　算例

算例1：印度某发电厂普通钢筋混凝土抗弯框架结构，长和宽均为20 m，总高度为14 m。共4层,层高3.5 m。基本自振周期T1为0.50 s，结构阻尼比取0.05，总重力荷载为W。结构类别：2类，地震重要性系数1.75。位于IS 1893标准中地震区Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ中，场地类别分别为硬土、硬土、中等土、软土。相应的中标参数：位于6度(0.05g)、6度(0.05g)、7度(0.10g)和7度(0.15g)中，相应的特征周期分别为0.40、0.55、0.75 s。结构类别：重点设防类，地震重要性系数1.0。基于印标不同地震区不同场地类别12个算例的地震基底水平剪力与相应中标地震基底水平剪力的比值在1.76～2.93，计算过程略。

算例2：印度某发电厂钢中心支撑框架结构，金属墙板封闭。长和宽均为30 m，层高4.0 m,共10层，总高度为40 m。基本自振周期T1为0.78 s，结构阻尼比取0.02，总重力荷载为W。中标结构阻尼比取0.04,其余条件同上。基于印标不同地震区不同场地类别12个算例的地震基底水平剪力与相应中标地震基底水平剪力的比值在1.27～2.19，计算过程略。

对于普通钢筋混凝土抗弯框架结构和钢中心支撑框架结构这两种结构型式，印标水平地震作用要高于中标。有以下几个方面原因：中标加速度归档将水平峰值加速度降低；印标地震重要性系数取值高于中标；印标阻尼比取值低于中标。如果将上述算例结构类别改为4类，结果将出现变化，部分结构水平地震作用IS 1893(Part1):2002标准将低于中标。

4　结论

a.中标设计地震作用计算是以475年重现期，也就是50年超越概率为10%的地震动参数作为基准；而印标设计地震作用计算是以2 500年重现期，也就是50年超越概率为2%的地震动参数作为基准。

b.印标场地分类依据不如中标明确。由于目前中标和印标所提出的场地分类方法是建立在粗略而定性的基础上，虽然具有大致的对应关系，但这种关系不绝对。为降低安全风险，在实际工程中应根据中印标准中的方法和指标确定场地分类。

c.中标反应谱动力放大系数β的最大值取2.25，印标取2.5。

d.中标抗震设防类别分为特殊、重点、标准及适度设防4类，可以认为除特殊设防类之外，地震重要性系数均为1.0。印标亦将工业结构类别分为4类，地震重要性系数分别取分别为2.00、1.75、1.50和1.00。

e.中标不区分抗震结构体系及建筑材料把强度折减系数R均取为2.86；而印标根据不同的建筑材料以及不同的结构型式，也就是不同延性的结构采用不同的R值。

f.中标计算设计地震水平作用力时，混凝土结构阻尼比取0.05；钢结构高度不大于50 m时取0.04，高度大于50 m且小于200 m时，取0.03，高度不小于200 m时，取0.02；而印标混凝土结构阻尼比取0.05；钢结构取0.02。

g.基于静力方法的中印标准水平地震作用高低取决于地震重要性系数和结构阻尼比。

参考文献：

[1]刘天英，卢昊，徐叶波.基于静力法的中土标准水平地震作用比较[J].吉林电力：2017，45(3):24-28.

[2]董绿荷.关于地震作用的中印建筑抗震设计规范比较[J].电力工程技术：2009(4):24-28.

[3]建筑工程抗震设防分类标准：GB 50223—2008[S].

[4]罗开海、王亚勇.中美欧抗震设计规范地震动参数换算关系的研究[J].建筑结构，2006,36(8):103-107.

[5]马申，周建军，田树桐，等.确定高烈度场地地震动参数的几个问题[J].武汉大学学报(工学版)，2006,39(增刊):34-39.

(编辑郝竹筠)