某印尼工程地震动参数及风荷载的换算研究

陈绍隆，徐建，徐华冰

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

随着“一带一路”倡议的逐步落实，越来越多的国内企业参与到“一带一路”沿线国家的投资与建设当中。印度尼西亚作为东南亚地区的发展中大国，幅员辽阔，且人口众多，是“一带一路”上的重要一环，也是不少中资企业投资的重要目的国。目前，中国在印度尼西亚的建设工程项目多是由中方负责设计、采购、施工、试运行等全过程的EPC总承包项目。在中国现行规范中，主要采用的是抗震设防烈度、设计基本地震加速度和基本风压等参数。而在欧美的规范体系中，使用的是地震动参数和基本风速等概念。

然而，在这些项目设计施工过程中，设计人员经常会遇到当地标准、规范与国内不一致的情况。因此，需要在设计前对不同体系规范中的不同参数进行换算，以使设计可以在某一指定的标准体系下进行。以建筑工程结构设计为例，地震动参数及风荷载参数是必须确定的关键参数，否则结构设计无法保证建筑在建设场地的安全性。国内外参数取值所使用的公式和方法存在差异，如不注意换算会造成结构设计安全问题，因此应谨慎对待。本文以某国内企业在印度尼西亚的EPC总承包项目为例，解读印度尼西亚当地规范中的地震动参数、基本风速等相关参数，并将其转换成中国现行规范中的抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和基本风压，探讨如何利用两国规范进行设计，互为校核，使设计成果满足安全性和合规性的双重要求。

1 项目背景

某项目位于印度尼西亚西努沙登加拉省的松巴哇岛，项目总承包方为中国某公司。项目总占地面积598 783 m2，建筑面积125 322 m2。整个厂区分为两个区域，一个厂区位于港口，主要用于设置仓库；另一个厂区位于离港口约2.5 km的内陆，是主要厂区，大部分建构筑物在此厂区的。两个厂区之间通过输送管线和皮带廊连接。该厂属大型工业项目，建（构）筑物有约130个，主要单体的结构形式有单层门式刚架结构、多高层钢框架结构、多高层钢框架+柱间支撑结构以及钢框排架结构等。该公司经与业主沟通，达成协议，确定项目设计、施工采用中国规范、标准。

2 地震动参数取值

地震动参数的取值是多层或高层钢框架+支撑结构设计中一个非常重要的设计参数。尤其是在工业厂房中，大型设备位于厂房的高楼层处，水平地震作用对结构影响很大，因此结构设计多采用地震作用组合控制，高烈度地区尤其如此。

工业厂房中单层门式刚架轻钢结构和钢框架+排架的结构形式使用比较普遍。其中，单层门式刚架轻钢结构主要用于仓库类建筑。其结构形式抗震性能良好，变形或位移限制相对宽松，风荷载对单层的门式刚架起控制作用，因此基本风压在门式刚架的结构中是非常关键的参数。钢框架+排架的结构形式，即底部2～3层为钢框架，上部由于工艺需求配置行车，从而形成排架结构。对于这种结构形式，地震作用和风荷载均有可能成为控制作用，需要结合工程实际具体计算分析。

2.1 建设地条件

根据业主提供的建设地条件，中方团队掌握到以下参数：1）场地风险类别为II；2）重要性系数为1.0；3）抗震设计类为D类；4）地面峰值加速度为0.5 g；5）MCER—响应谱最大为1.1 g。

业主提供的投标阶段工程地质勘察报告中提及“在提议的+15 m的厂房最终地面高程区域内，计算出的平均SPTs（标准贯入试验）表明，有9个钻孔点被划分为场地级SE(软土壤)，22个钻孔为立地级SD(中等土壤)，7个钻孔为立地级SC(硬土或软岩)。在提议的+19 m的厂房最终地面标高区域内，有1个钻孔点被划分为Site Class SE(BH-X1)，2个钻孔点被划分为SD(BH-X2和BH-X4)，1个钻孔点被划分为SC（BH-X3）”。根据上述内容，可以确定该项目大部分场地类别为SD类(中等土壤)。

2.2 地震动参数的计算

地震动参数的计算有3种计算方法，可互相验证计算结果，以保证参数取值的准确。

2.2.1 计算方法1

可根据罗开海、王亚勇的《中美欧抗震设计规范地震动参数换算关系的研究》[1]一文中提出的中美欧抗震设计规范地震动参数换算关系公式进行计算。

式中：Acc为中国规范Ⅱ类场地上475年重现期地震基本地面运动峰值加速度；Tg为与美国规范IBC—2003中的C类或D类场地相对应的Ⅱ类场地的反应谱特征值。Fa为反应谱短周期段场地系数；Fv为反应谱长周期段场地系数；γus为2 500年重现期（50年超越概率2%）的0.2 s谱加速度与475年重现期（50年超越概率10%）的0.2 s谱加速度的比值；S1为反应谱1 s处B类土，阻尼比为5%的最大考虑地震（重现期为2 475年）下加速度反应谱值；Ss为反应谱0.2 s处B类土，阻尼比为5%的最大考虑地震（重现期为2 475年）下加速度。

公式中各相关参数获得如下：

1）S1、Ss。业主提供的资料《项目现场地震危险性分析报告》中显示，见表1。

表1 平均5%阻尼几何平均水平加速度 g

根据参数定义，从表1中可以查出S1=0.395 g，Ss=1.459 g。

2）Fa、Fv。根据美国荷载规范《建筑物和其他结构最小设计荷载》（ASCE 7-16）表11.4-1，查得场地系数Fa=1.0（场地类别为D类）。根据ASCE 7-16表11.4-2查得场地系数Fv=1.905（场地类别为D类）。短周期场地系数Fa、长周期场地系数Fv相关取值见表2、表3。

表2 短周期场地系数Fa

表3 长周期场地系数Fv

注：1）参阅ASCE/SEI 7-16第11.4.8节对特定场地的地面运动的要求。

3）γUs。根据表1，γUs为2 500年重现期（50年超越概率2%）的0.2 s谱加速度为1.459g，475年重现期（50年超越概率10%）的0.2 s谱加速度为0.802g。γUs=1.459/0.802=1.819。

根据上述参数计算得：Acc=0.32 g，Tg=0.516 s。

2.2.2 计算方法2

方法2同样根据式（1）、式（2）进行计算，但参数选取方式有所不同。1）通过当地网站提供的资料，可以查出以下参数：S1=0.416 5 g；Ss=1.061 6 g；PGA=0.480 2 g。2）根据总包方提供的资料，查表得Fa=1.075，Fv=1.883 5。3）根据参考文献[1]中规定国际上统一将γUs=1.5。根据式（1）、式（2）计算得：Acc=0.304 g；Tg=0.687 4 s。

2.2.3 计算方法3

2000年以后的《国际建筑规范》IBC系列，采用以50年超越概率2%来定义的最大考虑地震作为极限地震，并以此进行全美国的地震动区划；以最大考虑地震的2/3(1.5的倒数）作为设计地震，使美国的防倒塌水平达到统一[1]。

据此，设计人员只需从总承包方或业主方得到PGA，就可以直接计算出设计地震加速度值。根据总承包方通过当地有关网站提供的资料，可以查出项目地点的参数PGA值为0.480 2 g，则相应设计地震的地面加速度值为0.480 2×2/3=0.320 1 g。

2.3 分析结果

该项目《岩土工程勘察报告》提到“平均峰值基岩加速度为0.32 g，持续时间为19～26 s，推荐用于地震稳定性分析”。这相当于《统一建筑规范》(UBC)地震带3的指定，其相关加速度为0.3 g。

综上分析，得出以下结论：项目结构设计按中国现行规范设计，抗震设防烈度可以取值为8度，设计基本地震加速度值为0.3 g。

3 风荷载参数取值

3.1 基本风速资料依据核证

根据业主提供的建设地条件资料，基本风速为34.7 m/s，但是此基本风速的来源条件并没有描述，若简单地参考国内的海边城市的建设经验进行设计，显然无理论依据，因此在设计前首先需弄清此基本风速是在哪种条件下测得的：是依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）相关要求，按离地10 m高，观测时距为10 min的自记，平均年最大风速数据，且经统计分析确定为重现期为50年的最大风速；还是依据ASCE 7-16，按地面粗糙类别为C、距地面10 m高度处、时距 为3 s等条件测得的风速值。

若是按中国规范标准测得，那么根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）第8.1.2条条文说明中的公式ω0=v02/1 600，可计算出基本风压值ω0=0.753 kN/m2。若是按美国规范标准测得，根据《论述中美风荷载的换算关系》一文中的换算公式V中=0.7V美，计算得V中=24.29 m/s，ω0中=v02/1 600=0.369 kN/m2。二者有较大差距。

根据后期业主有关基本风速的回复邮件可知：1）他们的参考文献、标准和文献主要为《建筑和其他结构的最小设计荷载》（SNI-1727）、澳大利亚规范《亚太地区设计风速》（HB-212-2002）、J.D.Holmes的著作Wind Loading on Structures。2）根据SNI 1727,基本风速是在观测时距为3 s阵风速度观测高度高出地面10 m,地面粗糙类别为C类的条件下测得，这个基本风速由授权机构根据建构筑物的风险类别确定，因为印尼当地没有任何有关的描述图。3）业主方用HB-212-2002计算了印度尼西亚许多地方的基本风速。根据文献，整个印度尼西亚地区的基本风速为34.7 m/s，重现期约为100 a。然而，如果考虑50年的重现期，该值减少到32.1 m/s。4）在J.D.Holmes的书中，印度尼西亚处于极端风级的第I区，基本风速取为35 m/s。5）根据SNI-1727/ASCE-7进行风荷载计算时，建议参考RFP规定的基本风速34.7 m/s。

从上述信息可以明确，基本风速是根据美国规范标准测得，转换成中国现行规范的基本风压为0.37 kN/m2。

3.2 分析结论

由于项目地点位于海边，考虑国内设计团队对当地实际情况并不是十分了解，最主要的设计依据是总包方以及业主方的邮件回复，因此对基本风压的取值比较有顾虑。相较于中国国内的海边城市而言，基本风压取值为0.37 kN/m2，取值偏小，甚至小于国内内陆城市的取值。

但经查阅相关资料[3]，设计人员发现该地区位于赤道无风带，这就解决了有关项目地点位于海边，基本风压却取值为0.37 kN/m2疑虑。赤道无风带是出现在赤道附近对流层底层风向多变的弱风或无风带，一般位于赤道附近南、北纬5°之间的地带。这里太阳终年近乎直射，是地表年平均气温最高的地带。该地带温度的水平分布比较均匀，水平气压梯度很小，气流以辐合上升为主，风速微弱。本项目所在地松巴哇岛位于东经116°45′32.2′′，南纬8°55′12.95′′，从地理位置上看位于近赤道，邻近赤道无风带。

综合考虑，本项目结构设计按中国现行规范，基本风压建议取0.40 kN/m2。

4 结论

综上所述，设计人员应该在结合工程实际的前提下，相对保守地取值。结构设计参数不能仅凭经验判断进行取值，尤其是重要的结构设计参数，需要找到确凿的信息和规范依据，甚至是通过多种方法互相验证，才能保证设计参数的准确性。