地震是一种突发性的自然灾害,发震地点和时间具有较大的随机性,且通常破坏性很大。我国地处欧亚地震带和环太平洋地震带之间,地震灾害频发,21世纪以来我国发生的5级以上地震超过500次,截至2018年地震灾害导致的直接经济损失超过1.4 万亿元(国家统计局,2020)。据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)(以下简称“2015区划图”),我国已实现抗震设防全覆盖,Ⅶ度及以上地区面积约占国土总面积的58%,Ⅷ度及以上地区面积约占国土总面积的18%,可见地震灾害是我国防灾减灾事业面临的主要威胁之一。

为防御地震破坏,我国从《建筑抗震设计规范》(GB J11—89)(以下简称“89规范”)开始确定了“大震不倒,中震可修,小震不坏”的抗震设计目标,多年来这一建筑抗震设防思想在国民经济建设中发挥了重要作用(罗开海,2017)。然而,随着人们对地震灾害特点的不断深入认识和人类社会发展对抗震设防需求的变化,我国建筑物的抗震能力还不能与社会经济的快速发展相匹配(薄景山等,2022; 任军宇等,2021; 肖意等,2021)。现行的《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(以下简称“2010规范”)中不同烈度区罕遇地震的设防标准不一致,是当前抗震设防标准和防灾对策中存在的较为突出的问题(罗开海等,2018)。

89规范和2010规范抗震设计规范均规定,罕遇地震(大震)指的是一般场地条件下50年超越概率2%～3% 的地震,具体规定为Ⅶ度区及以下罕遇地震设防水准为50年超越概率3%、Ⅷ度区为2.5%、Ⅸ度区为2%。与之相对应的罕遇地震的重现期在1 642～2 475年,可见不同烈度区罕遇地震的风险水平差异明显。这样的规定直接导致抗震设计时不同烈度区所采用的建筑结构防倒塌设计地震动不在统一的概率水平,烈度越低的地区,防倒塌设计地震动参数也越低。数十年来的地震宏观破坏经验表明,现阶段我国工程抗震形势是中、低烈度区一旦发生超设防地震时,地震灾害风险将显著高于高烈度区,因此2010规范采用的罕遇地震风险水平不一致会使得中、低烈度区建筑物的地震安全形势恶化(罗开海,刘培,2016)。

目前工程界对中、低烈度区罕遇地震设防水准不统一的问题已有定性的认识,但对罕遇地震设防水准取值不统一会导致地震动峰值加速度有何变化,以及据此进行抗震设计的建筑结构的抗震能力差异等问题,尚无定量的分析结果。本文利用第一次全国自然灾害综合风险普查“一省一市”地震评估与区划试点工作取得的最新资料和2015区划图中概率地震危险性分析方法(Probabilistic Seismic Hazard Analysis,简称PSHA),计算了我国中、低烈度地区大中城市50年超越概率3%与2%的地震动参数,并利用该结果计算了采用这两组参数进行抗震设计所得到的建筑结构的屈服加速度,据此对不同罕遇地震设防水准下结构的抗震能力差异进行初步评价。

本文从建筑结构的地震易损性出发,以地震屈服加速度作为评价指标,讨论采用50年超越概率3%和2%作为设计参数的建筑物的抗震能力。

地震屈服加速度是指设防标准下结构构件最大设计承载力所对应的谱加速度值,是建筑物抗震能力总的评价指标之一。屈服加速度的大小可以反映建筑物抗御地震作用的能力(尹之潜,1994; 尹之潜等,2003)。表4给出了我国城镇现有的6种量大面广的典型建筑类型(尹之潜,杨淑文,2021)。

尹之潜(2010)得出的地震屈服加速度公式为:

α_y=λ₂α_d(2)

λ₂=r_er_gr_dr_s(3)

表4 我国典型城镇建筑类型
Tab.4 Typical building types in urban areas in China

式中:λ₂为结构构件内力组合系数; α_d是设计地震加速度,单位为g; r_e是地震作用分项系数,r_g是重力荷载分项系数影响值,r_d是材料强度抗震调整系数,这3个参数采用2010规范给出的不同结构类型进行取值; r_s为结构构件承载为调整系数,砖结构一般取1.25,钢混结构按实际配筋率与计算配筋率之比取值(建筑抗震设计规范,GB 50011—2010; 建筑结构设计统一标准,GB 50068—2018)。

本文按照公式(2)、(3)计算了我国中、低烈度区8个大中城市典型建筑结构以50年超越概率3%和2%地震动峰值加速度为设计参数的地震屈服加速度(表5)。表5中K是2010规范中罕遇地震对应的地震加速度峰值。从计算结果看,对不同烈度区、不同结构类型而言,50年超越概率2%对应的屈服加速度总体上均明显大于50年超越概率3%的对应值。在设防加速度为0.05 g(Ⅵ度)的地区,不同结构类型的50年超越概率3%和2%罕遇地震所对应的屈服加速差异为12%～20%,0.10 g(Ⅶ度)地区的差异为14%～19%, 0.15 g(Ⅶ度)地区的差异为17%～21%。按2010规范,0.15 g及以下的中、低烈度区罕遇地震均采用50年超越概率3%的地震动峰值加速度,因此当遭遇大震危险时,中、低烈度区的房屋建筑抗震能力相对高烈度地区更加偏于不安全。

表5 我国中、低烈度区8个大中城市典型建筑结构类型屈服加速度
Tab.5 The yield acceleration of typical structures in some large-and medium-sized cities in moderate-and low-intensity zones in China

本文利用PSHA方法,计算了中、低烈度区大中城市50年超越,概率3%和2%的地震动峰值加速度。在此基础上,以屈服加速度为指标,对比分析了中低烈度区罕遇地震不同设防水准下建筑结构的抗震能力,得出以下结论:

(1)根据PSHA结果,现行2010规范规定的Ⅵ度、Ⅶ度地区罕遇地震设防水准所对应的地震动峰值加速度值明显低于PSHA方法的结果。建议修订抗震规范时,应综合考虑社会经济发展水平、地震与工程抗震研究新成果和抗震设防思想的发展动态,充分体现“以人为本、人人平等”的原则,将我国不同烈度区建筑抗震设计采用的罕遇地震风险水平统一为50年超越概率2%。

(2)根据50年超越概率3%和2%所对应的地震屈服加速度计算结果,当遭遇大震危险时,在2010规范的中、低烈度区罕遇地震风险水平下,房屋建筑结构的抗震能力相对高烈度地区的更加偏于不安全。根据我国国情,大幅度提高现有抗震设防烈度分布并不现实,也不科学(中华人民共和国国务院,2021)。因此,对于中、低烈度的地区,将罕遇地震的设防水准由50年超越概率3%提高至2%是比较科学、合理的。

地震设防标准是一个涉及科学性、经济性和政策性等多个方面的综合性工程技术问题。本文仅用不同概率水准地震动参数相应的结构屈服加速度一个指标讨论了中、低烈度区罕遇地震设防水准偏低的问题。在今后的研究中,在地震风险普查建筑物抽样调查工作获得的详细资料的基础上,可采用完整的建筑物地震易损性分析方法,评估中、低烈度区两种罕遇地震设防水准下的建筑的抗震能力,为抗震设计提供论证资料和决策依据。