IV類場地某醫(yī)院隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防參數(shù)確定*

夏　峰，宋成科，孟慶筱，管　見

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

IV類場地某醫(yī)院隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防參數(shù)確定*

夏峰，宋成科，孟慶筱，管見

(中國地震局第一監(jiān)測中心，天津 300180)

摘要：針對隔震技術(shù)在IV類場地應(yīng)用抗震設(shè)防參數(shù)不明確問題，以天津塘沽某醫(yī)院工程場地抗震設(shè)防參數(shù)確定為例，在充分考慮了工程場地的地震環(huán)境和地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行土層反應(yīng)分析，給出了場地相關(guān)反應(yīng)譜，按當(dāng)前的法律法規(guī)標(biāo)定場地相關(guān)反應(yīng)譜給出了場地設(shè)計譜，再以場地設(shè)計譜為目標(biāo)譜擬合給出了地表設(shè)計地震動時程(包括人造地震動時程和調(diào)整后天然時程)，滿足了隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計對抗震設(shè)防要求，有利于隔震技術(shù)在IV類場地建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：隔震結(jié)構(gòu)；設(shè)計反應(yīng)譜；地震動時程；抗震設(shè)防參數(shù)；IV類場地

0前言

隨著經(jīng)濟(jì)實力的增強(qiáng)和抗震科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對抗震能力的認(rèn)識水平在不斷提高，在我國最顯著的變化便是第一代～第五代(即將頒布)地震動參數(shù)區(qū)劃圖的逐一頒布，抗震設(shè)防參數(shù)由以往的烈度逐漸過渡到地震動參數(shù)，設(shè)防的目標(biāo)也越來越具有針對性，基本上能滿足一般建設(shè)工程的設(shè)防要求。對某些重大工程和一些有特殊設(shè)防類建設(shè)工程按相關(guān)的法律法規(guī)(《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)；《工程場地地震安全性評價》(GB17741—2005)；《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223—2008))，必須進(jìn)行地震安全性評價，并按審批的設(shè)防參數(shù)設(shè)防。

自2008年汶川地震以來，人們越來越關(guān)注抗震設(shè)防對生命體本身的保護(hù)，于是中國地震局辦公室印發(fā)了中震防發(fā)(2009)49號“關(guān)于學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所建設(shè)工程抗震設(shè)防要求確定原則的通知”文件(下文簡稱“文件”)，明確了學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所建筑要以《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)為基礎(chǔ)，除地震動峰值加速度大于等于0.40 g區(qū)外，其他地區(qū)地震動峰值加速度提高一檔取值，特征周期分區(qū)值不作調(diào)整，作為此類建設(shè)工程的抗震設(shè)防要求。這對某些地震活動水平不太高(0.10 g檔及以下)地區(qū)，峰值加速值提高一檔地震影響作用幅度不太顯著，抗震構(gòu)造措施(不高于VII度)也容易實現(xiàn)，建設(shè)成本提高也能接受；如果建設(shè)工程位于地震活動水平較高(大于等于0.15 g)地區(qū)，峰值加速值提高一檔使地震影響作用提高顯著，或構(gòu)造措施加強(qiáng)顯著，這對建設(shè)成本控制非常不利。因此，為控制建設(shè)成本，隔震技術(shù)(黃銳，2014；馮亞成，2015；張軍濤等，2015)作為一種有效的減震方法在地震影響強(qiáng)烈的高烈度設(shè)防區(qū)被廣泛采用。

隔震技術(shù)的本質(zhì)就是要使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下，可起到延長結(jié)構(gòu)自振周期，減少地震輸入能量的作用。計算隔震結(jié)構(gòu)減震系數(shù)計算時，要求采用設(shè)計基本地震加速度時程進(jìn)行彈性計算，而變形驗算時需按設(shè)計罕遇地震加速度時程進(jìn)行彈塑性計算分析?！吨袊卣饎訁?shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)僅提供大震與小震的設(shè)計譜，沒有提供中震設(shè)計譜及相關(guān)設(shè)計地震動時程，無法滿足抗震設(shè)計需求。此外，以往的研究及工程經(jīng)驗均表明，在地震動輸入強(qiáng)度較大情況下，III類、IV類等軟弱場地土體非線性特征表現(xiàn)的明顯，場地相關(guān)反應(yīng)譜特征周期有放大趨勢(李小軍，彭青，2001；李小軍等，2001；郭曉云等，2013)，而區(qū)劃圖及規(guī)范均未詳細(xì)考慮這一問題，這可能給軟弱場地上的工程結(jié)構(gòu)帶來不安全因素，且目前國內(nèi)隔震結(jié)構(gòu)還沒有在IV類軟弱場地設(shè)計經(jīng)驗。

本著解決以上兩個問題的目的，本文將在考慮工程場地地震環(huán)境及場地條件影響的同時結(jié)合“文件”內(nèi)容及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)，給出了IV類軟弱場地某醫(yī)院隔震結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防參數(shù)。

1工程概況

某新建醫(yī)院工程場地土為軟弱土，場地類別為IV類。擬建物包括住院樓1棟，南北兩側(cè)為8層，中間為1層，最大高度約33.15 m，采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，分布二層地下室，埋深約12.50 m，隔震前自振周期為0.81 s，隔震后自振周期2.5～2.8 s。1棟4層門診醫(yī)技樓，最大高度約18.15 m，采用框架結(jié)構(gòu)，分布一層地下室，埋深約6.9 m。隔震前自振周期為0.9 s，隔震后自振周期為2.5～2.8 s。擬建場地位于0.2 g區(qū)(中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，GB18306—2001)。按“文件”要求，學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所建設(shè)工程的主要建筑應(yīng)提高地震動峰值加速度取值，因此，本場地設(shè)計基本地震加速度提高到0.3 g，設(shè)防基本烈度為VIII度。

2場地相關(guān)設(shè)計地震動時程確定

2.1基巖反應(yīng)譜確定

考慮工程場地所處的地震地質(zhì)環(huán)境，對場址所在區(qū)域地震區(qū)帶和潛在震源區(qū)進(jìn)行劃分并確定其相關(guān)地震參數(shù)，在考慮了對場地有影響范圍的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了場地地震危險性分析計算(胡聿賢，2007)，得到了場地50年超越概率2%、10%和63%基巖在5%阻尼比下的反應(yīng)譜曲線(圖1)，本文圖AC(均表示加速度)其對應(yīng)的基巖加速度峰值分別為447.1 gal、214.2 gal和57.7 gal。

圖1　場地基巖反應(yīng)譜曲線

2.2基巖輸入地震動時程的合成

基巖加速度的工程特性，主要由加速度峰值、頻譜和振動持續(xù)時間3個要素決定。將地震危險性分析得到的基巖峰值加速度和反應(yīng)譜作為合成的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合適應(yīng)本場址地區(qū)地震活動特征的強(qiáng)度包絡(luò)函數(shù)，采用擬合目標(biāo)函數(shù)的三角級數(shù)迭加法合成基巖地震加速度時程，作為場地地震動反應(yīng)分析的輸入基巖地震動加速度的時程。給出3個以上相互獨立的隨機(jī)樣本時程，反應(yīng)譜擬合周期控制點數(shù)不得少于50個，周期控制點應(yīng)大體均勻地分布于周期的對數(shù)坐標(biāo)上，控制點譜的相對誤差應(yīng)小于5%。在滿足上述技術(shù)要求前提下，以場地地震危險性分析得到50年超越概率2%、10%和63%的基巖反應(yīng)譜為目標(biāo)譜各合成3個相互獨立樣本時程，作為土層地震反應(yīng)分析的輸入，如圖2所示。

2.3場地土層反應(yīng)模型建立

參照本場地及附近鉆孔勘察測試資料，建立了適合本場地的一維土層反應(yīng)模型，模型見表1，相關(guān)動三軸參數(shù)值見表2。

圖2　50年超越概率2%(a)、10%(b)和63%(c)場地基巖輸入地震動時程

表2　各類土的剪切模量比和阻尼比與應(yīng)變關(guān)系

2.4地震反應(yīng)分析結(jié)果

以上文得到的3個超越概率的9條基巖加速度時程，將幅值減半作為輸入地震動時程，進(jìn)行地震動反應(yīng)計算。經(jīng)分析計算，表3分別給出了各控制鉆孔地震反應(yīng)分析模型50年超越概率63%、10%和2%三個不同概率水準(zhǔn)、不同隨機(jī)相位的地表水平加速度峰值及平均值。

表3　工程場地地表加速度峰值及均值(單位：gal)

按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)，本次工作所采用的地震動力放大系數(shù)表達(dá)式為

其中，Amax為地表水平加速度峰值，Sa(T)為地表水平加速度反應(yīng)譜，βmax為地震動力放大系數(shù)最大值，T1為反應(yīng)譜平臺段起始周期；Tg為特征周期；γ為衰減指數(shù)；η1為直線下降段的斜率調(diào)整系數(shù)。

另據(jù)“文件”內(nèi)容對新建、改建、擴(kuò)建一般

建設(shè)工程中的學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所建設(shè)工程的抗震設(shè)防要求作出了特別規(guī)定：位于地震動峰值加速度0.20g分區(qū)的，地震動峰值加速度提高至0.30g；根據(jù)“文件”規(guī)定，再結(jié)合場地相關(guān)反應(yīng)譜及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)時程分析相關(guān)規(guī)定標(biāo)定如圖3所示，關(guān)鍵參數(shù)結(jié)果見表4。

表4　地表加速度反應(yīng)譜曲線擬合結(jié)果

由表3和圖3可知，本IV類場地在基本地震峰值加速度提高一檔(由0.2 g提高到0.3 g)標(biāo)定設(shè)計譜的情況下，場地相關(guān)設(shè)計譜基本地震特征周期為0.85 s，罕遇地震特征周期為1.2 s，均較《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)對應(yīng)的0.75 s和0.80 s大，罕遇地震時放大尤為明顯；而多遇地震場地相關(guān)反應(yīng)譜特征周期不變，這表明IV類場軟弱地土隨地震作用強(qiáng)度增大，非線性表現(xiàn)表現(xiàn)越來越顯著，這一作用使得我們的規(guī)范結(jié)果偏不安全，這與李小軍等(2001)得出的結(jié)論相符。

2.5場地相關(guān)設(shè)計譜與規(guī)范設(shè)計譜對比分析

為進(jìn)一步比較場地相關(guān)反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計譜的差異性，現(xiàn)將場地相關(guān)設(shè)計譜、峰值加速度調(diào)整前規(guī)范設(shè)計譜和峰值加速度調(diào)整后規(guī)范設(shè)計譜繪成圖4。

圖3　50年超越概率2%(a)、10%(b)和63%(c)地表加速度反應(yīng)譜曲線擬合結(jié)果

圖4　50年超越概率2%(a)、10%(b)和63%(c)場地相關(guān)設(shè)計譜與規(guī)范譜對比圖

由圖4可知，本IV類場地：(1)在基本地震水平作用提高一檔后地震作用在設(shè)計譜平臺段較提高前有了大幅提高(達(dá)50%)，但在減震結(jié)構(gòu)自振周期附近(2.5～2.8 s)大震和中震仍較場地相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜偏低，偏不安全，小震不存在這種情況;(2)在基本地震作用水平提高一檔后，大震作用按規(guī)范也有所提高(達(dá)27.5%)，提高幅度較中震和小震作用水平提高得小，但在減震結(jié)構(gòu)自振周期附近(2.5～2.8 s)處中震和大震與場地相關(guān)設(shè)計譜差別顯著，明顯偏低，可能會造成嚴(yán)重安全隱患，對隔震結(jié)構(gòu)可能更是如此，這在當(dāng)下高度關(guān)注保護(hù)生命個體的學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所的建設(shè)工程中是絕不允許的。由于在國內(nèi)目前還沒有IV類場地隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，因此，從安全和科學(xué)的角度出發(fā)，本場地隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計按場地相關(guān)設(shè)計譜確定地震作用。

3設(shè)計地震動時程確定

采用時程分析法時，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)，選取地震波的一般原則為：所選用的地震波應(yīng)該與設(shè)計反應(yīng)譜在統(tǒng)計意義上一致，包括地震波數(shù)量(實際強(qiáng)震記錄不應(yīng)小于總數(shù)的2/3)和相應(yīng)的反應(yīng)譜特征。對隔震結(jié)構(gòu)，彈性計算時按設(shè)計基本加速度時程輸入進(jìn)行計算，變形驗算采用罕遇地震加速度時程計算。此外，給出的時程有效持時均應(yīng)不小于5倍結(jié)構(gòu)自振周期(本次工作不小于14 s)，且強(qiáng)震段的持時宜為有效持時的一半(國家標(biāo)準(zhǔn)建筑抗震設(shè)計規(guī)范管理組，2010)。

3.1人造設(shè)計地震動時程確定

以本場地相關(guān)設(shè)計譜為目標(biāo)譜，采用擬合目標(biāo)函數(shù)的三角級數(shù)迭加法合成地表地震加速度時程，作為結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析輸入的地震加速度的時程。給出3個以上相互獨立的隨機(jī)樣本時程，反應(yīng)譜擬合周期控制點數(shù)不得少于50個，周期控制點應(yīng)大體均勻地分布于周期的對數(shù)坐標(biāo)上，控制點譜的相對誤差應(yīng)小于5%，如圖5所示?？紤]工程場地所處的地震地質(zhì)環(huán)境，以上文擬合標(biāo)定的場地相關(guān)地表設(shè)計譜為基準(zhǔn)，合成不同概率水準(zhǔn)不同相位地表地震動時程各三條，圖見5。

3.2天然設(shè)計地震動時程確定

盡管選用天然設(shè)計地震動的時程的基本原則要求記錄的反應(yīng)譜與場地相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜相一致，但不可能要求所選記錄的反應(yīng)譜與場地相關(guān)反應(yīng)譜在各頻段均有較好的擬合，仍然存在有多種可選方法實現(xiàn)譜特性的一致性原則。本文按楊溥等(2000)提出的C方案選波，也即“按地震加速度記錄反應(yīng)譜特征周期Tg和結(jié)構(gòu)基本自振周期T1雙指標(biāo)選波”原則選波。具體如下：以上文所確定的設(shè)計反應(yīng)譜為目標(biāo)譜，通過控制所選地震波的反應(yīng)譜與目標(biāo)譜在某些控制點(或段)上的誤差，使選出的地震波與目標(biāo)譜具有一定程度的一致性。其做法是根據(jù)所分析隔震結(jié)構(gòu)的基本周期T1以及結(jié)構(gòu)所在場地相關(guān)反應(yīng)譜的特征周期Tg，對地震波的彈性反應(yīng)譜的兩個頻段進(jìn)行控制：

一是對地震記錄的加速度反應(yīng)譜值在[0.1，Tg]平臺段的均值進(jìn)行控制，要求所選擇的地震記錄加速度反應(yīng)譜在該段的均值與對應(yīng)的設(shè)計反應(yīng)譜相差不超過某一限值。

二是對結(jié)構(gòu)基本周期T1附近一定區(qū)間[T·ΔT1，T+ΔT2]內(nèi)加速度反應(yīng)譜均值進(jìn)行控制，要求與設(shè)計反應(yīng)譜在該段內(nèi)各周期點的偏差均值不超過某一限值。

考慮到目前實際地震記錄尚不足以對任意結(jié)構(gòu)都易于選到規(guī)定數(shù)量地震波的現(xiàn)狀，與目標(biāo)反應(yīng)譜的偏差百分比不宜過于嚴(yán)格。綜合考慮各類場地的情況，反應(yīng)譜曲線上兩個頻段的容許偏差百分比以不大于10%為宜，本次均取10%。此外，考慮到結(jié)構(gòu)自振周期在2.5～2.8 s之間，取ΔT1=ΔT2=0.3 s，計算區(qū)間[2.2，3.1]s。以太平洋地震中心，美國國家地質(zhì)勘探局(USGS)，南加州地震中心聯(lián)合開發(fā)的下一代地動衰減模型(Next Generation Attenuation Models NGA)的強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(http：//peer.berkeley.edu/nga/.)為基礎(chǔ)，挑選與該場地設(shè)計譜擬合較好的時程，再用小波方法(周偉等，2006)進(jìn)行調(diào)整以滿足抗震結(jié)構(gòu)時程分析要求。本次調(diào)整后符合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的時程(小震、大震和中震各3條)如圖6所示。

圖5　50年超越概率2%(a)、10%(b)及63%(c)地表人造設(shè)計地震動時程

4結(jié)論與建議

本文在考慮場地所處的地震環(huán)境及場地局部工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上給出了隔震結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防參數(shù)。比較抗震設(shè)計規(guī)范、“文件”和本文確定的場地相關(guān)設(shè)防參數(shù)可知：(1)在“文件”頒布后，各設(shè)防水準(zhǔn)地震作用較《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)均有較大幅度提高；(2)本IV類場地隔震結(jié)構(gòu)，小震水平下場地相關(guān)設(shè)計譜較“文件”沒有變化，但在中震和大震設(shè)防水平下場地相關(guān)設(shè)計譜在大于特征周期部分較“文件”均有較大提高；

對本場地(IV場地)隔震結(jié)構(gòu)，考慮到減震系數(shù)采用設(shè)防地震水平計算，采用場地設(shè)計譜將高估其地震作用，也即減震系數(shù)會降低，在小震作用較“文件”沒變的情況下地震影響系數(shù)會減小，這將降低結(jié)構(gòu)配筋時的內(nèi)力，有利于節(jié)省成本和隔震技術(shù)應(yīng)用推廣；而大震水平作用下，場地相關(guān)設(shè)計譜的地震作用的增強(qiáng)，在確定罕遇地震位移時可能會偏于安全。因此，在沒有明確法律法規(guī)條文規(guī)定的情況下，從安全和經(jīng)濟(jì)角度考慮，宜按場地相關(guān)設(shè)計地震動參數(shù)進(jìn)行設(shè)防，同時呼吁建設(shè)管理部門盡早出臺相關(guān)規(guī)范，進(jìn)一步明確隔震結(jié)構(gòu)設(shè)防問題。

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Determination on Earthquake Resistance Protection Parameters of

Isolated Structure Hospital in the Site IV

XIA Feng，SONG Cheng-ke，MENG Qing-xiao，GUAN Jian

(First Crust Monitoring and Application Center，CEA，Tianjin 300180，China)

Abstract

Aiming at the problem that the parameters of seismic fortification acceleration are uncertain on the application of seismic isolation technology in the IV site，we study a case of determining the seismic fortification acceleration parameters of a hospital in Tanggu district of Tianjin. Based on the seismic environment and the geological conditions of engineering site，we analyzed the soil response and obtained the site response spectrum. According to the current laws and regulations，we took the site design spectrum as the target spectrum to calibrate the relevant response spectra and got the site design spectrum，which fit and obtained the design ground motions time history(including artificial ground motion time history and adjusted natural time history). This method meets the requirements time history for seismic resistance well and is favorable for popularization and application of seismic isolation technology on building in IV site.

Key words：isolated structure；design response spectrum；time history of earthquake ground motion；earthquake resistance protection parameters；the site IV

中圖分類號：P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)04-0643-09

*收稿日期：2014-07-23.基金項目：中國地震局第一監(jiān)測中心科技創(chuàng)新主任基金(FMC2014002)資助.