肖從真　李建輝　王徽

基于新一代地震區(qū)劃圖的高層建筑抗震設(shè)計(jì)

肖從真李建輝王徽

2015年，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），該標(biāo)準(zhǔn)將于2016年6月1日起在全國(guó)正式實(shí)施。作為編制抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)資料，新一代區(qū)劃圖的實(shí)施將對(duì)高層建筑抗震設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。

肖從真，研究員，博士生導(dǎo)師，1991年畢業(yè)于清華大學(xué)土木工程系，獲結(jié)構(gòu)工程和工程力學(xué)雙學(xué)士學(xué)位，1995年獲清華大學(xué)土木系工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任中國(guó)建筑科學(xué)研究院副總工程師、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、建研科技股份有限公司工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院院長(zhǎng)，全國(guó)超限審查專家委員會(huì)委員、辦公室副主任。長(zhǎng)期從事高層建筑結(jié)構(gòu)理論研究和工程設(shè)計(jì)、咨詢工作。負(fù)責(zé)了大量超高層、復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的咨詢、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究工作，包括上海中心大廈（高632m）、深圳平安金融中心（高660m）、武漢綠地中心（高606m）、天津高銀117大廈（高597m）、中國(guó)尊（高528m）、北京當(dāng)代MOMA、北京銀河SOHO、望京SOHO等20余項(xiàng)標(biāo)志性建筑工程；主持或參加編修了《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等國(guó)家及行業(yè)規(guī)范。

新一代區(qū)劃圖簡(jiǎn)介

自20世紀(jì)50年代，我國(guó)已完成了4代全國(guó)地震區(qū)劃圖編制，1956年、1977年和1990年區(qū)劃圖以地震烈度為指標(biāo)表示地震危險(xiǎn)程度，現(xiàn)行區(qū)劃圖是2001年發(fā)布實(shí)施的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2001）。GB 18306—2001采用峰值加速度和反應(yīng)譜特征周期為指標(biāo)表示地震危險(xiǎn)程度，可概括為“兩圖一表”，“兩圖”指Ⅱ類場(chǎng)地50年超越概率10%的峰值加速度分區(qū)圖（分7個(gè)區(qū)：＜0.05?g、0.05?g、0.10?g、0.15?g、0.20?g、0.30?g、≥0.40?g）和Ⅱ類場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期圖（分3個(gè)區(qū)：0.35 s、0.40 s、0.45 s）；“一表”指反應(yīng)譜特征周期調(diào)整表，即根據(jù)不同的場(chǎng)地土層條件調(diào)整反應(yīng)譜特征周期。GB 18306—2001是我國(guó)第一個(gè)直接采用地震動(dòng)參數(shù)編制的區(qū)劃圖。作為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)之一，GB 18306—2001距今已使用15年，雖然該區(qū)劃圖在我國(guó)一般建設(shè)工程抗震設(shè)防、各類建設(shè)工程規(guī)劃和選址、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)土利用規(guī)劃編制等方面發(fā)揮了重要作用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但是國(guó)內(nèi)外一系列特大地震災(zāi)害事件相繼發(fā)生，社會(huì)對(duì)地震安全提出了更新的需求。

首先，超設(shè)防烈度問(wèn)題突出。2008年“5·12”汶川8.0級(jí)地震、2010年智利8.3級(jí)地震、2011年?yáng)|日本9.0級(jí)地震均發(fā)生在地震區(qū)劃圖所標(biāo)注的地震危險(xiǎn)性較低的區(qū)域。以“5·12”汶川地震為例，極震區(qū)汶川縣、北川縣都處于GB 18306—2001的中低烈度區(qū)，峰值加速度為0.1?g，即按Ⅶ度設(shè)防。地震發(fā)生時(shí)該地區(qū)的實(shí)際烈度遠(yuǎn)高于設(shè)防烈度，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。即將實(shí)施的GB 18306—2015已將該地區(qū)的基本地震峰值加速度提高到0.2?g，即按Ⅷ度設(shè)防。從全國(guó)范圍來(lái)看，GB 18306—2015中不再出現(xiàn)基本地震峰值加速度小于0.05?g的分區(qū)，基本地震峰值加速度0.10?g及以上地區(qū)從49%上升到58%。這樣的修改從整體上提高了我國(guó)抗震設(shè)防的水平，尤其是對(duì)原來(lái)不進(jìn)行抗震設(shè)防的地區(qū)，隨著抗震規(guī)范的修改，這些地區(qū)的結(jié)構(gòu)都需要考慮對(duì)應(yīng)的抗震規(guī)則性、構(gòu)造等要求。

其次，保障建筑物、尤其是重要建筑物抵御超罕遇地震的能力，成為抗震設(shè)計(jì)遵循的基本原則之一。以“3·11”東日本地震為例，地震和海嘯導(dǎo)致福島第一核電站發(fā)生爆炸，大量放射性物質(zhì)泄漏，除了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，更為嚴(yán)重的是核泄漏造成的社會(huì)恐慌。作為對(duì)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，新一代區(qū)劃圖GB 18306—2015明確提出了“四級(jí)地震作用”概念，即基本地震動(dòng)、多遇地震動(dòng)、罕遇地震動(dòng)和極罕遇地震動(dòng)，這是我國(guó)首次在區(qū)劃圖中規(guī)定“多水準(zhǔn)地震”的相關(guān)內(nèi)容，“四級(jí)地震作用”的提出完善了國(guó)家地震災(zāi)害防御體系，將對(duì)提升建筑物抗震性能，預(yù)防大地震造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失起到重要作用。

日本福島第一核電站1號(hào)機(jī)組到4號(hào)機(jī)組（從右到左）

傳統(tǒng)的高層建筑抗震設(shè)計(jì)方法

目前，我國(guó)高層建筑的抗震設(shè)計(jì)遵循的是“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，主要采用“兩階段設(shè)計(jì)”來(lái)實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)。第一階段設(shè)計(jì)是承載力驗(yàn)算，取第一水準(zhǔn)的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)，在可靠度分析基礎(chǔ)上采用分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面承載力抗震驗(yàn)算，滿足“小震不壞”的設(shè)防目標(biāo)。第二階段設(shè)計(jì)是彈塑性變形驗(yàn)算，對(duì)有薄弱層的不規(guī)則結(jié)構(gòu)或有專門要求的結(jié)構(gòu)，通過(guò)彈塑性層間變形驗(yàn)算并采用相應(yīng)的構(gòu)造措施，滿足“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)?！爸姓鹂尚蕖钡脑O(shè)防目標(biāo)則通過(guò)概念設(shè)計(jì)和若干抗震措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要體現(xiàn)在第一階段設(shè)計(jì)中。概念設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)選型、限制房屋高度、最小地震剪力等；抗震措施則包括內(nèi)力調(diào)整放大、不同抗震等級(jí)的構(gòu)造要求等內(nèi)容。以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，第一階段設(shè)計(jì)執(zhí)行“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”內(nèi)力調(diào)整和一系列構(gòu)造要求的相關(guān)規(guī)定，對(duì)規(guī)則框架結(jié)構(gòu)，“中震可修、大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)采用以上抗震措施就能實(shí)現(xiàn)，對(duì)有薄弱層的不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)或有專門要求的結(jié)構(gòu)，還要補(bǔ)充第二階段設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

新一代區(qū)劃圖GB 18306—2015提出了“四級(jí)地震作用”的概念，原有區(qū)劃圖的基本地震動(dòng)、多遇地震動(dòng)和罕遇地震動(dòng)基礎(chǔ)上增加了極罕遇地震動(dòng)?；镜卣饎?dòng)定義為50年超越概率10%的地震動(dòng)，多遇地震動(dòng)、罕遇地震動(dòng)的50年超越概率為63%、2%，極罕遇地震動(dòng)的年超越概率為1/10000。以基本地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖為基礎(chǔ)，GB 18306—2015規(guī)定了其他三級(jí)地震動(dòng)峰值加速度的取值范圍，多遇地震動(dòng)峰值加速度不宜低于基本地震動(dòng)的1/3、罕遇地震動(dòng)峰值加速度宜為基本地震動(dòng)的1.6 2.3倍、極罕遇地震動(dòng)峰值加速度宜為基本地震動(dòng)的2.7 3.2倍。

新一代地震區(qū)劃圖提出的“四級(jí)地震作用”的概念，預(yù)示我國(guó)高層建筑抗震設(shè)防的指導(dǎo)思想將逐步由“三水準(zhǔn)設(shè)防”向“多水準(zhǔn)設(shè)防”過(guò)渡。而性能化設(shè)計(jì)以性能目標(biāo)為導(dǎo)向，是為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供“個(gè)性化”解決方案，與新一代地震區(qū)劃圖的指導(dǎo)思想一致，所以性能化設(shè)計(jì)將逐步成為高層建筑抗震設(shè)計(jì)的主流思想。雖然本次抗震規(guī)范的修訂還沒(méi)有將這一部分內(nèi)容涵蓋進(jìn)去，但對(duì)于重要建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，仍然可以通過(guò)性能化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行極罕遇地震下的倒塌驗(yàn)算，提高結(jié)構(gòu)抵御特大地震的能力。

表1　SEAOC Vision2000性能目標(biāo)

表2 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）性能目標(biāo)

表3　各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀態(tài)

基于性能的高層建筑抗震設(shè)計(jì)方法

性能化設(shè)計(jì)的提出

“三水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)”以保證生命安全為第一要求，允許結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定范圍的損壞但應(yīng)防止倒塌?，F(xiàn)代建筑的高速發(fā)展和歷次地震的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)使人們漸漸意識(shí)到，抗震設(shè)計(jì)不僅要防止結(jié)構(gòu)倒塌、保證生命安全，還要考慮經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失及其造成的影響。以“3·11”日本地震為例，雖然福島第一核電站的主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生倒塌，但是內(nèi)部設(shè)備破壞引發(fā)爆炸，造成核泄漏事件，后果非常嚴(yán)重。為了滿足結(jié)構(gòu)抗震性能的多樣化需求，美國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)90年代初期率先提出基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論，核心思想是以性能目標(biāo)為導(dǎo)向，滿足結(jié)構(gòu)抗震的“個(gè)性化”需求。圍繞性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際工程情況提出比規(guī)范更為有效的抗震措施，也可以采用規(guī)范沒(méi)有規(guī)定的新體系、新技術(shù)、新材料，最終目的都是保證結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)險(xiǎn)水平的地震作用下達(dá)到預(yù)定的性能水準(zhǔn)。

性能化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

目前，世界各國(guó)都在進(jìn)一步廣泛研究基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論，并逐步在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中納入了相關(guān)的設(shè)計(jì)方法。美國(guó)加州工程師協(xié)會(huì)編制的SEAOC Vision2000將性能目標(biāo)由低到高劃分為3級(jí)：基本設(shè)防、重要設(shè)防、特別設(shè)防。表1為SEAOC Vision2000的性能目標(biāo)選定方案。多遇（43年一遇）、偶遇（72年一遇）、罕遇（475年一遇）、非常罕遇（970年一遇）地震下，結(jié)構(gòu)應(yīng)分別達(dá)到預(yù)設(shè)的4個(gè)性能水準(zhǔn)之一，由高到低依次是：功能正常（Operational）、繼續(xù)使用（Immediate Occupancy）、生命安全（Life Safety）和避免倒塌（Collapse Prevention），簡(jiǎn)稱OP、IO、LS、CP。我國(guó)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2010）將性能目標(biāo)由高到低分為A、B、C、D四級(jí)（見(jiàn)表2）。多遇（50年一遇）、設(shè)防（475年一遇）、罕遇（1600 2400年一遇）地震下，結(jié)構(gòu)應(yīng)分別達(dá)到預(yù)設(shè)的5個(gè)性能水準(zhǔn)之一。水準(zhǔn)1—水準(zhǔn)5的具體內(nèi)容如表3所示。

性能化設(shè)計(jì)的應(yīng)用

性能化設(shè)計(jì)對(duì)高層建筑的高度、規(guī)則性、結(jié)構(gòu)體系沒(méi)有籠統(tǒng)的限制，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)具體情況設(shè)定性能目標(biāo)，通過(guò)分析、論證和評(píng)價(jià)，考察目標(biāo)的合理性。以性能目標(biāo)為導(dǎo)向，可以采取比規(guī)范更有效的抗震措施，也可以采用規(guī)范沒(méi)有規(guī)定的新體系、新技術(shù)、新材料。所以，性能化設(shè)計(jì)最先應(yīng)用于高度或不規(guī)則程度超出規(guī)范要求的超限高層建筑。基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中迅速發(fā)展并走向成熟，目前已經(jīng)在越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)類型中得以應(yīng)用并取得很好的效果，如鋼結(jié)構(gòu)、鋼—混組合結(jié)構(gòu)等。值得一提的是，隔震結(jié)構(gòu)和消能減震結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)一方面提升了結(jié)構(gòu)自身的抗震性能，另一方面也促進(jìn)了減隔震技術(shù)的發(fā)展。此外，性能化設(shè)計(jì)也不再單單局限于主體結(jié)構(gòu)，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴(kuò)展到非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如砌體填充墻、玻璃幕墻、管道系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、通信設(shè)備等。

新一代區(qū)劃圖對(duì)性能化設(shè)計(jì)的新要求

目前，性能化設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程可簡(jiǎn)要地概括為三步：第一，綜合考慮結(jié)構(gòu)用途、業(yè)主和使用者的特殊要求、建造費(fèi)用、震后損失、修復(fù)難易程度等因素，科學(xué)合理地設(shè)定性能目標(biāo)；第二，采用彈性和彈塑性計(jì)算分析，必要時(shí)補(bǔ)充構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)或整體模型試驗(yàn)，評(píng)定結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)險(xiǎn)水平的地震作用下能否達(dá)到預(yù)設(shè)的性能水準(zhǔn)；第三，找出結(jié)構(gòu)可能存在的薄弱部位和需要加強(qiáng)的關(guān)鍵部位，有針對(duì)性地加強(qiáng)抗震措施。新一代區(qū)劃圖明確了“四級(jí)地震作用”，首次提出年超越概率為1/10000的極罕遇地震動(dòng)，對(duì)性能化設(shè)計(jì)提出了更高的要求?；谛乱淮鷧^(qū)劃圖，結(jié)構(gòu)在極罕遇地震下應(yīng)該達(dá)到什么樣的性能水準(zhǔn)，需要進(jìn)一步展開研究。

圖1　A1公寓樓標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖2　地震影響系數(shù)曲線（Ⅷ度0.2?g、Ⅲ類場(chǎng)地、阻尼比5%）

本次區(qū)劃圖修訂對(duì)北京地區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

本次區(qū)劃圖的修訂，北京地區(qū)全部改為Ⅷ度第二組，其中門頭溝、昌平、懷柔、密云四區(qū)縣由Ⅶ度（0.15?g）二組提升為Ⅷ度（0.20?g）二組，其余12個(gè)區(qū)縣均由原Ⅷ度（0.20?g）一組提升為Ⅷ度（0.20?g）二組，地震作用有所上升。對(duì)于北京地區(qū)的高層建筑，地震工況是控制工況，主要的影響因素是地震作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移和傾覆力矩的作用，本節(jié)通過(guò)兩個(gè)高度分別是100米和500米左右的典型工程闡述新一代區(qū)劃圖對(duì)高層建筑抗震設(shè)計(jì)的影響。

實(shí)例一

富力通州核心區(qū)A1公寓樓位于北京市通州區(qū)運(yùn)河灣附近，總建筑面積3.88萬(wàn)平方米，結(jié)構(gòu)總高度144.450米，地上45層，地下2層，采用剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，圖1為標(biāo)準(zhǔn)層平面圖。

修訂前北京市通州區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.2?g）第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，依據(jù)第四代區(qū)劃圖，場(chǎng)地特征周期Tg為0.45秒，新一代區(qū)劃圖將北京該地區(qū)劃分為第二組，Ⅲ類場(chǎng)地的特征周期Tg調(diào)整為0.55秒。以多遇地震為例，圖2反映了設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜的變化。該結(jié)構(gòu)的基本周期在2.7秒附近，Tg調(diào)整后地震作用值有所增加。從表4可以看出，頂點(diǎn)位移、基底剪力及最大層間位移角的增幅在10%到15%之間。

表4　A1公寓樓的整體指標(biāo)

實(shí)例二

中國(guó)尊大樓是北京規(guī)劃設(shè)計(jì)并建造的最高建筑物，是目前世界上位于Ⅷ度抗震設(shè)防烈度區(qū)的在建的最高建筑。該項(xiàng)目位于北京市朝陽(yáng)區(qū)CBD核心區(qū)Z15地塊，總建筑面積35萬(wàn)平方米，主體建筑高度528米，地上108層，地下6層，采用“內(nèi)外筒”抗側(cè)力體系，外筒由巨型斜撐、巨型柱和轉(zhuǎn)換桁架組成，內(nèi)筒為鋼筋混凝土核心筒，墻內(nèi)布置型鋼暗柱，底部采用內(nèi)嵌鋼板—混凝土組合剪力墻。

北京市朝陽(yáng)區(qū)的抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.2?g），場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)分組為第一組。依據(jù)第四代區(qū)劃圖，場(chǎng)地特征周期Tg為0.35秒。在新一代區(qū)劃圖中，北京該地區(qū)劃分為第二組，Ⅱ類場(chǎng)地的特征周期Tg調(diào)整為0.40秒。中國(guó)尊的基本特征周期在7.5秒左右，而我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）僅給出了6.0秒以內(nèi)的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，將超過(guò)6秒的部分。按照6秒拉平計(jì)算地震作用，從表5可以看出，頂點(diǎn)位移、基底剪力及最大層間位移角增幅在2%到4%之間。

表5　中國(guó)尊的整體指標(biāo)

影響分析

通過(guò)以上兩個(gè)算例可以看出，對(duì)于北京地區(qū)原來(lái)Ⅷ度（0.20?g）的區(qū)域，地震分組從第一組調(diào)整為第二組，特征周期延長(zhǎng)，對(duì)超高層建筑的影響有限，但對(duì)于高度較低的普通高層建筑的影響比較明顯，可以達(dá)到15%甚至以上。對(duì)于原來(lái)Ⅶ度（0.15?g）的區(qū)域，地震力的增加超過(guò)30%，抗震等級(jí)也有相應(yīng)的提高，對(duì)于高層建筑的安全性提升明顯，但相應(yīng)的結(jié)構(gòu)造價(jià)也會(huì)有所提高。

結(jié)語(yǔ)

《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）提升了我國(guó)很多地區(qū)的抗震設(shè)防烈度，提升了抗震設(shè)防水平和結(jié)構(gòu)的安全度，并首次規(guī)定了“四級(jí)地震作用”，進(jìn)一步引導(dǎo)了我國(guó)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。作為抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，新一代區(qū)劃圖的實(shí)施將使我國(guó)高層建筑抗震設(shè)防水平進(jìn)一步提高，性能化設(shè)計(jì)將逐步成為高層建筑抗震設(shè)計(jì)的主流思想。在新一代區(qū)劃圖下，高層建筑性能化設(shè)計(jì)方法還存在一些有待研究和解決的問(wèn)題，如極罕遇地震下性能目標(biāo)的具體量化指標(biāo)等。但是可以相信，隨著工程的不斷應(yīng)用和研究工作的不斷深入，基于新一代區(qū)劃圖的抗震性能化設(shè)計(jì)會(huì)趨于成熟，并將在我國(guó)高層建筑結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要的作用。

中國(guó)尊大樓