2023年地震安全性评价教程_地震安全性评价课程.docx
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1、2023年地震安全性评价教程_地震安全性评价课程 地震安全性评价教程由我整理,希望给你工作、学习、生活带来方便,猜你可能喜欢“地震安全性评价课程”。 第一篇 总则 第一章工程地震与地震安全性评价 1.1工程地震与地震安全性评价在地震工程中的作用 地觉学研究与地震有关的科学问题,包括:地震成因、震源力学、地震波及其在地球介中的传播、地震发生的规律、地震预报、地震灾害与对策和工程地震等。仅就直接为社会减灾服务面言,它至少有三方面的内容,即:地震预报、地震工程和地震社会学。短临地震预报的主要目的在于减少人身伤亡和启动应急数灾对策,中长期地震预报的目的则在于为地震工程和社会减灾提供设防标准,顾名思义,
2、地震工程考虑地震危害性的工程问题,它可以分为工程地震和工程抗震两个方面。 工程地震以中长期地震预报结果为依据,提供一个工程或地区在其设计寿命中可能遭遇的地震危险,作为工程抗震的设防标准或依据,以保证工程的安全性。对于一般工程,这一结果以全国或大区的地震区划图的形式给出,对于单项重大工程,需要以具体工程场地的地震安全性或危险性的形式给出,对于面积较大的大中城市、经济开发区、或铺设线长或占地面广的生命线工程,则应以地震小区划的形式给出。抗震设防标准由法规性的文件加以规定,如全国地展烈度区划图和经过审查批准的专项文件,以及有关工作规范或规定。工程抗震设计,则应用结构地震反应分析估计工程的抗震能力,再
3、按照给定的抗震设防标准进行工程抗震设计。工程抗震设计规范是工程抗震设计的法规性规定。 地震社会学研究的是地震引起的社会问题,本应是与地震工程学并列的一个学科分支,但由于其发展晚于地震工程学半个世纪,又由于重要的地震社会问题多由工程震害所引起,故地震工程学与地震社会学两者的科学技术活动常合并进行。甚至有不少人认为地震工程学也包括地震社会学与社会地震学。社会地震学研究的是与社会有关的地震学,它包括地震预报与工程地震学;而地震社会学则包括震害预测与抗震减灾,其中震害既包括经济抵失,又包括人身伤亡,还可以包括社会地震学。上述关系川以简略地用图1.1.1表示。 地震工程学与地震社会学密不可分的原因还有两
4、个,第一,广义而言,工程向题也是社会问題,社公损失主要由工程震害所引起;第二,这两个问题都可以用下述公式传示其主要内容: 灾害(RSK)=危险度(HZD)*抗实能力(VUL)(1.1.1)*损伤 式1.1.1不仅可以用来估计灾害损失,还可以用来表示工程抗震设计和抗震鉴定加固等减灾措旅决策。如根据损失估计,可以选择更适当的抗震设防标准,从而调整工程社会系统抗震能力,以得到可以接受的损失程度。对于已有社会环境项目,可以根据其现有抗震能力,估计其可能的损失,从而决定是否要加固,对于一个地区或社会,可以进行各社会环境项目的震害预测,发现社会环境中的薄弱项目,决定提高其抗震能力的先后顺序。社会中自然环境
5、抗震能力的改变,有时可以对某个灾种的危险度有重大影响,如兴建大型水库有可能诱发地震,从而增加地震危险度;改善自然植被环境,可以减轻洪涝灾害。上述这些关系可以用线图在公式中表示。 式(l,1,1)认为各社会环境项目之间相互独立无关,所以,此式是线性的。但在现代社会中,社会环境项目之同相互影响强烈而复杂,各项生产系统之间相互依存,供销关系链形成复杂网络,需要用非线性的关系代替上述线性关系,即在上式中引入一些求积号n.从而引入下述这样的因子: RSK,(RSK,)或P(RSK,)x PCRSK,)(1.1.2) 其中,园括号表示函数关系。 这一节的目的在于指明:工程地震问题指的主要是与抗震设防标准或
6、地震危险性有关的问题。为此,除地震活动性外,还必须理解工程和社会对地震的要求,再以此为目的,根据地震中长期预报的方法,估计场地的地震危险度。更具体地说,第一,根据工程或社会的特点,首先决定用什么物理量来表示地震动。如对一般房屋的震害估计,可以采用地震烈度;而对房屋工程的抗震设计则要给出地震动加速度和地震烈度;对于重大工程的抗震设计,就还要提出场地地震相关反应谱;对于地下直埋管线,则应给出地震动速度或地震动位移,由此导出地震时的地基变形;对于高耸或长跨等柔性结构,则要注意给出长周期反应谱或地震动速度或位移。第二,报据地质活动性和场地工程地质条件,给出场地的设计地震动参数的估计值,即抗震设防标准。
7、对工程的理解,包括对一般工程抗震设计规范的理解,以及对特殊和重大工程的抗震设计规范的理解,此外,再加上对地震危险性分析的熟悉,才能对各种各样的设计地震动参数或抗震设防标准作出合理的科学的估计。 除地震危险性分析佔计外,工程地震还包括另外一项重要工作,即场地地震地质灾害评价。场地地震动安全性评价和场地地震地质稳定性评价两者合起来就是工程场地地震安全性评价工作,也就是抗震设防标准主要内容。 本书以工程为主要对象,评价具体场地的工程地震问题称为工程场地地震安全性评价。 1.2 抗震设计与抗震设防标准 设计的目的是使工程在承受所考虑的荷数(如以力表示的工程结构物的自重,可移动物如车辆,货物、人等的重量
8、)或作用(如以变形或运动量表示的温度、地震动等)下具有一定的安全性。因此,抗震设计会涉及到地震作用和工程或社会安全性两方面的问题。抗震设计中考虑的地震作用包含三方面的内容:第一,地震作用的大小或强弱;第二,所考虑地震作用的可能性(或概率)及其频繁程度(常温或罕温);第三,地震作用的动态特征,工程安全性包话上程达到何种安全程度为宜,下面分别介绍这些内容。1.2.1地震作用的强明 地震作用的强弱过去大多是通过地震烈度(I)的大小来表示的(见第18.3 节)在抗震设计中再通过近似的关系将烈度换算为设计地震动加速度(a或a/g,g为地球的重力加速度),用如图18.5.3所示,现在,国内外的抗震设计都普
9、遍接受反应谱理论,即认为地震动像声音一样。由不同而复杂的频率成分所组成,在反应谱理论中,还要考虑反应谱随地震的大小、远近和工程所在场地的地质条件而改变形状大小,为了表示反应谱形状和大小的变化。至少要求用两个独立的参数来近似表示反应谱,一个参数表示反应谱大小,另一个参数表示反应谱的形状(如肥瘦和上要频段)。我国现行抗震设计规范就是这样的,如图2.2.1所示,我们用加速度反应最大值max=(u/g)max表示谱的大小,用特征周期Tg表示谱的肥瘦。这里max为高测部分反应谱的放大倍数。这种考虑反应谱和随地震大小远近和场地条件而变的反应谱,是近几十年国际抗震理论发展的成果,我国从60年代中起就处于国际
10、领先的地位。它将原来认为地震作用只是一个仅有大小强弱之分的静力理论,发展到必须考虑地震作用动态特征的动力理论。现在我国的抗震设计规范中所采用的地震烈度只和地震动加速度(k-a/g或 max)有关,而与频谱(如谱形参数T)无关,这样,抗震设计规范中的地震烈度几乎只是加速度的一个代名词。在日本,无论是常用的地震烈度(他们成为震度)或近几年采用的一种烈度计,也只是用地震烈度来作为地震动加速度或速度的代名词而已,实际上是与频谱形状无关的。 很早以前,有人建议过用三条直线来近似表示反应谱,这三条直线分别表示地震动加速度、速度和位移,现在仅采用地震加速度和特性同期(T.正比于速度/加速度比值)这两个独立参
11、数,是三个独立参数的进一步简化。 1.2.2 地震作用的概率估计 对于发生与否有很大不确定性的事件,人们常用概率本来表示其发生的可能性大小,地震就是这样的事件。虽然人们对地震发生的时、空、强的规律已经有了许多认识,如强烈地震(如震级大于7者)大多发生在地质构造近代很强烈的构造带上,如我国华北的郯庐地震带、世界上的环太平洋地震带等等,但是这些构造带的范围常宽达几十公里以上,长达几百、上千公里,而发生地震的震级在6一8.5 之间,发生时间可能在几十年内、也可能在几百年以后,震级在8以上的地震在一个有限的地区范围内,甚至在上千年后。对于工程设计而言,这样 粗略的估计。或者说这么大的不确定性是不同于它
12、所考虑的其他荷截的,如风、雪、洪水等等。但是,从当前的地震学知识来看,要想确定地说“距某工程场地50km之内,在今后50年内一定会发生至少一次7.5级的地震”是不大可能的事;比较科学的说法是: 发生上述地震或更大地震的概率不会超过10%。后一种说法比较接近于当前地震学家的认识水平。在这种情况下,工程抗震设计就不可能像桥梁设计那样,把桥梁上布满车辆时所谓最大可能的荷载作为最大设计荷载,而只能给出某地今后50年内发生超过七度或超过加速度0.1g的可能性不超过60%,超过八度或0.2g的可能性不超过10%,超过九度或0.4g的可能性不超过 2%,等等。当然给出这些量的同时,还可以给出与之相应的反应谱
13、或其他地震动量。在工程设计中可以和抗震设计相比拟的例子是洪水,如500年或1000年一遇的洪水,设计地震动量也可以用多少年一遇的方式来表示,如上述50年60%、10%和2%大体相当于80年、500年和1000 年一遇。1.2.3 地震作用的动态特征(参见第18 4节)地震动态作用的完整描述是:在三个平移和三个转动方向上各自的地震动加速度时程a(t)。这是一种理想,目前还无此可能。对于特别重要的工程,如核电厂,其抗震设计规范中才规定应该采用三个平移方向的地震动时程作为设计地震作用,对于特别重要的高楼和特大桥梁,一般则只要求考成一个或两个方向的地震动时程。 由于按地震动时程进行工程结构的动力分析是
14、一项复杂而费时的工作,所以对于一般工程。都采用简化了的动力分析方法,即反应谱法。现在看来,抗震设计对地震动的进一步要求是考虑反应谱的变化因素,并进一步用简化方式考虑地震动持续时间的影响。 1.2.4 工程安全性或抗震设计标准 这一问题包括两个方面,第一,如何判断或定义工程的抗震安全性,第二,如何选择适当的安全性,以得到安全与经济之间的平衡。 地震安全性的定义在近几十年内有了变化。开始人们只注意到地震时的人身安全,以工程结构是否破坏作为安全的唯一要求,即要求在结构的各构件设计中满处下式: f1+f2f0/u 式中,f1与f2分别是由常见荷载(如自重、室内货物、桥上车辆等)和地震作用引起的构件中的
15、内力,f0为此构件的强度,u为安全系数,一般略小于2。 但近几十年,人们对地震安全性的要求已从单纯的人身安全发展到工程功能安全的概念,简单地说,即要求所设计的工程在常遇(使用期内可能遇到几次)的小震下,工程基本无损,无需修理即可继续使用,在难得一遇的中震下,经修理后仍可继续使用而在不大可能遭遇的特大地震下,可以允许工程破坏,但仍不倒塌,以保证人身安全,地震后此工程可能报废:即所谓小震不坏、中震可修、大震不倒的功能要求。我国现行抗震设计规范就采用此原则,与小、中、大震的地震动相应的超越概率分别为50年内60%、10%和2%,即80年,500年和1000年一遇的地震动,小震不坏、中震可修、大震不倒
16、这样的安全要求是当前国际常用的标准,按此标准选定设计地震动的大小,以求得安全与经济的平衡,在原则上十分合理,但难以用定量分析导出其数值,主要困难在于各使用阶段的经济损失难以计算。为此。人们大多用经验性的方法来决定小、中、大震的超越概率的取值。现以我国现行的抗震规范为例说明如下。 在七八十年代,我国规范只采用一个中震,其大小由规范制定者和地震工作者按经验确定。当时的抗震设计规范有两个要求,即在给定的地震动下,进行强度和形变两项验算,如在八度地区,其对应的地震加速度为k-a/g=0.3,在强度验算时,设计地震动取为Ck,C约等于1/3,故Ck=0.1,按此进行强度设计;在验算结构变形时,要求在地震
17、动为k=0.3下的变形满足安全要求。这一方法可以归纳如下,在地震动k=0.1时,满足强度要求,保证结构不坏; 在地震动k=0.3时,满足形变要求,要求结构无严重破坏。 90年代后,日本和我国抗震设计规范均明确要求按两级地震动进行设计,如我国规范要求: 在地能烈度为1-1.55(小震)成地震系数为k/3时,进行强度校核,要求结构不坏;在地震烈度为I(中震)或地震系数为是k-a/g时,自动满足中震可修;在地震烈度为I+1(大震)或地震系数为(4 6)*k/3时,进行形变验算,要求结构不倒塌。 上述小、中、大震的定义,又被解释为其超越概率分别为50年内63%、10%和2%3%。这三种定量的定义(即烈
18、度差、地震系数和超越概率)在全国范围内大致可行,但是这种差别会因地区、因烈度高低而可能有很大的变化。例如在我国不同地区内,按超越概率定义的小、中震的烈度基可能在0.5 至2.5度,中、大震之差可能在0.5 至2度之间。对于一般工程,这种近似的简单处理是可行的,对于特殊的、重大的工程则需慎重。 真正的、定量的安全与经济的综合分析,目前尚未见应用于抗震设计规范的具体分析中。 1.3 抗震设计与设计地震动 工程抗震设计包括抗震构造措施和抗震计算分析两个方面。抗震构造措施以经验为主,根据经验提出一些关于工程构造上的规定。一类规定是对总体的要求,如要求房屋体形规整和整体性强,要尽量避免容易在强地震作用下
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