1.5 工程抗震设防标准和目标
1.5.1 地震烈度的概率分布
目前的科技水平还不能精确预测未来可能发生的地震情况，抗震设计采用的地震动强度一般是在历史地震资料统计基础上，综合周围断层活动性以及工程设施重要性来确定的。统计方法有两种，一是直接根据本地区的历史地震动强度资料进行统计，结合场地条件对地震动特性作适当的修正；二是根据该地区历史地震的震级和震源距统计数据，通过地震动距离衰减关系间接推断地震动强度。
在预测地震强度时，假定地震的发生是一个随机变量，在一定年限内，地震发生的次数、时间、空间和强度都是随机的。一般用地震烈度的年平均发生率、超越概率和平均重现期三个随机参数分析地震的危险性。
年平均发生率：地震烈度大于等于给定的地震烈度值的年平均发生率。
超越概率：在一定时期内，工程场地可能遭遇大于或等于给定的地震烈度值的概率。
平均重现期：地震烈度大于等于给定的地震烈度值的平均重现周期。
地震基本烈度是指某地区在今后一定时间内，在一般场地条件下可能遭受的最大地震烈度。我国根据华北、西北和西南地区的历史震灾记录以及地质构造等资料进行统计分析，定义设计基准期50年内超越概率为10%（重现期约474年）的烈度为该地区的基本烈度，一般称为中震烈度或基本地震烈度。此外，我国还定义了众值烈度、罕遇烈度的超越概率。
众值烈度：一般称为小震烈度或多遇地震烈度，以下简称为小震或多遇地震，其设计基准期50年内超越概率为63.2%（重现期50年）。
罕遇烈度：一般称为大震烈度或罕遇地震烈度，以下简称为大震或罕遇地震，其设计基准期50年内超越概率为2%（重现期约2475年）。
现行《中国地震动参数区划图》新增加了极罕遇地震烈度的概念，将50年超越概率为0.5%（重现期约9975年）的称为巨震或极罕遇地震。
众值烈度和罕遇烈度是相对于基本烈度的烈度概念。根据我国统计数据的概率分析，基本烈度与众值烈度差的平均值为1.55度，罕遇烈度比基本烈度高1度左右。四种烈度之间的关系如图1.5.1所示。
图1.5.1 四种烈度关系
1.5.2 地震动参数区划图
地震动参数区划图是以烈度和地震动参数为指标，将国土划分为不同地震危险程度或抗震设防等级的地图。区划图作为国家地震设防的基础性标准，与各行业（房屋、水利、交通、能源、化工等）抗震设计标准共同构成了建设工程抗震设防标准体系。我国从20世纪30年代开始做地震区划工作。自新中国成立以来，全国地震烈度区划图已经编制了五次（1956年、1977年、1990年、2001年、2016年），历经五代。第一代至第三代的名称为“地震烈度区划图”，第四代和第五代的名称为“中国地震动参数区划图”。
第一代区划图于1956年发布，给出了全国最大地震影响烈度的分布。
第二代区划图于1977年发布，是用中长期地震预测的方法编制的，给出了未来一百年内场地可能遭遇的最大地震烈度，被建筑抗震设计规范正式引用。
第三代区划图于1990年发布，采用了地震危险性分析的概率方法，以50年超越概率10%在一般场地条件下的烈度值进行区域划分。
第四代区划图于2001年发布，以50年超越概率10%的地震动峰值加速度和特征周期进行区域划分。
2016年发布的第五代区划图为现行《中国地震动参数区划图》，采用地震危险性分析的概率方法，明确了在基本地震、多遇地震、罕遇地震和极罕遇地震作用下地震动参数的确定方法，以地震动峰值加速度和地震动反应谱特征周期为指标，将国土范围划分为不同抗震设防要求的区域。
理论分析和震害分析表明，在同一烈度下，不同震级、不同震中距的地震引起的地震动特征不同，不同动力特征的结构损伤程度也不同。一般来说，在同一烈度下，震级较大、震中距较远的地震对长周期柔性结构的破坏比震级较小、震中距较近的地震更为严重。其主要原因是高频分量随传播距离的衰减快于低频分量随传播距离的衰减。震级大、震中远的地震波的主频是低频分量，接近长周期高柔性结构的自振周期，存在共振效应。为反映同一烈度下不同震级、不同震中距地震对结构的影响，采用不同的设计特征周期。
图1.5.2和图1.5.3分别为我国Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度和基本地震动加速度反应谱特征周期区划图。其中建筑场地根据《建筑抗震设计规范》划分为Ⅰ~Ⅳ4，Ⅰ类场地又分为Ⅰ0和Ⅰ1两个亚类（详见第2章）。
《中国地震动参数区划图》规定：
(1)多遇地震动峰值加速度宜按不低于基本地震动峰值加速度的1/3倍确定；罕遇地震动峰值加速度宜按基本地震动峰值加速度的1.6~2.3倍确定；极罕遇地震动峰值加速度宜按基本地震动峰值加速度的2.7~3.2倍确定。
(2)多遇地震动加速度反应谱特征周期可按基本地震动加速度反应谱特征周期取值；罕遇地震动加速度反应谱特征周期应大于基本地震动加速度反应谱特征周期，增值不宜低于0.05s。
(3)Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅲ、Ⅳ类场地的地震动峰值加速度应根据Ⅱ类场地的地震动峰值加速度进行调整，按下式确定
式中：amax为非Ⅱ类场地的地震动峰值加速度；amaxII为Ⅱ类场地的地震动峰值加速度；Fa为场地的地震动峰值加速度调整系数，可按表1.5.1所给值分段线性插值确定（注：《建筑抗震设计规范》还未引入场地地震动峰值加速度调整措施）。
图1.5.2 我国Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度区划图
[地图审图号GS(2012)710号，来自中国地震局网站]
表1.5.1 场地地震动峰值加速度调整系数
注：g为重力加速度。
(4)Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅲ、Ⅳ类场地的特征周期应按表1.5.2根据Ⅱ类场地的特征周期进行调整（注：《建筑抗震设计规范》仍采用设计地震分组方式，表1.5.2第一列的0.35、0.40和0.45分别对应于设计地震分组的第一组、第二组和第三组）。
图1.5.3 我国Ⅱ类场地基本地震动加速度反应谱特征周期区划图
[地图审图号GS(2012)710号，来自中国地震局网站]
表1.5.2 场地基本地震动加速度反应谱特征周期调整
（单位：s）
(5)当工程抗震设防或防震减灾需要以地震烈度作为地震危险性的宏观衡量尺度时，可根据Ⅱ类场地的地震动峰值加速度与地震基本烈度的关系确定地震烈度（见表1.5.3）。
表1.5.3 Ⅱ类场地地震动峰值加速度与地震基本烈度对照
注：g为重力加速度。
根据《建筑抗震设计规范》，场地地震烈度和地震动峰值加速度的关系见表1.5.4，其中极罕遇地震为《建筑隔震设计标准》规定的场地地震烈度和地震动峰值加速度的关系。
表1.5.4 场地地震烈度和地震动峰值加速度对照
（单位：cm/s2）
注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.3g的地区，g为重力加速度。
1.5.3 抗震设防分类和设防标准
由于不同行业的工程结构各有特点，其抗震性能和抗震要求也各不相同。根据结构使用功能的重要性、结构破坏对社会经济的影响，我国各类结构的抗震设计规范制定了相应的抗震设防分类和设防标准。
建筑物的抗震设防应按照《建筑工程抗震设防分类标准》确定其抗震设防类别及抗震设防标准。建筑抗震设防类别如表1.5.5所示，各类别建筑的抗震设防标准应符合下列要求。
特殊设防类（甲类）：抗震设防应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施，但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定地震作用。
重点设防类（乙类）：抗震设防应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施，但抗震烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按本地区抗震设防烈度确定地震作用。
标准设防类（丙类）：抗震设防应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。
适度设防类（丁类）：抗震设防允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，应按本地区抗震设防烈度要求确定地震作用。
表1.5.5 建筑抗震设防类别
《铁路工程抗震设计规范》、《城市桥梁抗震设计规范》和《公路桥梁抗震设计规范》根据桥梁在震后修复难易程度及其在交通网络中位置的重要性，将桥梁分为特殊设防类（甲类或A类）、重点设防类（乙类或B类）、标准设防类（丙类或C类）、适度设防类（丁类或D类）。
《城市轨道交通结构抗震设计规范》和《地下结构抗震设计标准》根据地下结构涉及国家公共安全和地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关程度，将地下结构分为特殊设防类（甲类）、重点设防类（乙类）、标准设防类（丙类）。
《水工建筑物抗震设计标准》根据水工建筑物重要性和工程场地地震基本烈度，将水工建筑物分为特殊甲类（1级—壅水和重要泄水，烈度≥6度）、乙类（1级—非壅水或2级—壅水，烈度≥6度）、丙类（2级—非壅水或3级，烈度≥7度）、丁类（4级或5级，烈度≥7度）。
1.5.4 抗震设防水准和设计方法
抗震设防的目的是减轻结构地震破坏、避免人员伤亡和减少经济损失。鉴于地震的发生在时间、空间和强度上都无法准确预测，保证结构在未来可能发生的地震中不受破坏是不现实和不经济的。抗震设防水准在很大程度上取决于经济和技术条件。为了达到经济与安全的合理平衡，抗震设防目标是对不同频率和强度的地震设置不同的抵抗要求。基于这样的设计思想，我国各类抗震设计规范制定了相应的抗震设防水准和设计方法。
《建筑抗震设计规范》采用三水准设防、两阶段设计。三水准抗震设防目标为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。
第一水准：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震（小震）影响时，主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用。
第二水准：当遭受本地区设防烈度的地震（中震）影响时，结构可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。
第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震（大震）影响时，结构不致倒塌或不发生危及生命的严重破坏。
根据上述三水准抗震设防目标的要求，在第一水准（小震）时，结构处于弹性工作阶段，因此可以采用线弹性动力理论进行结构的地震反应分析，以满足强度要求。在第二、第三水准（中震、大震）时，结构可进入弹塑性工作阶段，通过延性和能量吸收能力来抵抗地震作用。
两阶段设计方法为：
第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合计算结构构件的截面承载力；按多遇烈度对应的地震作用标准值计算结构的弹性变形，并进行弹性变形验算。
第二阶段设计：按罕遇地震烈度对应的地震作用验算结构的弹塑性变形。
第一阶段的设计保证了第一水准的强度要求和变形要求，第二阶段的设计旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求。第二水准的抗震设防目标主要通过抗震构造措施来实现。
采用隔震技术的建筑结构将非隔震建筑结构的“小震不坏，中震可修，大震不倒”提升为“中震不坏，大震可修，巨震不倒”，并按三阶段进行设计。
城市及公路桥梁工程采用两水准设防、两阶段设计的方法。第一阶段的抗震设计对应El地震作用，采用弹性抗震设计，要求结构处于弹性状态；第二阶段的抗震设计对应E2地震作用，要求主要桥梁在地震后具有需要的通行能力。城市轨道交通结构采用三水准设防、三阶段设计，分别对应于E1地震、E2地震和E3地震的抗震设防目标。地下结构采用四水准设防、二阶段设计，分别对应于多遇地震、设防地震、罕遇地震和极罕遇地震的抗震设防目标。水工建筑物采用一水准设防、一阶段设计。抗震设防的目标是确保在遭遇设计烈度地震时水工建筑物不会造成严重破坏，并防止其发生次生灾害。
本章习题
1.1 地震按其成因分为哪几种类型？简述世界地震带和我国地震带分布情况。
1.2 试述构造地震成因的局部机制和宏观背景。
1.3 什么是地震波？地震波有哪几种？各类波的传播速度大小关系如何？
1.4 地震动时程的三要素是什么？
1.5 什么是地震烈度？地震烈度与地震震级之间有什么相关性？
1.6 地震基本烈度的含义是什么？
1.7 抗震设防目标是如何确定的？
1.8 什么是建筑抗震三水准设防目标和二阶段设计方法？