中国与尼泊尔抗震设计规范主要地震动参数对比分析.pdf

铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）68随着中国和尼泊尔两国关系的深层次发展以及在中国共建“一带一路”倡议的推动下，中国在尼泊尔承担的铁路、道路和市政等工程项目日益增多，例如铁四院承担勘察设计的梅马铁路以及尼泊尔加德满都地铁 1 号线等，这些项目的岩土工程勘察与设计均需严格执行尼泊尔抗震标准或国际抗震标准1-2。受地理位置、地质条件、经济发展水平制约，中尼两国的抗震设计研究水平、设防标准以及设计地震动参数取值等均存在较大差异，有必要对其岩土工程地震动参数取值进行深入研究。尼泊尔依据美国抗震规范体系制订出尼泊尔国 家 建 筑 规 范National Building CodeNBC 105:中国与尼泊尔抗震设计规范主要地震动参数对比分析郑世龙（中铁第四勘察设计院集团有限公司国际事业部 武汉 430063）【摘 要】随着中国在尼泊尔承担的铁路等工程项目日益增多，了解中尼抗震设计中地震动参数取值异同，在满足尼泊尔抗震规范条件下进行工程抗震设计是非常重要的。通过对比中尼两国工程抗震规范，分析了尼泊尔国家建筑规范(NBC)的抗震设防标准、地震区划、场地类型和地震反应谱等相关内容并与中国抗震设计规范进行对比。最后，分别总结了中尼地震动参数选取方法。研究结果表明，NBC 规范将建筑物分为、和三个重要级别，将全国主要分为四个地震区，根据不排水剪切强度、剪切波速、标贯试验 3 个主要指标，将土壤划分 A、B、C、D 4 种类型；NBC 采用最大考虑地震及设计基准地震两级地震水准；NBC 将最大考虑地震下的反应谱，折减至设计基准地震，最后基于结构的延性情况进行最终折减得到最终设计反应谱。本文研究成果可为尼泊尔工程项目抗震勘察设计和施工提供参考。【关键词】尼泊尔 抗震设计 NBC 抗震设防标准 地震区划 场地类型 地震反应谱 地震动参数Comparative anysis on the main parameters of ground motions in seismic design codes in China and NepalZHENG Shilong(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd Wuhan 430063)Abstract:With the increasing number of railway and other engineering projects undertaken by China in Nepal,it is very important to understand the similarities and differences of the seismic design codes in China and Nepal and to carry out the seismic design of the project under the condition of meeting the seismic codes in Nepal.By comparing the seismic codes of China and Nepal,this paper analyzes the relevant contents of the national building code(NBC)of Nepal,such as the seismic fortification standard,seismic zoning,site type and seismic response spectrum,and the differences of the two countries seismic design codes.Finally,the selection methods of ground motion parameters in China and Nepal are summarized respectively.The results show that the NBC code divides buildings into three important levels:,and ,and divides the whole country into four seismic regions.According to the three main indexes of soil shear wave velocity,standard penetration test and undrained shear strength,the soil is divided into four types:A,B,C and D.NBC uses a two-magnitude earthquake scale,namely the maximum consideration earthquake and the design basis earthquake;NBC reduced the response spectrum under the maximum consideration of earthquake to the design reference earthquake,and finally made the final reduction based on the ductility of the structure to obtain the final design response spectrum.The research results of this paper can provide reference for seismic investigation,design and construction of engineering projects in Nepal.Key words:Nepal;seismic design;NBC;seismic fortification standard;seismic regionalization;site type;seismic response spectrum;ground motion parameter中国与尼泊尔抗震设计规范主要地震动参数对比分析 郑世龙692023 No.42020 Seismic Design of Building in Nepal（以 下 简 称NBC）。将我国工程抗震规范中主要地震动参数与尼泊尔进行比较，找出两者中间的区别和联系，可方便我国工程师较快掌握且应用当地抗震设计规定，正确选用不同抗震设计参数，在满足当地规范条件下进行工程抗震设计，有利于工程项目顺利开展。本文以 NBC 为蓝本，将 NBC 和中国规范中关于地震动参数设计理念、地震区划、场地类型和设计反应谱等多方面进行了论述及对比研究，以便更好理解和应用尼泊尔抗震设计规范，具有较强的工程意义和研究价值。本文研究成果可为尼泊尔工程项目抗震勘察设计和施工提供参考。1 抗震设防标准目前中国普遍采用 GB 50011-2010建筑抗震设计规范（2016 年版）和 GB 18306-2015中国地震动参数区划图等抗震设计规范，其中抗震标准和两图一表的相互结合为国标的基本特征。目前尼泊尔普遍采用尼泊尔国家建筑规范NBC。NBC 规范涵盖了在尼泊尔境内建造的各种建筑结构的抗震分析和设计要求。1.1 建筑重要性类别NBC 规范根据建筑物功能丧失的后果，将其分为、和三个重要级别，分别对应一个重要性系数。表 1 定义了不同的建筑物类别和相应的重要性系数。根据使用类别的不同，建筑物可以采用大于 1 的重要性系数来设计更高的地震力。1.2 抗震设防 标准建筑抗震设计规范中抗震设防标准可总结为：“大震不倒、中震可修与小震不坏”3。表 1 建筑物等级及重要性系数重要性等级建筑物重要性系数 I普通建筑物1学校、高校、电影院等设计容纳 500 人以上的任何其他建筑物。1.25医院、消防站、警察总部、发电站、天然气或石油产品的分配设施、存储或密封危险物质的建筑物1.5NBC 对于建筑物的抗震设计基本要求：结构的设计和构造应能承受设计地震力，不发生局部或整体破坏，从而保持结构的完整性、抗倾覆稳定性和地震后的剩余承载能力；关键设施必须处于运行状态，或在地震发生后不久（几分钟到几小时内）能够恢复到完全运行状态。NBC与 建筑抗震设计规范 抗震设防目标相似，规定在大震中结构不能倒塌，需保证地震后重要结构的工作性能，类似于建筑抗震设计规范中“大震不倒，中震可修”的抗震设防标准。2 地震动参数相关规定及对比分析2.1 地震区划建筑抗震设计规范是依据基于中震条件下50 年超越概率 10%的地震基本烈度将我国划分为四个区（6 度、7 度、8 度、9 度），然后按小震条件下每个区 50 年超越概率 63%的众值烈度的地面运动加速度峰值来计算地震作用4。NBC 地震水准有两级，即设计基准地震与最大考虑地震。最大考虑地震是基于 2500 年重现期的地震动，即 50 年超越概率 2%。NBC 按照地震危险性将尼泊尔全国划分为不同的地震分区，并且假定每个区域内的地震危险性是恒定的，全国主要分为四个地震分区，给定各区域最大考虑地震下的地震分区系数 Z。地震分分区系数 Z 代表 475 年重现期的地面峰值加速度（PGA），部分城市地震分区系数详见 NBC规范。水平地面峰值加速度除以重力加速度即为地震分区系数。最后将最大考虑地震条件下的分区系数乘以 1/2 即为设计基准地震条件下的分区系数。常规设计中考虑的地震地面运动，可取对应最大考虑地震的2/3。2.2 场地类型建筑抗震设计规范根据覆盖层厚度与剪切波速，将场地分成四种类型（类包含两个亚类：I0 与I1），其中覆盖层厚度最大为 20m5。尼泊尔 NBC 根据土的不排水剪切强度、剪切波速、标贯试验 3 个主要指标，按照场地土的性状将土壤划分 A、B、C、D 共 4 种类型，其中覆盖层计算厚度也为 20m。中国标准与尼泊尔NBC土层分类基本原则一致，但参考指标不相同。中标侧重用波速，尼泊尔 NBC侧重用标贯和不排水抗剪强度判别，执行较方便，黏铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）70性土的分类如不排水抗剪强度可按经验或 Skempton经验公式通过 SPT 换算。中标与尼泊尔 NBC 的最大波速接近。中标软弱土最大波速调整到 150m/s，偏安全考虑，同时与国际接轨，硬质岩石接近尼泊尔NBC。中标不涉及等级，只有土类的定名，仅有场地才确定等级，场地分类采用双参数确定。尼泊尔 NBC波速一般为英制单位，存在单位换算的问题。2.3 地震反应谱在既定地震加速度作用下，单质点自振周期对质点体系弹性最大反应的影响曲线即为地 震反应谱。但针对多质点体系，两者为近似关系。在各国抗震标准中，弹性反应谱理论仍是目前抗震设计的最基本理论6-7。2.3.1 水平方向弹性反应谱地震引起的随机地面运动一般可分解为三个正交方向，主要分量通常在水平方向。NBC 规范定义水平方向弹性反应系数 C(T)采用下式（1）计算：C(T)=Ch(T)ZI（1）式中：Ch(T)反应谱形状系数；I重要性系数，取值见表 1；Z地震分区系数，取值见 NBC 规范；其中，不同土壤类型的反应谱形状系数 Ch(T)可通过等效静力法（图 1）、模型反应谱法或非线性时程法（图 2），或通过式（2）（4）获取：图 1 Ch(T)等效静力法 图 2 Ch(T)模型反应谱法、非线性时程法?ahTTTC?11)(?（T Ta）（2）Ch（T）=（Ta T Tc）（3）?22-1)(?TTTTKKTCcch?（Tc T 6）（4）式中：PGA 经标准化后的峰值谱加速度，取值见表 2；Ta、Tc恒定反应谱谱加速度的周期下、上限，取值见表 2；K反应谱控制下降段的系数，取值见表 2；表 2 不同场地弹性反应谱的相关系数场地土类别Ta(s)Tc(s)(s)K(s)A0.10.52.51.8B0.10.72.51.8C0.11.02.51.8D0.52.02.250.8那么，正常使用极限状态的设计场地弹性反应谱系数 CS(T)：CS(T)=0.20C(T)（5）2.3.2 竖向弹性反应谱NBC 规范定义在以下情况时需要考虑竖向地震作用产生的影响：1）水平或近水平结构构件且跨度不小于 20m；2）水平或近水平悬臂构件且长度超过 5 米；3）用于水平或近水平预应力构件；4）梁支撑柱；5）隔震结构。其场地竖向弹性反应谱系数 CV(TV)采用下式计算：CV(TV)=2/3Z（6）在地震动作用下的加速度响应谱系数即为尼泊尔NBC 结构加速度响应谱系数，即场地放大系数，由结构阻尼和结构自振周期共同决定。当阻尼比为 5%时，图 1 和图 2 均为结构加速度响应谱曲线，表 2 为各分段曲线的取值。当结构阻尼比不为 5%时，需根据阻尼比修正系数，修正反应谱曲线形状。中标设计反应谱是基于小震条件下得到的，但NBC 设计反应谱不同。NBC 将最大考虑地震下的反应谱，折减至设计基准地震，最后基于结构的延性情况进行最终折减。但从折减角度来看，中标和 NBC具有相似折减过程。中标将大震条件下的反应谱折减至中震条件下（折减系数为 2/5 3/5），最后乘上10/29 折减系数即为最终设计反应谱，这与基于中标小震条件下的反应谱相同。3 地震动参数获取流程3.1 中国规范地震动参数获取流程中国规范地震动参数：峰值加速度（以下简称中国与尼泊尔抗震设计规范主要地震动参数对比分析 郑世龙712023 No.4PGA）、加速度反应谱特征周期、加速度反应谱平台值。一般工程均可通过中国地震动参数区划图GB18306-2015 来确定地震动参数。（1）地震动峰值加速度的确定a.依据中国地震动参数区划图第 6.1 条，附录 A 或附录 C，确定类场地下基本地震动 PGA 分区值；b.依据中国地震动参数区划图第 6.2 条，确定类场地下各级地震动水平对应 PGA。其中，多遇地震动 PGA 取值宜不小于 1/3 倍基本地震动 PGA，罕遇地震动 PGA 宜为 1.6 2.3 倍基本地震动 PGA，极罕遇地震动 PGA 宜为 2.7 3.2 倍基本地震动 PGA。本项要求只用于计算类场各级地震动 PGA，根据(c)来确定其他类场地地震动 PGA。c.依据中国地震动参数区划图第 8.1 条，附录 E，确定各级地震动和各类场地下 PGA。（2）确定地震动加速度反应谱特征周期a.依据中国地震动参数区划图第 7.1 条，附录 B 或附录 C，确定基于类场地下基本地震加速度反应谱特征周期分区值；b.依据 中国地震动参数区划图 第8.2条，表1，确定各类场地下基本地震加速度反应谱特征周期；c.依据中国地震动参数区划图第 7.2 条，确定各类场地、各级地震动的加速度反应谱特征周期。基本地震动与多遇地震动加速度反应谱特征周期值相等，但应低于罕遇地震，罕遇地震下增大值宜不小于 0.05s。极罕遇地震动特征周期取值未在规范中明确。（3）地震动加速度反应谱最大值确定当阻尼比为 5%时，标准化地震动加速度反应谱最大值乘以 0.4 倍的系数即为地震动 PGA。也就是地震动 PGA 乘以 2.5 倍系数即为加速度反应谱最大值。3.2 尼泊尔规范地震动参数获取流程尼泊尔规范地震动参数包括：地震动 PGA 与地震动加速度反应谱特征周期值 Tc。地震动参数获取流程如下：第一步：查 NBC 规范中尼泊尔地震分区图或尼泊尔城市地震分区系数表，获取地震分区系数，也即地震动峰值加速度 PGA，则设计地震动峰值加速度为2/3PGA；第二步：根据岩土资料确定场地土类型，根据不同场地土类型，确定反应谱系数特征周期 Tc。4 结论本文从建筑重要性类别和抗震设防标准两方面系统对比中尼抗震设计规范中地震动参数设计理念，从地震区划、场地类型、地震反应谱、地震动参数取值等若干方面进行全面比较。通过本文的对比研究，主要得出以下结论：（1）NBC 与建筑抗震设计规范抗震设防目标相似，规定在大震中结构不能倒塌，需保证地震后重要结构的工作性能。（2）NBC 采用两级地震水准，即最大考虑地震与设计基准地震，且将全国划分为四个主要地震区。（3）中标与 NBC 土层分类基本原则一致，但中标侧重用波速，NBC 侧重采用标贯和不排水抗剪强度判别。（4）中标设计反应谱是基于小震条件下得到的，但 NBC 设计反应谱不同。NBC 将最大考虑地震下的反应谱，折减至设计基准地震，最后基于结构的延性情况进行最终折减。（5）中标可直接通过查表和图，得到基于类场地下的设计地震动PGA与地震动反应谱特征周期，最后依据实际场地的类型来调整，而尼泊尔 NBC 查找得到的地震动 PGA 必须乘上 2/3 才为设计地震动PGA。参考文献1 潘毅，王忠凯，曲哲，赵崇锦.尼泊尔自建 RC框架结构的抗震能力分析 J.西南交通大学学报，2019，54(02)：304-312.2 王忠凯.尼泊尔 Ms8.1 级地震民居震害调查与自建RC 框架的抗震能力分析 D.西南交通大学,2017.3 李凤琼,罗志文.中美抗震规范的对比研究 J.云南水力发电,2016,32(06):121-125.4 陈亮,陈昌斌,王庶懋.中欧抗震设计规范的对比J.武汉大学学报(工学版),2013,46(S1):129-134.5 杨森.中日桥梁抗震设计规范关于延性设计验算规定的对比研究 D.青岛理工大学,2022.DOI:10.27263/ki.gqudc.2022.000594.6 张萌,潘华,李金臣.美国建筑抗震设计的法规体系与设计地震动的确定 J.震灾防御技术,2017,12(02):306-318.7 杨吉新,张钦文,李科文.波形钢腹板 PC 连续梁桥地震反应谱分析 J.公路与汽运,2019(02):114-117.收稿日期：2023-2-16