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美国地震区划图的发展——地震危险性图与抗震设计图
美国地震区划图的发展——地震危险性图与抗震设计图
潘华*, 张萌, 李金臣
(中国地震局地球物理研究所,北京 100081)
 [收稿日期]: 2017-04-18
摘要

在过去的数十年里,美国地震区划图随着建筑抗震设计需求而不断发展变化,从最初的一张图发展成现今抗震设计图和地震危险性图两图共生的形式。地震危险性图主要反映依据地震科学认识与基础观测资料评估得到的国土地震危险性分布,抗震设计图则继承了传统地震区划图的主要功能,反映国土范围内建筑抗震设计所需地震动设计参数的分布,服务于建筑设计。依据抗震设计需求,美国地震区划图的演化过程可划分为地震系数分区区划、设计地震地震动区划和最大考虑地震地震动区划3个阶段,各阶段均始于地震危险性图的改进,并以抗震设计理念与方法的更新换代以及与之相适应的抗震设计图的编制为标志。本文总结了美国地震区划图的演化历程,对地震危险性图与抗震设计图发生变革的技术原因、主要特征、应用意义及其影响进行了重点的分析与论述。



引言

地震区划图,从一开始就是为量大面广的一般性建筑工程的抗震设计服务的,它根据对未来地震危险性的评估,将国土按地震危险性程度进行划分,并用抗震设计所采用的地震动设计系数进行标定。例如,我国20世纪50年代编制的第一代地震区划图(李善邦,1957),就是为了填补当时我国对国土地震危险性评价的空白,以满足新中国大量开展的建设工程抗震设防的需要。地震区划图在满足工程抗震设计需要的同时,由于其所具有的地震危险性分区信息,也逐渐为一些关注未来地震危险性分布的其他领域所看中,如地震保险、地震灾害风险评估、各类国土规划等,这也导致地震区划图的应用范围不断地扩大。然而,地震区划图面向抗震设计的属性,造成地震区划图具有一些固有的特征,并使得其向其他应用领域的扩展受到局限。例如,地震区划图往往存在设计地震动参数的上限值,这是工程建设权衡考虑抗震花费和地震风险水平的结果,我国以前的地震烈度区划图不考虑基本烈度Ⅸ度以上的区划,后来的地震动参数区划图不考虑0.4g以上的区划;又如,地震区划图常采用地理分区和分区地震动代表值的区划方式,这只能简单、概略地反映各地地震危险性和地震动特征,不能反映各地实际的地震风险水平与地震动特征;再如,地震区划图往往只表达单一风险水平下的抗震设计相关的地震动参数,这是由于当前主流的抗震设计方法只需要利用地震区划图来确定设计级地震动参数或与其有确定性比例关系的相关地震动参数(如最大考虑地震(MCE)地震动等),等等。因此,地震区划图面临新的进步和发展需求。在我国,除了上述需求外,抗震设计理念和方法的进步对地震区划图发展的需求也正变得迫切。

美国地震区划图的发展演化历程,就充分体现出地震区划图的变革与抗震设计及其他应用需求发展的关系。美国地震区划图,最初也只是单一地为了满足国土范围内一般性建筑抗震设计的需要,在历经了数十年的发展后,逐渐演变形成以抗震设计图(Seismic Design Map,简称SDM)和地震危险性图(Seismic Hazard Map,简称SHM)构成的地震区划图,呈现出与我国地震区划图非常不一样的面貌,代表了国际上地震区划图发展的一个方向。美国地震区划图中的SHM是基于地震科学的国土地震危险性评价结果,其构成了SDM的基础;SDM则继承了以往地震区划图的主要功能,重点考虑匹配建筑和结构抗震设计的标准、理念、方法、经验与政策需求。SHM确保了SDM的来源明确,除了能够更好地满足建筑抗震设计需要外,还为地震区划图在其他需要考虑地震风险的领域的应用提供了地震风险来源一致的基础数据。美国地震区划图的变革,与美国抗震设计标准和抗震设计方法的发展,以及地震危险性评价方法的进步息息相关。本文在大量文献阅读和研究的基础上,详细解读了美国地震区划图的发展与演化进程,分析了地震危险性分析技术和建筑抗震设计理念与方法的创新,以及两者相互促进,对美国地震区划图发展的推动,期望能够为我国地震和地震工程科研人员更好地了解和认识美国地震区划图的特点,以及地震区划图、地震危险性评价与抗震设计的关系,为我国地震区划图和抗震设计地震动的相关研究提供帮助。

1 地震危险性系数分区区划(1928—1977)
1.1 地震危险性系数分区区划图简介

美国自1927年的UBC规范起开始考虑抗震设计。当时,美国还没有开始全国性地震危险性区划工作,这对大量建筑工程的抗震设计带来困扰,没有可应用的对一个地方将来可能遭遇到的地震作用的科学评估。因此,UBC规范只能简单地取建筑重量W的7.5%(在较软的场地上为10%),作为建筑基底侧向地震力用于抗震设计的计算(Beavers,2002)。

1928年,美国地震工程学家首次编制了包含西部11个州的地震区划图,将美国西部按地震危险性由弱到强划分为1、2、3这3个分区,并以地震危险性系数C标定其地震危险性程度,1区的C值为0.02(较弱场地为0.04),2区取为1区的2倍,3区取为1区的4倍。该图被1935年版的UBC规范采用,且规定建筑基底侧向地震力F=CWBeavers,2002)。可见,从一开始美国的地震区划图就是直接面向建筑抗震设计应用的。

1948年,美国海岸和大地测量局(USCGS)编制并发布了美国第一张全国性的地震区划图,该图将全美划分为0、1、2、3这4个分区,0区为地震活动不会造成破坏的区域,1区为地震活动造成轻微破坏的地区,2区为地震造成中等破坏的地区,3区为地震活动造成严重破坏的地区。1949年又发布了该图的修订版(Roberts等,1950),图中1区到3区的地震危险性系数取值分别为0.25、0.5、1(胡聿贤,1988)。

1969年,USCGS再次发布了新的地震区划图(Algermissen,1969),当时称为美国地震危险性图(Seismic Hazard Map),与1949年的图一样,采用4个分区划分。

1.2 地震危险性系数分区区划阶段的基本特征

本阶段具有代表性的地震区划图是美国海岸和大地测量局(USCGS)编制并发布的1949年版美国地震区划图,其基本特征表现为:以历史地震破坏程度衡量地震危险性;以分区形式对地震危险性进行区域划分;以地震危险性系数标定地震危险性等级,作为地震区划图编图参数。

2 设计地震地震动区划(1978—1996)

1971年San Fernando M6.5地震后,美国减轻地震灾害影响的意识显著增强。20世纪70年代早期开始,美国地质调查局(USGS)正式接手全美的地震危险性评估,这是美国减轻地震灾害方面具有里程碑意义的事件,地震学家的全面参与,使得大量关于地震、地球物理、地质构造方面的最新理论与研究成果,以及地震、地质、强震动记录资料得以应用于地震危险性的评估,发展出新的概率地震危险性评价方法,提出了新的地震危险性概率表达方式。与此同时,1973年美国加州结构工程师协会(SEAOC)创建了应用技术委员会(ATC),开展抗震设计新方法研究与国家抗震设计指南的编制。

2.1 设计地震地震动区划图

1976年,USGS出于更新老版地震区划图的目的,发布了国家地震危险性图(National Seismic Hazard Maps),简称NSHM 1976,以50年不超越概率90%的地震动峰值加速度等值线表达地震危险性(Algermissen等,1976)。该图相较以往出现了几个重要的变化,一是采用了概率表达形式,体现了地震动的风险水平;二是直接以各地实际的地震动峰值加速度表示未来地震危险性的大小,而不是人为给定的地震危险性系数;三是采用等值线取代了以往的分区形式,这也是各地实际地震动影响表达的较为合理的形式。NSHM 1976的编制对抗震设计方法带来巨大冲击,主要体现在两个方面,一是50年不超过概率90%的地震动峰值加速度,与以往分区的地震危险性系数是否相当;二是某些地区地震动峰值加速度要远远超过以往采用的地震危险性系数值,比如加州沿岸的高地震活动区,这势必带来建设费用的极大提高,甚至导致无法进行合理的抗震设计。地震工程学家与工程师虽认可NSHM 1976这张图的科学性与合理性,却困扰于当时的抗震设计方法尚无法利用这张概率表达的地震动图。

1978年,ATC发布了其研究报告ATC 3-06——《用于建筑抗震法规制定的试行规定》(Tentative Provision for the Development of Seismic Regulation for Buildings),该报告提出了许多开创性的抗震设计概念、程序、方法以及试验性设计,对以后美国乃至世界抗震设计理论与实践发展都具有重要的影响。ATC 3-06报告中对抗震设计也提出了新的理念和方法,它认为:地震区划图应直接采用地震动参数表达,不应再采用分区的地震危险性系数;要考虑远场地震动对长周期结构的影响;抗震设计应采用地震动反应谱,且应以简洁的形式表达;抗震设计应更加关注导致人员伤亡的结构失效概率,其与地震动发生的频率相关,不一定是不被超越的最大地震动,在结构寿命期内是可能被超越的(ATC,1978)。由此,ATC 3-06报告提出,抗震设计采用的地震动不能完全依赖于地震危险性分析的科学评定过程,而应当包括一些主观的经验判断,这是因为当前关于地震的科学认识水平存在局限性,科学家运用现有知识来评价地震动水平存在较大的不确定性;同时抗震设计采用的地震动一定是地震动发生的风险性与通过设计让结构具备抗御此地震动能力所需的花费之间的一种均衡。为此,ATC 3-06报告采用“设计地震地震动”(Design Earthquake Ground Motion)来表述抗震设计需要的地震动参数,并采用了简便的地震动反应谱表示方法,以等效峰值加速度系数Aa和等效峰值速度系数Av来描述地震动短周期段和长周期段的特征,并配套了相应的抗震设计方法(ATC,1978)。Aa是由加速度反应谱0.1—0.5s周期谱值的平均值确定的有效峰值加速度(EPA)的无量纲系数,Av是有效峰值速度(EPV)的无量纲系数,与1s左右的加速度反应谱值成正比,通过采用Av系数来考虑低频地震动对柔性建筑的影响,Av可依据Aa确定(ATC,1978胡聿贤,1988)。ATC 3-06报告的抗震设计方法,对设计地震动参数提出的要求是突破性的,在当时并没有一张地震区划图能够满足这一抗震设计方法的需求,于是,ATC 3-06报告以USGS的NSHM 1976相关数据为基础,重新计算确定了AaAv系数在全美的分布,并以这两个地震动参数的等值线形式,编制了供建筑抗震设计使用的地震区划图,并称为“抗震设计图”(Seismic Design Maps,简称SDM),以区别于USGS编制的“地震危险性图”。该图标称具有50年超越概率10%的水平,但实际上图中的值并不具有同等的地震风险(ATC,1978),本文中将该图称为SDM 1978。与NSHM 1976的PGA图相比,SDM 1978中的Aa等值线位置与系数值均有一定的差异,最大的变化出现在加州地震活动最为强烈的地区,该地区Aa最大值没有超过0.4,而PGA最大值却达到0.8g,对此,ATC 3-06报告认为,其中一个重要的原因是峰值加速度与等效峰值加速度的差异,另外,也考虑到建筑规范即使要求针对0.4g以上加速度进行设计,现实中也不会真正使建筑物抗震性得到更多的提升,因此,确定0.4作为Aa的上限值,有一定的科学依据,也包含有专家的综合判断(ATC,1978ANSI,1982)。地震学家虽然认同在像加州沿岸地区这样具有高强度地震活动的地区取过高的设计地震动值是不可行的,也认同SDM 1978的表示方式,但同时也认为对地震危险性评估结果进行这样主观的上限截断缺乏足够的依据(ANSI,1982)。

NSHM 1976和SDM 1978的编制,意味着美国地震区划图向现代化转型的开始。美国以前的地震区划图是根据未来地震危险性的评价结果,以符合抗震设计需要的地震系数来标定的,反映了建筑应通过设计达到的抗震能力,但不能充分反映或只能粗略地反映地震危险性(如,地震危险性等级或代表值)。当抗震设计开始强调采用实际地震动参数时,原有地震区划图形式就不适用了,并且也给抗震设计带来较大的不确定性。NSHM 1976的编制,强化了地震区划图地震危险性表达的能力,却不能完全适应抗震设计的需要,因此,促成了SDM 1978的编制以实现地震区划图原有的抗震设计地震系数表达的功能。这开创了美国地震区划图的双图模式,开始明确区分SHM和SDM,同时增强了地震危险性表达和抗震设计地震参数表达两方面能力,有利于地震危险性评价技术与方法、抗震设计理念与设计方法两方面的进步与发展,而且,对地震危险性表达能力的提升,也使地震区划图能够更好地服务于关注地震危险性的其他应用领域,如地震保险、地震灾害评估等。

1978年,国家地震灾害减轻计划(NEHRP)设立,在其支持下,美国联邦应急管理局(FEMA)所属的建筑地震安全委员会(BSSC)在ATC 3-06报告的基础上开发了新的面向全国的抗震设计指南——“NEHRP关于新建筑与其它结构抗震条款建议”(简称NEHRP Provisions),并于1985年开始定期发布。NEHRP Provisions的出现,基本上统一了美国建筑抗震设计方法和设计地震荷载的确定,使美国地震区划图的更新与应用开始紧密联系于NEHRP Provisions的版本更新。

SDM 1978自发布以后,虽经历了数个版本的NEHRP Provisions更新,但其一直没有被替代而沿用至1996年,时间跨度近20年,对美国建筑抗震设计产生了巨大的影响。这期间,由于地震、地质资料的更新、地震危险性评价技术和方法的改进,以及地震强震动记录的积累与地震动衰减研究方面的进展,USGS于1982年、1990年又编制并发布了两版新的NSHM,采用了50和250年超越概率10%等多个概率水平、地震动峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)两个地震动参数(Algermissen等,1982, 1990),使得美国地震区划图的SHM编制进入多概率阶段。这些图由于理念的创新而暂时没能被接受,但NEHRP Provisions在版本更新过程中,一直在评估和探讨新的可以应用这些新NSHM图的抗震设计方法。1991年,USGS为了更加配合抗震设计,首次编制了地震危险性一致地震动加速度反应谱值图,采用50和250年超越概率10%的加速度反应谱(阻尼比5%)0.3s和1.0s周期点谱值,给定的场地条件为硬土场地(Algermissen等,1992)。该图是首次采用概率一致的实际地震动加速度反应谱进行地震危险性编图,期望改进AaAv参数表达地震动的缺点,但由于没有充分的时间对新图开展评估和研究,该图同样没有被NEHRP Provisions的更新版本所采纳。

2.2 设计地震地震动区划阶段的基本特征

本阶段地震区划图以ATC 3-06报告中发布的SDM 1978和USGS发布的NSHM 1976两张图为代表,具有以下一些重要特征:

(1)地震区划图进入SDM和SHM构成的双图模式时代,以SHM表达对各地地震危险性的真实评价,以SDM表示各地建筑抗震设计中所关注的相关地震动水平,使得两者可以并行发展。而且,双图模式也能够更好地适应抗震设计法规相对稳定,对新技术采纳较为谨慎,而地震危险性评价随资料、认识和方法发展更新较快的特点。

(2)建筑抗震设计以防止在设计地震地震动作用下建筑结构产生危及生命的破坏为主要目标,SDM以设计地震地震动为参数,风险水平相当于50年超越概率10%,如SDM 1978中标示的AaAv。基于这一重要特征,本文将地震区划图的这一时期称为设计地震地震动参数区划时期。

(3)地震区划图中的SHM开始采用概率地震危险性表达方式和实际地震动的等值线区划方式。

(4)地震区划图中的SDM开始采用设计地震动反应谱双参数控制点的表达方式,开始关注长周期地震动特征的影响。

3 最大考虑地震地震动区划(1997年—2017年)
3.1 最大考虑地震地震动区划(1997年—2008年)

如前所述,美国地震区划图分别于1982年和1990年先后发布了两版NSHM,SDM虽一直在进行更新的尝试,但由于使用新NSHM图件的抗震设计方法不够成熟而一直没有完成正式的更新。在进入1997年版NEHRP Provisions的更新周期后,FEMA、BSSC和USGS于1993年联合提出了一项协作计划PROJECT 97,要在新版NEHRP Provisions的更新中,解决已经使用了近20年的SDM的更新换代问题。该计划有两大目标:① 编制新的NSHM,采用一致的基准表述整个国家的地震危险性;② 在NSHM基础上,确定全国统一的抗震设计标准,用作各类抗震设计条款与指南的统一输入(Beavers,2002)。

3.1.1 最大考虑地震地震动区划图

依PROJECT 97计划,USGS于1996年发布了NSHM 1996。该图采用了50年超越概率2%、5%、10%这3个概率水平,阻尼比5%的地震动加速度反应谱0.2s、0.3s和1.0s周期点谱值以及PGA,给定的场地条件为场地土类B类与C类分界场地,相当于V30剪切波速为760m/s的硬岩场地(USGS 1996)。NSHM 1996在地震危险性图编制的历史上,也是一次重大的转变,正式采用地震动加速度反应谱周期点谱值进行地震危险性编图,这意味着NSHM开始更加全面地反映各地实际地震动的特征。

同时,依PROJECT 97计划,BSSC为能够利用NSHM新成果来更新SDM,并发展相应的新的抗震设计方法,专门成立了抗震设计方法组(Seismic Design Procedures Group,简称SDPG)。SDPG依据USGS的工作,对全美许多城市的地震动危险性曲线进行了分析,发现不同地区地震动超越概率曲线的斜率存在较大的差异,这意味着随着超越概率的变化,地震动变化的幅度在地区之间是不一致的,在美国西部加州海岸地区50年超越概率2%的地震动值大约是50年超越概率10%地震动值的1.5倍,而在美国其它地区,两者的比值在2.0到5.0之间甚至更高,因此,以往依50年超越概率10%地震动进行抗震设计的建筑,不能保证其抗倒塌地震动风险水平在全国范围内基本相当(Leyendecker等,2000)。也就是说,在遭遇超过设计地震动水平的大地震动(如2500年一遇的地震动)作用时,同样依NEHRP Provisions进行抗震设计的建筑,在一些地区不会发生倒塌,而在另一些地区会发生倒塌。据此,SDPG认为应另选能够满足抗倒塌抗震设防目标的设计地震动确定标准。结构抗震设计中通过采用一定的抗震裕度来确保实现设计级地震动设计性能目标的实现,这也相当于为结构提供了抗御超设计水准地震动的能力。保守估计,这一抗震裕度应至少是设计地震动的1.5倍(FEMA,1998)。基于此,SDPG提出了一个在抗震设计中使用的新的地震动标准——“最大考虑地震”(Maximum Considered Earthquake,简称MCE)地震动,代表一个合理设计的结构所能承受地震动的最高水平,是抗御超越设计地震动的最大能力。MCE地震动和设计地震地震动的比值即为抗震裕度,新版的NEHRP Provisions中取为1.5,依此比值由通过MCE折算确定设计地震地震动,这样能够使全美范围内经抗震设计的所有建筑达到同样的抗倒塌地震风险水平。那么MCE采用怎样的概率水平合适?考虑到美国西部加州海岸地区是强地震活动区,建筑抗震设计承受住了多次大地震,以该地区大型活动断裂上的特征地震地震动估计均值的1.5倍(且不应小于50年超越概率2%地震动)作为该地区MCE地震动是合理的,而其风险水平大致相当于美国其他地区50年超越概率2%—5%,因此,美国其他大部分地区就以50年超越概率2%地震动作为MCE地震动(FEMA,1998)。

基于SDPG的上述成果,FEMA于1997年发布了新版1997 NEHRP Provisions,正式采用以MCE地震动为参数编制的抗震设计图SDM 1997,图中地震动参数为阻尼比5%的MCE地震动加速度反应谱在0.2s和1.0s周期点处谱值,场地条件为B类,并规定MCE地震动是设计地震地震动的1.5倍(FEMA,1998)。由此,SDM 1997也正式取代了SDM 1978。

从1996年以后USGS开始每隔6年更新一版NSHM,2002年发布了更新版NSHM(Frankel等,2002),NSHM 2002主要更新了地震、地质、地球物理场等基础资料,地震源模型、地震动预测模型等,图件的表示形式没有本质变化,但是2003 NEHRP Provisions在NSHM 2002的基础上修订编制的SDM 2003,增加了TL长周期转换点图,用于改善长周期部分谱形,特别是对于较软的场地(FEMA, 1998, 2001, 2004)。

3.1.2 最大考虑地震地震动区划阶段的基本特征

本阶段地震区划图以FEMA发布的1997版NEHRP Provisions中的SDM 1997和USGS发布的NSHM 1996两张图为代表,具有以下一些重要特征:

(1)地震区划图中的SDM开始依据最大考虑地震(MCE)地震动编制,而不直接表示为设计级地震动。MCE地震动在全美各地的概率水平大致相当(约50年超越概率2%),在保证全美经抗震设计的建筑结构具有大致相当的抗震裕度的目标下,设计级地震动不再具有一致的概率水平。

(2)地震区划图中的SDM开始以实际地震动加速度反应谱0.2s和1s周期点谱值编制,而不是AaAv代表性系数;

(3)地震区划图中的SHM开始编制不同概率水平下的地震动反应谱多个周期点谱值图,以更好地反映地震动特征并更好地配合SDM的编制。

3.2 基于目标风险的最大考虑地震地震动区划(2009年至今)

2008年,USGS发布了更新版NSHM(Petersen等,2008),更新了基础资料、地震源模型、地震动预测模型等,图件形式没有变化,依然是50年超越概率10%和2%的地震动加速度峰值与加速度反应谱0.2s和1s周期点谱值图,为2009年NEHRP Provisions的更新奠定了基础。

3.2.1 基于目标风险的最大考虑地震地震动区划图

经抗震设计的建筑在遭遇到不超过MCE地震动作用时并不能保证不发生倒塌,只是统计意义上经抗震设计的建筑倒塌概率应该相对较低,例如,小于10%。然而,随着考虑MCE抗震设计应用的深入,地震工程学家们逐渐认识到,经MCE抗震设计后的建筑其抗倒塌能力还是具有相当的不确定性,导致并不能保证在遭遇不超过MCE地震动作用时建筑倒塌概率小于10%。不确定性产生原因首先在于地震动特征的复杂性与不确定性,如,地震动时程特征,这导致地震动对建筑物的作用也具有不确定性;另一个重要的原因在于建筑在设计与建造过程中一些因素不可预知的不确定性,如,建造质量、建筑材料及其性质的稳定性、工程措施实施状况等等,这也会导致建筑在性能上存在不确定性。这些不确定性的客观存在,意味着依MCE地震动进行的抗震设计,难以保证全美建筑物倒塌风险水平达到一致。基于上述考虑,在2009 NEHRP Provisions的更新中,SDPG提出了基于目标风险的最大考虑地震(MCER)地震动概念以取代MCE地震动。

SDPG考虑地震倒塌风险的基本思想,是将对地震动产生风险的评估结果与对地震动导致建筑倒塌风险的评估结果进行叠加,前者就是地震危险性概率分布,后者设定为一个对数正态分布,叠加的方式是在概率地震危险性分析的积分计算公式中再叠加一个对数正态分布概率密度函数的积分,计算输出地震倒塌危险性曲线,这样给定地震倒塌目标风险水平,就可以得到相应的地震动(FEMA,2009)。2009 NEHRP Provisions中,给出的建筑地震倒塌对数正态分布的标准差为0.8,且概率地震动反应谱周期点谱值的地震倒塌概率为10%。在确定MCER地震动时,设定目标风险水平为50年地震倒塌概率1%。全美大部分地区可直接采用概率方法确定MCER地震动,在美国西部大型活动断裂控制的高水平地震活动地区,如加州海岸地区,需要依据活动断裂的特征地震大小及其不确定性,以确定性计算得到的地震动的84%分位数结果,来确定MCER地震动(FEMA,2009张萌等,2017)。

2009 NEHRP Provisions中给出了概率法直接计算MCER地震动和通过MCE地震动与风险系数CR间接计算MCER地震动两种计算方案(CR为概率法计算得到50年地震倒塌概率1%目标风险地震动与概率法计算得到的MCE地震动之比),并在NSHM 2008基础上编制了抗震设计图SDM 2009,该图包括以下5种图件(FEMA,2009):

① 概率一致地震动(Uniform-Hazard Ground Motion,UHGM)图,UHGM图为B类场地50年2%超越概率5%阻尼比地震动加速度反应谱0.2s和1s周期谱值图。

② 风险系数(Risk Coefficients,CR)图,CR图为地震动加速度反应谱0.2s和1s周期处的CR分布图。

③ 确定性地震动(Deterministic Ground Motion,DGM)图,DGM图为B类场地5%阻尼比确定性地震动加速度反应谱0.2s和1s周期谱值均值图。

④ 长周期段起始周期(Long-Period Transition,TL)图,TL图为加速度反应谱长周期段起始周期TL的分布图。

⑤ MCE几何平均峰值加速度PGA(MCE Geometric Mean PGA,MCEG)图,即B类场地MCEG分布图。

SDM 2009并没有直接标示MCER地震动,而是给出了一系列用于确定MCER地震动的基础图件,虽然便于明了MCER地震动的含义和来源,但不便于抗震设计的使用。

美国建筑荷载标准ASCE 7-10更新采纳了2009 NEHRP Provisions中地震动相关的更新内容,但是对SDM 2009做了调整,直接给出MCER图,不再提供UHGM和DGM图(ASCE,2010)。这样的调整更加符合抗震设计图的本意。

2014年,USGS又更新发布了NSHM(Petersen等,2008, 2014),NSHM 2014的图件所包含的主要是50年超越概率10%和2%,地震动加速度峰值(PGA)与5%阻尼比地震动加速度反应谱0.2s和1s周期点谱值图。2015年,FEMA按照更新周期发布了最新版2015 NEHRP Provisions,基于NSHM 2014,编制了SDM 2015,参照ASCE-2010标准直接给出了B类场地MCER图(FEMA,2015)。

3.2.2 基于目标风险的最大考虑地震地震动区划阶段的基本特征

本阶段地震区划图以FEMA发布的2009版NEHRP Provisions中的SDM 2009(包括ASCE 7-10中简化版)和USGS发布的NSHM 2008两张图为代表,具有以下一些重要特征:

(1)地震区划图中的SDM开始依据基于目标风险的最大考虑地震(MCER)地震动编制,强调保障全美经抗震设计的建筑结构具有大致相当的地震倒塌风险水平。

(2)地震区划图中的SDM所包含的图件更加复杂,意味着抗震设计中最大地震动水平MCER的确定更加复杂,抗震设计地震动反应谱的控制更加细致。

(3)地震区划图中的SDM更加重视长周期地震动对现代城市高柔建、构筑物的影响,单独编制TL图。

(4)SDM与SHM的更新更加同步,作为地震区划图的两个成分,两者关系也更加清晰,NSHM 1996、NSHM 2002、NSHM 2008、NSHM 2014均在相应的SDM 1997、SDM 2003、SDM 2009、SDM 2015图件中得到反映,同时,USGS也在SDM图件的编制中起了重要的作用,USGS的网站有专门的Design Ground Motions(https://earthquake.usgs.gov/hazards/ designmaps/)页面,提供美国SDM和全美各地点建筑设计值,体现出SHM和SDM相互依存和相互协调的关系,代表了现代地震区划图的趋势。

4 总结
4.1 美国地震区划图的主要特点

从前述的美国地震区划图的演化过程可以看出,美国地震区划图具有以下突出的特点:

(1)美国地震区划图已发展形成由抗震设计图和地震危险性图构成的双图模式,从单一服务于建筑抗震设计,发展到既服务于地震危险性评价,也服务于建筑抗震设计,两者相伴相生、密切协作,又各自沿着自己的技术路径独立发展,使得无论是抗震设计方法与理论,还是地震危险性评价方法与理论,都得到了充分的、积极的、持续不断的提高,为整个国家的抗震设防提供了坚实的保障,代表了地震区划图未来的发展趋势,值得我国的抗震设计部门和地震管理部门学习和借鉴。

(2)美国地震区划图中的抗震设计图已不再依设计地震地震动参数编制,而是以建筑抗震设计考虑的最高抗震性能目标(抗倒塌)所针对的最大地震动(MCE或MCER)参数编制。同时,依据抗震设计图可以简单方便地确定设计地震地震动参数。这反映出美国对于一般性建筑的抗震设计以抗倒塌性能为最重要抗震设计目标的理念,从而为提高美国社会整体防御地震灾害的水平、减轻地震灾害损失奠定了非常重要的基础。

(3)美国地震区划图中的地震危险性图,强化并提升了原地震区划图所具有的较弱的、较粗略、较简单的地震危险性表述功能,能够真实地反映各地实际地震危险性以及相应地震动特征;也能够更加及时地反映由于地震、地质、地球物理资料的积累、地震科学认识的新进展、地震危险性评价理论技术的发展等带来的地震危险性认识的变化;同时,也为当前抗震设计方法能够更加合理地确定设计地震动奠定基础。更重要的是,新的地震危险性图能够更加适应当前处于发展成熟中的、考虑多风险水平下抗震性能目标的抗震设计方法(如基于性能的抗震设计方法等)的需要。

4.2 美国地震区划图未来可能的发展

当前,FEMA与USGS组织开展了针对2020年版NEHRP Provisions和2022年版ASCE 7-22更新的SDM研究计划,提出了一系列的评估与研究目标,其中对未来的SDM可能有重要影响的研究方向如下:

(1)抗震设计图表达的精度与不确定性的影响。当前等值线形式表达精度达到小数点后3位,但地震危险性评估存在的不确定性导致每次更新都带来抗震设计图的变化,使得抗震设计图的稳定性和可信度受到质疑。是否有更好的表达方式能够在精度与不确定之间找到平衡,使抗震设计图的稳定性得到提高。

(2)抗震设计图采用的概率风险水平确定。抗震设计图从50年超越概率10%,发展到50年超越概率2%,现在为50年倒塌概率1%,MCE复发间隔在美国中东部大致在2500年左右,而在美国西部采用了确定性的方法来确定MCE值。当前关于美国中东部地区MCE地震的复发间隔的认识存在较大争议,依据对新马德里地震源的研究,复发间隔可能只有1000年左右,如果接受这样的认识,可能会导致抗震设计图的编制发生较大改变,甚至可能不再需要确定性方法,这些需要通过开展相应的研究来给出方案。

(3)是否保留一致倒塌风险的定义。当前版本的抗震设计图定义的一致倒塌概率为50年1%,但一些资深工程师质疑其高估了大多数正真建筑物的倒塌风险,需要开展研究,寻求更加合适的倒塌风险评估方法。

(4)地震动加速度反应谱的多周期点谱值定义。对于由较大地震控制的软土场地,现行三参数定义的标准谱形在短周期段偏高而在长周期段偏低,需要研究是否应采用多参数谱形定义。采用多参数定义便于合理地限定反应谱的谱形,甚至有利于反映地震动的盆地效应、近断层效应等,但究竟采用什么样的表达方案需要进行研究,需要探讨反应谱参数点数目和位置、确定方法,以及由此带来的图件增多、标准应用的便捷性较差等等问题。

(5)确定性图件的计算方法。现行的抗震设计图的制定采用概率方法图件和确定性方法图件综合的方法,以往的确定性计算基于活动断层的“特征地震”震级,但是当前地震地质学的发展已经脱离的“特征地震”的概念,因此,如果还需要继续保留确定性方法,就需要研究提出新的“最大考虑”确定性事件的定义以及提出新的计算方案。

(6)其他一些地震动参数是否加入,如多阻尼、竖向地震动、持时等等。虽然加入这些参数都有各种必要性理由,但是将不可避免地带来图件数量的急剧增加,对于抗震设计的使用带来不便,应研究提出可行的方案。

上述关于抗震设计图未来方向的研究,反映了美国当前地震区划图发展的方向,预期下一版SDM会在上述研究成果的基础上出现一些新的变化。

4.3 美国地震区划图与我国地震区划图的对比分析

美国地震区划图的发展,对地震区划图及其功能进行了充分展现和发挥,代表了未来地震区划图发展的方向。尽管我国在概率地震危险性分析的理论与方法上与美国地震区划图的发展保持一致,但由于建筑抗震设计理念与方法上的差异,导致我国编制主要为抗震设计服务的地震区划图时,在许多方面与美国地震区划图存在差异,总结如下:

(1)我国地震区划图当前依然采用的是传统上一直使用的单图模式,主要功能是提供抗震设计使用,实际上就相当于美国地震区划图中的抗震设计图(SDM),对地震危险性的表达是比较粗略、简化的。

(2)我国地震区划图当前依然采用的是传统上一直使用的地震动参数分区(只是不同时期采用不同的分区系数)形式,抗震设计中对当地实际地震危险性的考虑存在较大的不确定性。美国地震区划图当前采用地震动反应谱周期点谱值参数等值线形式编图,更加接近对当地实际地震动特征的反映,使抗震设计更加符合各地地震环境。

(3)我国地震区划图当前还是采用50年超越概率10%的地震危险性水平来编制,图中表达地震动水平相当于“中震”级别的设计地震地震动,在“中震”基础上按比例确定的各地“大震”的概率水平不一致(如50年超越概率2%),导致不同地区建筑抗“中震”能力虽然相似,而抗“大震”倒塌能力变化较大。美国地震区划图以大致相当于50年超越概率2%的MCE或MCER地震动编制,以固定的抗震裕度系数来确定设计地震地震动,从而保障全美各地建筑抗倒塌风险水平的一致性。

(4)我国地震区划图当前对不同风险地震动的表达还主要是以系数标定的方式,比较简单和粗略,不能以一致的概率风险水平来表征不同级别的地震动,这主要是受限于我国地震区划图当前主要服务于抗震设计,没有编制专门的全国地震危险性图。美国地震区划图已经采用多概率方式来编制国家地震危险性图数十年,对国土范围内的地震危险性的表达更加充分和客观,也促进抗震设计理念与方法因不断适应新的地震危险性表达而稳定不断地发展与进步。

综上,与美国地震区划图对照,我国地震区划图的编制在很多方面需要学习、借鉴、创新和发展。我国应尽快开发适应我国地震环境特征和抗震设防需要的全国性地震危险性图和全国性抗震设计图,以完善我国地震区划图的编制,并在地震危险性研究和抗震设计方法方面能够相互促进又各自发展进步,跟上国际先进的抗震设防理念与方法,更好地保障国家的地震安全。

参考文献
李善邦, 1957. 中国地震区域划分图及其说明.Ⅰ.总的说明[J]. 地球物理学报, 6(2): 127-158.
胡聿贤, 1988. 地震工程学. 北京: 地震出版社.
张萌, 潘华, 李金臣, 2017. 美国建筑抗震设计的法规体系与设计地震动确定[J]. 震灾防御技术, 12(1): 306-318.
Algermissen S. T., 1969. Seismic risk studies in the United States. In:Proceedings of the 4th World Conference on Earthquake Engineering. Santiago, Chile:ERIC, 1969:14-27.
Algermissen S. T., Perkins D. M., 1976. A probabilistic estimate of maximum acceleration in rock in the contiguous United States. U.S. Geological Survey, Open-File Report:76-416.
Algermissen S. T., Perkins D. M., Thenhaus P. C., et al., 1982. Probabilistic estimates of maximum acceleration and velocity in rock in the contiguous United States. U.S. Geological Survey, Open-File Report 82-1033.
Algermissen S. T., Perkins D. M., Thenhaus P. C., et al., 1990. Probabilistic earthquake acceleration and velocity maps for the United States and Puerto Rico, U.S. Geological Survey, Miscellaneous Field Studies Map 2120.
Algermissen S. T., Leyendecker E. V., 1992. Technique for uniform hazard spectra estimation in the US. In:Proceedings of the 10th World Conference on Earthquake Engineering. Madrid, Spain:Australian Earthquake Engineering Society, 391-398.
ANSI, 1982. Minimum design loads for buildings and other structures, American National Standard ANSI A58.1. American National Standards Institute, Inc. New York.
ASCE, 2010. Minimum design loads for buildings and other structures, ASCE/SEI 7-10. 1801 Alexander Bell Drive, Reston, Virginia:American Society of Civil Engineers, 20191.
ATC, 1978. Tentative provisions for the development of seismic regulations for buildings (ATC-3-06). NBS Special Publication 510, NSF Publication 78-8. Washington, DC:Applied Technology Council, 1978.
Beavers J. E., 2002. A review of seismic hazard description in US design codes and procedures[J]. Progress in Structural Engineering and Materials, 4(1): 46-63. DOI:10.1002/(ISSN)1528-2716
FEMA, 1998. NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures. Part 1:Provisions. (FEMA 302/1997 edition). Washington, DC:Federal Emergency Management Agency, Building Seismic Safety Council.
FEMA, 2001. NEHRP recommended provisions for seismic regulation for new buildings and other structures. Part1:Provisions. (FEMA 368/2000 edition). Washington, DC:Federal Emergency Management Agency, Building Seismic Safety Council.
FEMA, 2004. NEHRP recommended provisions for seismic regulation for new buildings and other structures. Part1:Provisions. (FEMA P-450-1/2003 edition). Washington, DC:Federal Emergency Management Agency, Building Seismic Safety Council.
FEMA, 2009. NEHRP recommended seismic provisions for new buildings and other structures (FEMA P-750/2009 edition). Washington, DC:Federal Emergency Management Agency, Building Seismic Safety Council.
FEMA, 2015. NEHRP Recommended Seismic Provisions for New Buildings and Other Structures, volume Ⅰ:Part 1:Provisions, Part 2:Commentary (FEMA P-1050-1/2015 edition). Washington, DC:Federal Emergency Management Agency, Building Seismic Safety Council.
Frankel A. D., Petersen M. D., Mueller C. S., et al., 2002. Documentation for the 2002 update of the National Seismic Hazard Maps:U.S. Geological Survey Open-File Report 2002-420.
Leyendecker E. V., Hunt R. J., Frankel A. D., et al, 2000. Development of maximum considered earthquake ground motion maps[J]. Earthquake Spectra, 16(1): 21-40. DOI:10.1193/1.1586081
Roberts E. B., Ulrich F. P., 1950. Seismological activities of the U[J]. S. Coast and Geodetic Survey in 1948. Bulletin of the Seismological Society of America.1950, 40(3): 195-216.
Petersen M. D., Frankel A. D., Harmsen S. C., et al., 2008. Documentation for the 2008 Update of the United States National Seismic Hazard Maps, USGS Open File Report 2008-1128.
Petersen M. D., Moschetti M. P., Powers P. M., et al., 2014. Documentation for the 2014 update of the United States national seismic hazard maps:U.S. Geological Survey Open-File Report 2014-1091.


Review of Seismic Zonation in United States, Seismic Hazard Maps and Seismic Design Maps
Pan Hua*, Zhang Meng, Li Jinchen
(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China)
Abstract

During the past few decades, seismic zonation maps in the United States keep developing and improving with change of requirements of building seismic design, from early single-map mode to nowadays two-maps mode consisting of Seismic Design Maps and Seismic Hazard Maps. The SHM is used for presenting the distribution of seismic hazard in territory which is evaluated based on science understanding about earthquakes and observational data. The SDM inherits the main function of the seismic zonation map, and is used for presenting the distribution of buildings seismic design coefficients. The history of the US Seismic Zonation Maps can be divided into three stages which using different parameters of seismic design ground motion, the coefficients of seismic zones, the design earthquake ground motion and the maximum considered earthquake ground motion. Each stage begins with improving of SHM and marked by a significant advance in seismic design procedures and SDM. In this paper, the history of US seismic zonation map is reviewed, and the technical reasons caused SDM updating, main features of SDM, significance and influence of SDM application and so on are focused to discussion.



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美国地震区划图的发展——地震危险性图与抗震设计图
潘华*, 张萌, 李金臣
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170307