各国火电厂建筑抗震设防水准的对比.pdf
2 0 1 6年 1 0月 第 4 4卷 第 5 期 总第 2 4 6期 Oc t .2 0 16 Vo I . 4 4 No . 5 S e r . No . 2 4 6 各国火 电厂建筑抗震设 防水准 的对 比 Co mp a r i s o n o f As e i s mi c De s i gn a nd Pr e v e nt i o n Le v e l o f The r m a l Po we r Pl a n t s i n V a r i o us Co un t r i e s 段 英连 , 杨 眉 中 国电力工程 顾 问集 团 东北 电 力设 计 院有 限公 司 , 长春 1 3 0 0 2 1 摘 要 介绍 了建筑的抗震设防水准确 定的基本理 念 , 比较 了中 国、 美 国、 印度 、 欧洲 、 迪拜抗 震规范 的火 电厂建筑 重要 性分类 、 地震水平 、 设 防 目标 、 弹性及弹塑性位移层 间位移角 限值 等 , 指 出不 宜将 某类建筑 的重要性类别 、 地震 水平 、 设防 目标作为抗震设计的基本准则 , 而应将上述三者作 为一个体系看待 , 设防水准 的对 比不应 仅仅关注上述 三者的对应上 , 还要关注弹性及弹塑性层 问位 移角计算 的地 震水 平及 限值 标准 。 关键词 抗震 ; 火电厂建 筑 ; 国家标准 ; 设 防水准 ; 宏观对 比 中图 分 类 号 TU3 1 2 . 1 ; TU3 5 2 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 l 6 0 5 0 0 0 8 0 4 建 筑 的抗 震设 防水 准是 建 筑抗 震 设计 的基 础 , 各 国规 范均 对 此进 行 了 明确 的规定 , 其 理 念基 本 是 一 致 的。抗 震 设 防水 准 的确定 包括 以下几 个方 面 的 内容 根据建筑 的重要性对建筑进行分类 ; 确定几个 级别 的地震水平 ; 确定几个抗震设防目标 ; 根据建筑 的重要性 , 选择该建筑在各地震水平下 的抗震设 防 目标 ; 确定强度验算的地震力水准 ; 确定结构的弹性 和弹塑性层间位移角限值 。 由于各 国 的经济 发 展状 况 、 国情及 抗 震设 计 理 念 的 不 同 , 使 得各 国的建 筑 抗震 设 防 水 准有 着 很 大 的差别 。如果 从地震 力 的计算 、 反应 谱 、 构 件设 计等 角 度去 比较 设 防水 准差 异 的话 , 将 是 非常 复 杂 的工 作 。 本文 从抗 震设 防水准 的核 心 出发 , 找 出影 响抗震 设 防 水准 的宏 观要 素 , 并 对 其 进行 比较 , 探讨 中 国 、 美 国、 印度 、 欧 洲 、 迪拜 火 电厂建 筑 的 抗震 设 防 水 准 的宏 观差 异 。 1 中国规范 1 . 1 抗 震设 防分 类 G B 5 0 2 2 3 -- 2 0 0 8 建 筑 工 程 抗 震 设 防 分 类 标 准 将建筑分为甲、 乙、 丙 、 丁类 。 D L 5 0 2 2 --2 0 1 2 火 力 发 电厂土建 结构设 计技 术规 程 中规定 , 重要 电力 设施 的主厂房 、 集 中控制楼 、 空 气冷却 器支 架 、 烟 囱、 烟道、 网控通讯楼 、 屋内配电装置室、 碎煤机室、 输煤 转 运站 、 输 煤栈桥、 圆形封 闭煤场 、 热网首 站、 氢气 站、 消防站 、 消防车库等为乙类建筑 ; 一般材料库、 自 行车棚 、 厂区厕所为丁类建筑 ; 其他为丙类建筑 。 1 . 2地震 的概 率水 准 GB 5 0 0 1 1 2 0 1 O 建筑抗震设计规范 规定 了 地震的 3个水平。 多遇地震, 5 o 年超越概率 6 3 , 重 现期 5 0年 ; 设防地震 , 5 O年超越概率 1 0 9 / 6 , 重现期 4 7 5年 ; 罕遇地震 , 5 0年超越概率 2 ~3 7度 区 为 3 , 9 度 区 为 2 9 / 6 , 重 现 期 为 1 6 4 2 ~2 4 7 5年 , 平均 2 0 0 0年 。 1 . 3设 防 目标 GB 5 0 0 1 1 2 0 1 0规定 了建筑 的 3个设 防 目标 。 目标一 , 主体结构不受损坏或不需修理可继续使用 ; 目标 二 , 结 构 可能发 生损 坏 , 但 经一 般性修 理仍 可继 续使用 ; 目标三 , 结构不致倒塌或发生危及生命 的严 重破 坏 。 1 . 4设 防分类 、 概 率水 准与设 防 目标 的关 系 GB 5 0 2 2 3 -- 2 0 0 8和 G B 5 0 0 1 1 2 O 1 0规 范对 电 厂建筑并没有作为一个整体采用相同的设防水准, 而是采取差别设 防的办法 。 对于丙类建筑, 规范采用 多遇地震与 目标一对应 , 设防地震与目标二对应 , 罕 遇地震与 目标三对应, 即“ 小震不坏 、 中震可修 、 大震 不倒 ” 的设 防理 念 。 甲、 乙类 建筑 的设 防水准 要高 于 丙类 , 但具体高多少 , 规范没有给出具体的设防 目标 收 稿 日期 2 0 1 6 0 6 1 2 作者简介 段英连 1 9 6 8 , 女 , 高级工程师 , 从 事火力发 电厂 土建 结构设计 工作 。 8 2 0 1 6年 1 0月 第 4 4卷 第 5期 总第 2 4 6期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r oc t .2 0 16 Vo1 .4 4 No. 5 Se r . No. 2 46 和量化指标 , 比如在弹性 、 弹塑性层间位移角限值方 面与 丙类并 没 有 区别 ; 同样 , 丁类 建筑 的设 防水 准要 低 于 丙类 建筑 。 大震 水 平不 统一 、 一些 建筑 的设 防 目 标不清且无量化指标, 这是 中国规范需要完善和改 进 的地方 。中 国规 范 的建 筑分类 、 地 震水 平 、 设 防 目 标 的关 系 , 以规范 描述 的丙 类建 筑 为基准 , 参 考美 国 规 范 的表述 方 法 , 可 以绘 制 出图 1 。 图 1中 , 只有 丙 类 建 筑 的表 述是 符 合 规 范 的 , 而 甲 、 乙 、 丁类 建 筑 的 描 述 则是 大 概 的 。 中 国规范 的设 防 目标 偏 少 , 使 得 甲、 乙类建筑在小震时的水准无法描述 。 设 防 目标 地震水平 不坏 可修 不倒塌 小震 允 f 、 ’ 中震 、 \ . 大震 甲 乙 丙丁 图 1 中国规范设防分类 、 概 率水 准和设防 目标的关 系 1 . 5 弹性 及弹 塑性 层 间位移 角 限值 a . 弹性层 间位移角限值。弹性层间位移角的计 算采用多遇地震水平 , 限值的 目的是保证小震不坏 。 中 国标 准 规 定 , 钢筋 混 凝 土框 架 结 构 为 1 / 5 5 0 , 多 、 高层钢结构为1 / 2 5 O 。 b . 弹塑 性层 间位 移角 限 值 。弹 塑性层 间 位移 角 的计算采用罕遇地震水平 , 限值 的 目的是保证大震 不 倒 。钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构 、 多 高 层 钢 结 构 均 为 1 / 5 0 。 2 美 国规范 2 . 1 抗 震设 防分 类 AS C E 7 2 0 1 0版 建 筑物 最 小 荷载 规 范 根 据 建 筑 的 重 要 性 , 将 建 筑 分 为 Ⅳ、 Ⅲ、Ⅱ、I类 , 与 G B 5 0 0 1 1 2 O 1 0的 甲、 乙 、 丙 、 丁类大 致对 应 。 2 . 2地 震 的概 率水 准 F E MA P 一 7 5 0 2 0 1 5版 新建建筑物和其他结 构抗 震设 计 推荐 规 范 规 定 了地震 的 3个 水准 。 频繁 地震 , 5 0年超越概率 5 O %, 重现期 7 2年 ; 设计地震 , 最 大 考虑 地 震 MC E 的 2 / 3 , 5 0年超 越 概 率 5 ~ l O , 重 现期 4 7 5 ~1 0 0 0年 ; 最大 考虑 地震 , 5 0年 超 越概 率 2 , 重 现期 2 5 0 0年 。 2 . 3设 防 目标 F E MA P 一 7 5 0规 定 了抗震设 防的 7 个 目标 , 即 运行、 立即使用、 生命安全 、 预防倒塌 4个及介于这 4个 目标 之 问的 3 个 。 2 . 4设 防分 类 、 概率 水 准与设 防 目标 的关 系 F E MA P 一 7 5 0介 绍 了设 防分类 、 概率 水 准 、 设 防 目标 的关 系 , 见图 2 。 设 防 目标 地震水平 运 行 立即使用 生命安全 预防倒塌 频繁地震 , , . 设计地震 ’ MCE Ⅳ m Ⅱ I 图 2美国规范设防分类 、 概 率水 准和 设防 目标 的关系 图 2选 自 F E MA P 一 7 5 0 , Ⅱ、 Ⅲ、 I V 类 建 筑 有 明 确的性能水准 , I 类建筑为笔者后补的。 由图 1和图 2的 比较可 见 , 中国规 范 的 甲、 乙 、 丙 、 丁类 与 美 国规 范 的 Ⅳ、 Ⅲ、 Ⅱ、 I 类 建筑 的性 能水 准是 大致 对应 的 , 美 国规 范 I、 Ⅱ、 Ⅲ、 I V 类 建 筑 , 相 应 的 重 要性 系数 分 别 为 1 . 0 , 1 . 0 , 1 . 2 5 , 1 . 5 。 2 . 5 弹 性及 弹塑 性层 间位 移 角限值 F E MA P 一 7 5 0没 有规 定结 构 的弹性层 间 位移 角 限值, 仅规定 了结构的弹塑性层间位移角限值 。 弹塑 性 位移 可 由弹性 位移 乘 以位移 放大 系数 C d 获得 。 关 于结构 的 弹塑性 层 间位移 角 限值规 定见 AS C E 7表 1 2 . 1 2 1 , 其 中, 火力 发 电厂 属 Ⅲ类 建 筑 , 弹塑 性层 间 位移角限值为 1 / 5 0 。 在弹塑性层间位移角限值方面 , A S C E 7 2 0 1 O 很 好地 体 现 了不 同重要 性 建 筑 的设 防水 准 , 与 中国 规 范有着 本 质 的区别 。由于弹 塑性位 移 可 由弹性位 移 乘 以位 移 放大 系数 获 得 , 因此 , AS C E 7 2 O 1 o 也变相地要求了结构的弹性层间位移角限值 。这个 限值根 据结 构 的延性 不 同而不 同 见 表 1 。 就弹性层间位移角限值而言 , 美 国规范要 比中 国规 范宽 松 , 比如 , 钢 筋混 凝 土 框架 结 构为 1 / 2 7 5 ~ 1 / 1 2 5 , 远 大 于 中 国规 范 的 1 / 5 5 0 。在 弹性 地 震 力相 当 的情 况 下 , 可 以理 解 为 中 国 的小 震设 防水 准 要 高 于美 国 。 关 于 弹 塑 性 层 间位 移 角 限 值 , UB C I 9 9 7 统 一 9 ‘ 2 0 1 6年 1 O月 第 4 4卷 第 5期 总第 2 4 6期 Oc t .2 0 1 6 Vo 1 . 4 4 NO . 5 S e r . No . 2 4 6 建筑规范 中, 抗震设防为单水准, 抗震设计规定 的 目的是预防主体结构失效 。 并非 限制结构破坏或维 持 功 能 。UB C 1 9 9 7的设 计 地 震 为 5 O年 超 越 概 率 1 0 % , 重 现期 为 4 7 5年 。对弹 塑性位 移 的要求 是 , 对 于基本周期小于 0 . 7 S的建筑 , 不超过 1 / 4 0 ; 对于基 本 周期 大于 0 . 7 s的建筑 , 不超 过 1 / 5 0 。AS C E 7 -- 2 0 1 0将 不 倒 塌 地震 提 高 到 了 MC E, 但 其 弹 塑 性 层 问位移 角限值 与 UB C 1 9 9 7并没有太大 的区别 , 还 是 采用 设计 地震值 , 是 否存在 协调 问题 值得研 究 。 表 1 美 国 规 范 结构 弹 性位 移 限值 等 级 结构类型 I Ⅱ Ⅲ Ⅳ 钢偏心支撑框架 钢特殊 中心支撑框架 钢普通中心支撑 框架 钢特殊抗弯框架 钢中等抗弯框架 钢普通抗弯框架 特殊钢筋混凝土抗弯框架 中等钢筋混 凝土抗弯框架 普通钢筋混凝土抗弯框架 3 印度规范 3 . 1 抗震 设 防分类 I S 1 8 9 3 P AR T4 2 0 0 5 抗震 设 计‘ 标 准 根据 建 筑 的重 要性 , 将 工 业 建筑 分 为 四类 , 即 l 、 2 、 3 、 4类 , 发 电厂 的大 部分 建筑 属于 2类 。 3 . 2地震 的概 率水 准 小 于设 计 基 础 地震 D B E 水 准 , 无具 体 超越 概 率 和 重 现 期 ; D B E 水 准 , 5 0年 超 越 概 率 为 1 O ; MC E水准 , 5 O年超 越概 率 为 2 % 。 3 . 3设 防 目标 I S 1 8 9 3 P AR T4 2 0 0 5规 定 的 设 防 目标 有 3 个 。 目标一是地震作用 时不坏 ; 目标二是地震作用时 无显著破坏 ; 目标三是地震作用时不倒 。 3 . 4设 防分 类 、 概 率水 准与设 防 目标 的 关 系 印度规 范规 定 了地震水 平 与设 防 目标 的一 一对 应 关 系 , 即小 于 DB E水 准 对应 目标一 , D B E水准 对 应 目标 二 , MC E水 准对 应 目标 三 , 这一 点 与 中 国规 范 极其 相似 。 这种对 应关 系仅适 合 第 4类建 筑 , 对 于 1 O 1 、 2 、 3类建筑 , 则通过调整重要性系数的方法提高 建筑 的抗 震性 能 。比如第 1 类 建筑 的重要 性 系数 为 2 . 0 , 第 2类 建筑 的重 要性 系数 为 1 . 7 5 , 第 3类 建筑 的重 要性 系 数为 1 . 5 0 , 第 4类建 筑 的重 要性 系 数 为 1 . 0 。印度 规范 无 法绘 出与 图 1或 图 2类 似 的 性 能 图 。 3 . 5 弹 性及 弹塑性 层 间位移 角 限值 印 度 规 范 规 定 结 构 的弹 性 层 间位 移 角 限值 为 1 / 2 5 0 , 不 区分 钢 筋混 凝 土 结构 还 是 钢结 构 , 规 范 中 未 见有关 弹塑 性层 间位 移角 的要求 。 1 / 2 5 o弹性层间位移角限值 的要求是保证小震 不 坏 的 , 对 于钢结 构是 没有 问题 的 , 对 于钢筋 混凝 土 结 构是 否存 在 问题 值得 探讨 。 4 欧洲规 范 4 . 1抗震 设 防分 类 根 据 E u r o c o d e 8 2 0 3 结 构抗震 设计 建 筑 的 重 要 性 , 将建 筑分 为 I、Ⅱ、 Ⅲ、 I V 类 , 发 电厂建 筑 属 于 I V 类 。 4 . 2 地 震 的概 率水 准 地震水平一 , 设计地震作用 , 5 O年超越概 率为 1 0 , 重 现期 为 4 7 5年 ; 地 震 水平 二 , 小 于 水平 一 的 地震 作用 , 1 O年超 越概 率 1 0 , 重现 期 为 9 5年 。 4 . 3设 防 目标 E u r o c o d e 8 2 O O 3规 范规 定 了两个 设 防 目标 。 不倒塌 目标 地震作用下 , 不产生局部 和整体 的倒 塌, 结构具有完整性并具有残余 的承载能力 ; 限制破 坏 目标 地震作用下 , 结构不产生破坏且其使用功能 不受 限制 。 4 . 4设 防分类 、 概率 水准 与设 防 目标 的 关 系 E u r o c o d e 8 2 0 0 3规范规定不 倒塌 目标与 地 震水 平 一一 对 应 , 限制 破 坏 目标 与 地 震 水平 二 对 应 的 办法 , 即 4 7 5年 重现 期 地 震 不 倒 , 9 5年 重 现期 地 震不 坏 。 这 一标 准应 指 Ⅱ类建 筑 , 因该类 建筑 的重 要 性系数为 1 . 0 ; Ⅲ、 I V 类建筑采用大于 1 . 0的重要性 系数 , 使得设防水准高于 Ⅱ 类 。 4 . 5 弹性 及 弹塑性 层 间位移 角 限值 欧洲 规 范 仅要 求 了结构 的弹 塑性 位 移 , 该 位移 应 为设 计地 震作 用下 的。对于 拥有 附着 于结 构上 的 砌 体 材 料 的非 结构 构 件 的结 构 , 弹 塑 性位 移 限 值 为 1 / S o ; 对 于 拥有延 性 的非结 构构 件 的结 构 , 弹塑 性位 移限值为 1 / 5 3 ; 对于没有非结构构件 的结构和拥有 固定 的不 影 响 结构 变 形 的非 结 构 构件 的结 构 , 弹 塑 ∞ ∞ ∞ ∞ 盯 邝 1 1 1 1 ] l l 1 l ∞ ∞ ∞ 儿 门 l 1 1 1 1 1 l 1 1 O O O O O O O O O 加 2 0 1 6年 1 0月 第 4 4卷 第 5期 总 第 2 4 6期 Oc t .2 0 16 Vo1 . 44 No. 5 Se r . No. 2 46 性位移限值为 1 / 4 0 。 5 迪 拜规范 5 . 1 抗 震 设 防分类 迪 拜 抗震 设 计 规范 } } 2 0 1 3版本 规 定 , 建筑 分 为 两类 , 即低中高耸建筑和高建筑 。6 0 m 以上的建筑 为高建筑 , 其余的为低中高耸建筑 。 5 . 2地 震 的概 率水 准 地 震水 平分 为 3个 。E 1地震 水平 , 5 O年 超越 概 率 5 O , 重现 期 7 2年 ; E2 地 震 水平 , 5 O年 超越 概 率 1 0 , 重现期 4 7 5年; E3地震水平 , 5 0年超 越概率 2 , 重 现期 2 4 7 5年 。 5 . 3 设 防 目标 立 即使用一 最小破坏 I O MD 地震作用下, 结 构、 构件、 非结构构件将不破坏 , 即使破坏也是非常 有限的, 建筑可连续使用 , 如果有问题 , 几天 即可修 复 ; 生命安全一 控制破坏 I S C D 地震作用下 , 有限 的和可修复的结构、 构件、 非结构构件的破坏是允许 的 , 此 时 , 可 能会 影 响 建 筑几 周 的 使用 时 间 ; 预 防 倒 塌一 大 量破 坏 C P E D 地 震 作 用 下 , 建 筑 遭 受 大 量 的破坏 , 将被禁止使用 。 5 . 4建 筑 分类 、 地震 水 准 、 设 防 目标 的 关 系 火 力 发 电厂 的 重要 性 系 数 为 1 . 5 , 电 厂 中的 建 筑 , 低中高耸建筑和高建筑的设防水准是一样的。 在 E 2水平地震作用下应达 到 I O MD 目标 , 在 E 3水 平 地震 作用 下应 达 到 L S C D 目标 。 迪 拜 将火 力发 电 厂 中的建筑看作一个整体 , 不分高低 , 设防水准明显 高 于 中国规 范 。 5 . 5 弹 性及 弹 塑性 层 间位 移 角 限值 迪拜规范仅要求 了结构 的弹塑性位移 限值 1 / 5 O , 并没有要求结构的弹性位移限值 , 弹塑性位移 由 弹性位 移放 大得 到 。 当厂 房采 用抗 弯框 架系统 时 , 放 大系数为 3 . 5 , 重要性系数为 1 . 5 , 则弹性位移 限值 为 1 / 1 1 7 。 计算结构弹性位移时, 水平力乘以了重要 性 系数 1 . 5 , 在 弹塑 性位 移计 算 公式 中 , 把 重要 性 系 数 除 掉 了 , 其 实 际 含义 是 弹 塑性 位 移 不 考虑 结 构 的 重 要性 。 迪拜规范规定的计算弹性位移的力为在 E2水 平 基础 上 除 以结 构 的性能 系数 , 与美 国规范类 似 。 6 结论 a . 建 筑 的重要 性 类别 、 地 震 水平 、 设 防 目标 是 3 个独 立 的 系统 , 每 类 建 筑 都 有相 应 地 震水 平 下 的 设 防 目标 。不 宜将 某类 建筑 的对应 关 系作 为抗震 设 防 的普遍 准则 , 如“ 小 震不 坏 、 中震 可修 、 大震不 倒 ” , 只是 针对 丙 类建 筑 的 , 这 样 的叙 述 混 淆 了重 要 性 类 别、 地震水平、 设 防 目标的有机联系 , 也使得其他类 别建筑 的设 防水 准无 法描 述 。 中国规范 、 印度 规 范 、 欧洲规范均存在这样 的问题。 b . 美 国、 印度、 欧洲、 迪拜规范均采用 了反应修 正系数 R 或性 能 系数 q对地 震力 进 行 折减 , 延 性 不 同 的结 构上 述参 数也 不 同 。结 构 的弹塑性 位移 均 由 弹性位 移 乘 以放大 系 数 获得 , 该 放大 系数 又与 R 或 q有关 , 因此 , 弹性层问位移角限值与弹塑性层间位 移角限值只能要求一个 , 印度要求 的是弹性层间位 移角 限值 , 而美 国、 欧 洲 、 迪 拜 则 要 求 弹塑 性 层 间位 移角限值 , 中国是 2 个限值都要求。 C . 美 国规 范 中 , 电厂建 筑 整体 属 于 Ⅲ类 , 而 Ⅱ 类 与 中国的丙 类相 当 , 由图 1及 图 2 可 知 , 整个 电厂建 筑的设防水准与中国规范的主厂房大致相当, 但从 弹塑性层间位移角限值要求看 , 其限值为设计地震 作 用下 的 , 却 与 中 国的罕遇 地震 作用 下相 当 , 安 全度 要 低 于 中 国规 范 , 这 是 个 问题 , 其 本 身 也 存 在 着 UB C 1 9 9 7与 AS C E 7 2 O 1 0不协 调 的问题 。 d . 印度 规 范与 中国 规范 相 同 , 对 电厂 建 筑 采取 差 别设 防 的原则 。 印度 规范 也有 “ 小 震不坏 、 中震可 修 、 大震不倒” 设 防原则 , 只不过是针对第 4类建筑 的, 电厂建筑中属于 2 、 3 类的 , 其安全度无法与中国 的 乙类 建筑 比较 。 就 小震不 坏这 一水 准而 言 , 印度规 范 的钢结 构 与 中 国规 范 相 当 , 而 中 国的混 凝 土 结构 安 全度要 高于 印度 规 范 。 e . 欧洲 规 范 , 对 于 l I 类 建 筑 , 采 用 9 5年 重现 期 地震不坏 , 4 7 5年地震不倒 的设 防水准, 火电厂建筑 属 于 Ⅳ类 , 重要性 系 数为 1 . 4 。 欧洲 的 11 类 建筑 的设 防水 准无 疑 要低 于 中 国的丙 类 建 筑 , 但 其 Ⅳ类 建筑 是否低于中国的乙类建筑还没有足够的依据。从弹 塑性层间位移角限值来看 , 欧洲 的设防水准要低 于 中 国的水准 。 f . 迪拜规范的火电厂建筑 的设防水准要高于中 国规范 , 达 到 了中震 不坏 、 大震 可修 的水 准 。从 规 范 要求 的 弹塑 性层 问位 移 角来 看 , 与 美 国规 范 存 在 同 样 的问题 , 即都是设计 地震的 , 即相 当于 中国的中 震, 如何保证大震可修值得研究 。 编辑郝竹 筠 1 1