首页 国际标准结构工程-公众号 海外工程十五年之六十一——美标钢结构抗震(13)

海外工程十五年之六十一——美标钢结构抗震(13)

3.2美国建筑规范的抗震性能目标是什么?

总的来说,政府通过行政权力来制定和执行建筑法规,使其能够保护公众健康、安全和福利。美国第一部建筑规范是在19世纪末被主要城市采用的,旨在降低城市火灾的风险以及随之而来的与1871年芝加哥大火等事件相关的大量生命和财产损失。逐渐地这些规范被扩展到各种荷载条件下的卫生、通风和结构稳定性。

地震要求在20世纪20年代开始出现在美国西部的建筑规范中,那时关于地震的起因、影响以及建筑物对地震的反应的科学知识相当有限。规范中包含的地震要求一般都是经验性的。当地震发生时,工程师会观察表现良好的建筑类型和表现不佳的建筑类型,然后在建筑规范中纳入规范,禁止表现不佳的建筑,并鼓励观察到的建筑类型以令人满意的方式表现。因为即使在加州,破坏性地震也是相对罕见的事件,可能每20年或更长时间影响一个城市一次,而不是试图完全避免破坏,所以这些早期建筑规范旨在通过鼓励建造抗倒塌结构来保护生命安全。

通过避免地震引起的倒塌,保护生命安全仍然是当今美国建筑规范的首要目标。自20世纪70年代中期以来,建筑规范采用了基于建筑重要性等级的补充目标。IBCSEI/ASCE 7将每个结构分配到四个重要性等级中的一个,用于区分结构的预期性能和相关设计要求。

•重要性等级Ⅰ包括其故障不会对公众造成太大风险,因为它们很少被人使用,并且不位于故障可能会伤害人的位置。这包括大多数谷仓和某些其他农业和工业结构。

•重要性等级Ⅱ包括公共安全风险平均的建筑物,包括大多数住宅、商业、机构和工业结构。

•重要性等级Ⅲ包括对公共安全造成高于一般风险的构筑物,无论是由于结构物内居住的人数非常多,还是由于结构物内人员的流动性有限。许多非常高的建筑物、体育场馆、会议中心和一些学校都属于这一类。

•重要性等级Ⅳ包括在发生故障时,如地震后应急响应能力丧失或大量有毒物质释放,会对公众造成不可容忍的风险的结构。一般来说,医院、警察局和消防局、紧急通讯中心和某些工业设施都属于这一类。

对于重要性等级Ⅱ结构,IBCSEI/ASCE7的基本目标是,如果该类结构经历最大考虑地震(MCE)影响,则该类结构的倒塌风险有限,约为10%或更少。在美国的大多数地点,MCE的平均重现期为2500年。对于位于已知活动断层几公里范围内的场地,MCE是由规范和标准基于对这些断层上最大震级事件可能发生的震动的保守估计而确定的。

无论建筑物的位置如何,除了避免MCE倒塌外,该规范没有预期的损害控制。如果一座建筑物经历这种震动,它很可能会对结构框架造成严重损坏,并可能对非结构部件和系统造成极大的损坏。由于此类损坏,存在一定的受伤风险和有限的生命损失风险。

除了为重要性等级Ⅱ居住结构设定的基本避免倒塌目标外,该规范还规定了该类居住建筑中对生命安全至关重要的非结构部件,包括楼梯、消防喷淋系统、紧急出口照明和储存有毒材料的管道系统,保持设计地震震动的功能,定义为强度为MCE震动三分之二的震动。居住类型Ⅱ结构如果经历设计地震震动,预计会遭受结构和非结构损坏,生命安全风险应最小。预计但不能保证这种损坏是可以修复的,但在修复之前,这些建筑物是不适合居住的。在美国各地,实际经历设计地震震动的概率各不相同,在低地震风险地区可能是千年一遇,而在高风险地区则是几百年一遇。

预计按照重要性等级Ⅱ居住规范要求正确设计、建造和维护的结构将能够抵抗相对频繁的低强度地震,而不会造成严重的损坏或使用损失。造成这种有限损害的事件发生的确切频率并没有很好的定义。对于那些破坏性地震频繁发生的地区,比如阿拉斯加、加利福尼亚和华盛顿的部分地区,这可能是2550年的时间。对于地震风险较低的地区,这可能是几百年前的事。

其他要性等级结构的性能目标与要性等级Ⅱ结构的性能目标相关。要性等级Ⅲ结构的结构与要性等级Ⅱ结构的结构基本相同,只是它们预计将以更高的可靠性实现这些目标。因此,对于MCE震动,预计崩塌的可能性将显著降低,可能在5%或更少的数量级。生命安全风险与要性等级Ⅱ结构相比,危害或占用损失也将类似地减少。对于要性等级Ⅳ结构,考虑到MCE震动,倒塌风险非常小,大约为3%或更少。预计这些结构将保留其对可能影响它们的大多数地震的功能,在地震风险最高的地区,可能包括重现期为100年左右的事件。对于地震风险较低的地区,这可能会扩展到重现期为5001000年的地震事件。第四类占用结构将在地震中遭受破坏,但其程度低于按照IIIIII类要性等级设计的结构。

重要性等级Ⅰ结构如果发生MCE震动,可能会有20%左右的倒塌风险。对于这些结构,即使是相对频繁的低强度地震,损坏和占用中断的风险也很大。

影响建筑在地震中实际表现的因素包括:

•地震本身的具体特征(即沿断层发生地震的位置和断层破裂发生的方向和速度);

•震动进入建筑场地的岩石和土壤的性质;

•强烈震动的持续时间;

•独立建筑物的设计和施工的充分性;

•地震发生时建筑物的状况。

这些因素是不可能精确预测的。因此当地震发生时,结构的预期性能和实际性能之间可能存在很大的差异。大多数结构的性能将比规范的性能目标预期的要好,而其他结构的性能则会更差。


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作者: ganggouren

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