關(guān)于天然設(shè)計(jì)地震波的研究

龐群英 肖 遙 李大華 1，

1）天津市地震局，天津 300201

2）中國(guó)地震災(zāi)害防御中心，北京 100029

關(guān)于天然設(shè)計(jì)地震波的研究

龐群英1）肖 遙2）李大華1，2）

1）天津市地震局，天津 300201

2）中國(guó)地震災(zāi)害防御中心，北京 100029

本文討論了天然設(shè)計(jì)地震波的調(diào)整問(wèn)題。通過(guò)給出的工程計(jì)算實(shí)例，研究了產(chǎn)生天然設(shè)計(jì)地震波所采用技術(shù)的可行性和合理性。文中對(duì)塔吉克斯坦共和國(guó)杜尚別市鳥(niǎo)巢大廈結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)所需要的天然設(shè)計(jì)地震波進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，提供的結(jié)果可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。同時(shí)文中還對(duì)天然設(shè)計(jì)地震波調(diào)整技術(shù)存在的問(wèn)題進(jìn)行了初步的討論。

地震動(dòng) 強(qiáng)震記錄 天然設(shè)計(jì)地震波 人工地震波

引言

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）和《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則（試用，CECS 160：2004）》（中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，2004）均強(qiáng)制性地提出了采用設(shè)計(jì)地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求，如：《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》強(qiáng)制性要求采用時(shí)程法設(shè)計(jì)時(shí)，需采用2條天然設(shè)計(jì)地震波和1條人工設(shè)計(jì)地震波。盡管工程抗震設(shè)計(jì)不可避免地要使用天然設(shè)計(jì)地震波，但對(duì)天然設(shè)計(jì)地震波選用的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則目前還研究甚少，以至于把天然設(shè)計(jì)地震波和人工設(shè)計(jì)地震波經(jīng)?；鞛橐徽?，為此有必要通過(guò)研究澄清該問(wèn)題，以便使工程地震災(zāi)害防御工作更加科學(xué)合理。為此，本文將以工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)為例，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

1 天然設(shè)計(jì)地震波的調(diào)整問(wèn)題

天然地震波就是在天然地震時(shí)，數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的地震波，這些數(shù)據(jù)顯然是科學(xué)給出設(shè)計(jì)地震波的依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。所謂天然地震波，一定不包含地震臺(tái)網(wǎng)得到的人工爆破作業(yè)、塌陷、滑坡等振動(dòng)產(chǎn)生的波形記錄。而這些干擾記錄的識(shí)別是專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)判別的，也就是說(shuō)，天然地震波需要專(zhuān)業(yè)人員來(lái)目測(cè)判別。

天然地震波能夠直接作為天然設(shè)計(jì)地震波的很少，一般必須通過(guò)對(duì)一定的儀器記錄天然地震波進(jìn)行調(diào)整，才能達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)控制要求而作為天然設(shè)計(jì)地震波使用。因此，如何將天然地震波調(diào)整為合理的天然設(shè)計(jì)地震波就成了技術(shù)的關(guān)鍵所在。通常的調(diào)整方法為：

（1）僅調(diào)整加速度峰值，這是最原始的天然設(shè)計(jì)地震波調(diào)整的方法。做法是把地震動(dòng)絕對(duì)加速度時(shí)間過(guò)程的每個(gè)數(shù)字點(diǎn)除以原始記錄的加速度峰值歸一化，然后再都乘以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要的加速度峰值。這種方法顯然很不合理和完善，因?yàn)檫€有許多設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)未能得到滿(mǎn)足。

（2）以挑選的天然地震波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時(shí)調(diào)整加速度峰值和相位的方法，以設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜進(jìn)行擬合得到天然設(shè)計(jì)地震波。這是近10年來(lái)美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家較為通用的做法。顯然，這種方法相對(duì)合理些。

（3）考慮地震危險(xiǎn)性分析場(chǎng)地相關(guān)性的影響調(diào)整產(chǎn)生天然設(shè)計(jì)地震波，該方法仍以挑選的天然地震波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析給出的場(chǎng)地相關(guān)加速度反應(yīng)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并考慮了場(chǎng)地時(shí)間過(guò)程曲線(xiàn)包絡(luò)函數(shù)的方法，也有需要擬和場(chǎng)地相關(guān)設(shè)計(jì)地震動(dòng)速度峰值的要求。該方法已在我國(guó)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)中開(kāi)始得到具體應(yīng)用1天津湯姆防震減災(zāi)工程設(shè)計(jì)中心，吉林省地震局地震工程研究院，2009. 吉林省地震局辦公樓工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告.，顯然這種新方法值得提倡和推廣應(yīng)用。

天然設(shè)計(jì)地震波和人工設(shè)計(jì)地震波具有密切關(guān)系，通過(guò)天然地震波數(shù)據(jù)調(diào)整出的天然設(shè)計(jì)地震波顯然屬于天然地震波性質(zhì)；人工設(shè)計(jì)地震波也可以擬合目標(biāo)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜成為滿(mǎn)足工程需要的設(shè)計(jì)地震動(dòng)時(shí)間過(guò)程，但它是人工地震波，而不是天然地震波，人工地震波和天然地震波的差別明顯在于人工地震波的相位是人工隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的均勻分布相位的波形。因?yàn)檫^(guò)去人工地震波具有較強(qiáng)的場(chǎng)地相關(guān)性，而天然地震波由于距離場(chǎng)地太遠(yuǎn)，與場(chǎng)地之間的關(guān)系不緊密，所以工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)多采用人工地震波方法。

目前，已經(jīng)可由強(qiáng)震記錄或地震記錄數(shù)字化時(shí)間過(guò)程數(shù)據(jù)調(diào)整擬合設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)，給出天然設(shè)計(jì)地震波，即在場(chǎng)地半徑150km范圍內(nèi)，選取4級(jí)以上的強(qiáng)震記錄或地震記錄，用此作為天然設(shè)計(jì)地震波基本數(shù)據(jù)，同時(shí)擬合工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、加速度峰值和速度峰值，該方法在工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作中已經(jīng)開(kāi)始得到初步的應(yīng)用。然而，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中采用該方法的例子尚不多見(jiàn)，為此，本文以杜尚別市鳥(niǎo)巢大廈為例進(jìn)行了下述研究。而人工地震波由于其相位非平穩(wěn)的局限性和非真實(shí)性，隨著已有大量數(shù)字化測(cè)震記錄基本可以滿(mǎn)足天然設(shè)計(jì)地震波合成的需要，人工地震波有可能很快被天然地震波所逐漸取代。

2 杜尚別市鳥(niǎo)巢大廈天然設(shè)計(jì)地震波評(píng)定

本文以塔吉克斯坦共和國(guó)杜尚別市鳥(niǎo)巢大廈結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)所需要的天然設(shè)計(jì)地震波為例進(jìn)行研究，研究工作分2部分：第1部分是依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001）地震烈度Ⅸ度的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，采用天然地震記錄的相位，將地震記錄的反應(yīng)譜調(diào)整到與該抗震規(guī)范反應(yīng)譜基本一致；第2部分是依據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則（試用，CECS 160：2004）》（中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，2004），將天然地震記錄調(diào)整到與該通則設(shè)計(jì)反應(yīng)譜基本一致。

2.1 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜參數(shù)

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）》，地震烈度Ⅸ度對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜如圖 1和表1所示。

2.2 建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則反應(yīng)譜參數(shù)

依據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則（試用，CECS 160：2004）》，地震烈度Ⅸ度對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜如圖2和表1所示，與圖1不同的是圖2無(wú)直線(xiàn)下降段。

圖1 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜Fig. 1 Code for seismic design of buildings response spectrum

圖2 建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則反應(yīng)譜Fig. 2 General rule for performance-based seismic design of buildings response spectrum

表1 GB50011-2001和CECS 160：2004 規(guī)范烈度Ⅸ度設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)Table 1 Design seismic parameters for GB50011-2001 and CECS 160: 2004 Code intensity Ⅸ

2.3 調(diào)整天然設(shè)計(jì)地震波要求

本文分別擬合上述2種設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜、加速度峰值和速度峰值，調(diào)整出天然設(shè)計(jì)地震波，其中反應(yīng)譜擬合精度為相對(duì)誤差在5%之內(nèi)，擬合設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的控制點(diǎn)在0.04—6s范圍內(nèi)控制40個(gè)點(diǎn)以上，加速度峰值和速度峰值要求完全精確擬合。同時(shí)，要求以表2所示著名天然地震波為基礎(chǔ)，進(jìn)行天然設(shè)計(jì)地震波調(diào)整。

表2 調(diào)整天然設(shè)計(jì)地震波的數(shù)字化記錄主要參數(shù)Table 2 Primary parameters for adjusting natural design seismic wave digital records

2.4 計(jì)算結(jié)果

本文對(duì)上述調(diào)整天然設(shè)計(jì)地震波需求進(jìn)行了研究，計(jì)算所采用的方法為“非平穩(wěn)人造地震動(dòng)反應(yīng)譜擬合技術(shù)”（李勇哲，2009），由于篇幅所限，本文僅給出前4個(gè)強(qiáng)震記錄為基礎(chǔ)的多遇地震部分示意，以及適宜性計(jì)算結(jié)果圖形（見(jiàn)圖3）。

圖3 4個(gè)強(qiáng)震記錄多遇地震天然設(shè)計(jì)地震波示例圖Fig. 3 Frequent seismic natural design seismic wave for four strong ground motion records

同時(shí)，本文還采用了2008年10月5日塔吉克斯坦 7.0級(jí)地震，并以該地震在新疆喀什地震臺(tái)獲得的數(shù)字化地震記錄為基礎(chǔ)，分別調(diào)整出擬合圖1和圖2設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的天然設(shè)計(jì)地震波，圖4為給出的多遇地震天然設(shè)計(jì)地震波以及反應(yīng)譜擬合示例圖。

圖4 采用塔吉克斯坦地震記錄調(diào)整多遇地震天然設(shè)計(jì)地震波及反應(yīng)譜擬合示例圖Fig. 4 Frequent seismic natural design seismic wave and response spectrum simulations of Tajikistan ground motions records

3 討論與結(jié)語(yǔ)

本文討論了天然設(shè)計(jì)地震波的調(diào)整問(wèn)題，也就是基于強(qiáng)震記錄或地震記錄進(jìn)行調(diào)整，由于從擬合的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)得到的設(shè)計(jì)地震波統(tǒng)稱(chēng)為天然設(shè)計(jì)地震波，因此，只有明確界定了天然設(shè)計(jì)地震波，才可能奠定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

通過(guò)給出的工程計(jì)算實(shí)例，本文闡述了產(chǎn)生天然設(shè)計(jì)地震波所采用的同時(shí)擬合設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、加速度峰值和速度峰值的計(jì)算技術(shù)是可行的，也是較為合理的。這一技術(shù)有必要通過(guò)修正完善納入有關(guān)技術(shù)法規(guī)和要求，并使之能夠得到推廣應(yīng)用。工程實(shí)踐表明，調(diào)整地震波擬合設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)時(shí)，未擬合的地震波速度峰值存在較大的缺陷，應(yīng)該盡量避免失控。同時(shí)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)也表明，天然設(shè)計(jì)地震波之所以非常重要，是因?yàn)樗?jì)算結(jié)構(gòu)的反應(yīng)要比人工設(shè)計(jì)地震波大些，也就是說(shuō)人工地震波輸入的計(jì)算結(jié)果可能偏于不安全，對(duì)此，作者將另文進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

本文對(duì)塔吉克斯坦共和國(guó)杜尚別市鳥(niǎo)巢大廈結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計(jì)所需要的天然設(shè)計(jì)地震波進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究計(jì)算，提供的結(jié)果已可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。對(duì)于文中圖1和圖2兩個(gè)目標(biāo)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和表1需要擬合的參數(shù)，本文均做了大量計(jì)算分析，并得到以下一些新的認(rèn)識(shí)：

（1）考慮到場(chǎng)地相關(guān)性的要求，圖4給出的天然設(shè)計(jì)地震波不僅可行，而且最為合理，因?yàn)閷?shí)際地震記錄表現(xiàn)出場(chǎng)地相關(guān)性地震動(dòng)特征在于持續(xù)時(shí)間明顯成倍增長(zhǎng)，采用其他的天然設(shè)計(jì)地震波將明顯低估該工程場(chǎng)地地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間要素。

（2）本文對(duì)天然設(shè)計(jì)地震波擬合了速度峰值，計(jì)算表明實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜的擬合并不困難，應(yīng)該推廣此項(xiàng)技術(shù)對(duì)速度峰值進(jìn)行按規(guī)范要求的控制。

（3）研究結(jié)果再次表明，多遇地震設(shè)計(jì)地震波及罕遇地震設(shè)計(jì)地震波，不應(yīng)該具有嚴(yán)格的線(xiàn)性比例關(guān)系，其主要原因是對(duì)速度峰值擬合要求否定了這一線(xiàn)性關(guān)系，因此，不同概率水平的天然設(shè)計(jì)地震波調(diào)整應(yīng)該分別進(jìn)行。

盡管本研究還是初步的、旨在明確天然設(shè)計(jì)地震波可行的調(diào)整方法，完成現(xiàn)有工程所需場(chǎng)地相關(guān)天然設(shè)計(jì)地震波的任務(wù)，加強(qiáng)工程應(yīng)用與強(qiáng)震記錄、測(cè)震記錄的密切聯(lián)系，但作者仍希望本文能對(duì)天然設(shè)計(jì)地震波的應(yīng)用研究起到一定的借鑒作用。

李勇哲，2009. 非平穩(wěn)人造地震動(dòng)反應(yīng)譜擬合技術(shù)研究. 天津城市建設(shè)學(xué)院.

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2001. 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2001）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，2004. 建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則（試用，CECS 160：2004）.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.

Study of Natural Design Seismic Wave

Pang Qunying1）, Xiao Yao2）and Li Dahua1，2）
1) Tianjin Seismological Bureau, Tianjin 300201, China
2) China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China

In this paper, we discuss the product problem of natural designed seismic wave and study the technical feasibility and rationality of generating the natural designed seismic wave by the actual engineering calculation.Detailed study is given to the natural designed seismic wave used in seismic isolation structure design of the Nest Building in Dushanbe of the Republic of Tajikistan. The results can meet the design requirements well. We also discuss some problems in the modulating technique of natural design seismic wave in the paper.

Earthquake ground motion；Strong ground motion record；Natural designed seismic wave；Artificial seismic wave

龐群英，肖遙，李大華，2011. 關(guān)于天然設(shè)計(jì)地震波的研究. 震災(zāi)防御技術(shù)，6（1）：85—90.

2010-08-12

龐群英，女，生于1973年。工程師。主要從事地震監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)工作。E-mail: pqunying@sina.com