場(chǎng)地條件對(duì)抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的影響

郭 鋒, 吳東明, 許國(guó)富, 伋雨林

(1.中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430071； 2.湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院, 湖北 武漢 430056；3.華中科技大學(xué) a.土木工程與力學(xué)學(xué)院， b.控制結(jié)構(gòu)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430074)

我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001》2008版(以下簡(jiǎn)稱“01抗震規(guī)范”)，通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)地類別取用不同的特征周期Tg來(lái)考慮場(chǎng)地類別對(duì)地震作用的影響，僅在結(jié)構(gòu)自振周期大于特征周期Tg時(shí)，才考慮場(chǎng)地類別對(duì)地震作用的影響；而在0.1～Tg段(即反應(yīng)譜平臺(tái)段)，則沒有考慮場(chǎng)地類別對(duì)地震作用的影響。場(chǎng)地類別僅影響反應(yīng)譜的寬窄，各類場(chǎng)地上，反應(yīng)譜最大值均一樣。

事實(shí)上，大量的震害表明，烈度相同、場(chǎng)地類型不同時(shí)，震害差別很大。但按01抗震規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，所考慮的地震作用是一樣的，這意味著，可能一些場(chǎng)地上的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)偏大而導(dǎo)致浪費(fèi)；而另一些場(chǎng)地上的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)偏小而不安全。因此，探討場(chǎng)地條件對(duì)抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的影響，研究適合于我國(guó)場(chǎng)地類別的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的場(chǎng)地系數(shù)，為抗震設(shè)計(jì)提供參考，具有重要的意義。

美國(guó)1997版NEHRP(National Earthquake Hazard Reduction Program)規(guī)范推薦，使用Fa和Fv兩個(gè)場(chǎng)地系數(shù)，考慮場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的影響[1]。當(dāng)基巖地震動(dòng)小于或等于0.1g時(shí)，F(xiàn)a和Fv的數(shù)值主要是根據(jù)1985年墨西哥地震和1989年洛馬普瑞埃塔地震及此前獲取的強(qiáng)震記錄統(tǒng)計(jì)分析得到，且Fa為相應(yīng)類別場(chǎng)地與B類基巖場(chǎng)地在0.1～0.5 s范圍內(nèi)的加速度反應(yīng)譜比平均值，F(xiàn)v為相應(yīng)類別場(chǎng)地與B類基巖場(chǎng)地在0.4～2.0 s范圍內(nèi)的加速度反應(yīng)譜比平均值。而對(duì)于基巖輸入地震動(dòng)大于0.1g的情況，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)不足，是根據(jù)場(chǎng)地土層地震反應(yīng)數(shù)值分析的結(jié)果歸納的[2]。場(chǎng)地系數(shù)Fa和Fv較好地反應(yīng)了對(duì)地震動(dòng)中場(chǎng)地效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

我國(guó)一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論不盡相同。薄景山[3]利用美國(guó)西部235條地震動(dòng)記錄，提取標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜最大值，并按場(chǎng)地類別和地震動(dòng)強(qiáng)度分組，計(jì)算同一分組內(nèi)的反應(yīng)譜最大值的平均值，發(fā)現(xiàn)同一地震動(dòng)強(qiáng)度下，反應(yīng)譜最大值的平均值沒有明顯變化。結(jié)論是，目前強(qiáng)震觀測(cè)資料還不足以反映各種因素對(duì)反應(yīng)譜的影響。李小軍等[4]收集了近100個(gè)典型工程場(chǎng)地資料, 建立了與這些場(chǎng)地對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型, 并構(gòu)造出幾十個(gè)計(jì)算模型, 最后組成了188個(gè)一維成層土層場(chǎng)地計(jì)算模型。利用人工地震動(dòng)時(shí)程合成方法，采用不同幅值的地震動(dòng)輸入，計(jì)算場(chǎng)地地表反應(yīng)。結(jié)論是，不必考慮場(chǎng)地類別對(duì)加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜平臺(tái)值βm的影響，但要考慮場(chǎng)地類別對(duì)地震動(dòng)峰值加速度的影響。耿淑偉[2]選用470條有臺(tái)站場(chǎng)地資料的美國(guó)西部強(qiáng)震記錄，將這些臺(tái)站場(chǎng)地按01抗震規(guī)范進(jìn)行場(chǎng)地類別劃分，并將強(qiáng)震記錄按照震級(jí)(3檔)、震中距(6檔)、場(chǎng)地(3類)進(jìn)行分組，計(jì)算每一條地震記錄阻尼比為5%的反應(yīng)譜，再擬合成標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜，提取有效峰值加速度EPA，統(tǒng)計(jì)各分組中EPA的平均值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)EPA隨場(chǎng)地條件的不同有明顯變化的規(guī)律性，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值應(yīng)隨場(chǎng)地條件調(diào)整，并以Ⅱ類場(chǎng)地為基準(zhǔn)，將EPA分成7個(gè)區(qū)間，將Ⅰ、Ⅲ類各區(qū)間EPA除以Ⅱ類場(chǎng)地相對(duì)應(yīng)區(qū)間的EPA，即得出了場(chǎng)地系數(shù)。由于數(shù)據(jù)有些離散，參照1997版NEHRP規(guī)范作了一些調(diào)整，給出了場(chǎng)地系數(shù)建議值。

上述研究中，一些是采用人工合成地震動(dòng)，利用場(chǎng)地計(jì)算模型計(jì)算場(chǎng)地地表反應(yīng)；另一些是利用美國(guó)西部強(qiáng)震記錄來(lái)研究場(chǎng)地系數(shù)，且這些強(qiáng)震記錄是地表的。兩種研究方法存在的主要問(wèn)題：(1)場(chǎng)地土十分復(fù)雜，用人工合成地震動(dòng)和場(chǎng)地計(jì)算模型來(lái)研究場(chǎng)地系數(shù)，會(huì)使得場(chǎng)地系數(shù)變化反映的是計(jì)算模型表現(xiàn)出的規(guī)律性，沒有強(qiáng)震觀測(cè)數(shù)據(jù)直接反映的規(guī)律性可靠；(2)震中距相差10 km，震級(jí)相差0.5級(jí)，地表的地震動(dòng)差別顯然較大，將強(qiáng)震記錄按照震級(jí)、震中距、場(chǎng)地進(jìn)行分檔分組的方法來(lái)研究場(chǎng)地系數(shù)，結(jié)論有待強(qiáng)震記錄的檢驗(yàn)。呂紅山[5]指出研究場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)(峰值加速度、反應(yīng)譜)的影響，最直接的方法是建立井下臺(tái)陣進(jìn)行強(qiáng)震觀測(cè), 即在同一地點(diǎn)的地下不同深度設(shè)置強(qiáng)震儀, 通過(guò)比較地表土層與地下深處基巖的強(qiáng)震記錄, 分析場(chǎng)地土對(duì)地震動(dòng)的影響。這種方法綜合考慮了震源機(jī)制、震級(jí)、震中距等因素，能更加全面反映地震動(dòng)本身的特性。本文利用日本KIK-NET基巖強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)地下基巖面和地上地表面的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，研究場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的影響，并提出場(chǎng)地系數(shù)建議值。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

日本KIK-NET臺(tái)網(wǎng)是基巖強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，1995年兵庫(kù)地震后，日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(NIED)于1997年開始在全國(guó)建設(shè)KIK-NET臺(tái)網(wǎng)，共建立約700個(gè)觀測(cè)臺(tái)站，臺(tái)站的分布間距一般為20 km，并對(duì)這些臺(tái)站的場(chǎng)地進(jìn)行了詳細(xì)勘察。該臺(tái)網(wǎng)在每個(gè)臺(tái)站的地表以及地下100～200 m處的基巖上分別設(shè)置一個(gè)強(qiáng)震儀，同時(shí)記錄相同地點(diǎn)不同深度的三分量(E-W、N-S、U-D)地震動(dòng)加速度數(shù)據(jù)[6]。本文從該臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中選取了85個(gè)臺(tái)站12次地震共242組(484條)水平向地震記錄(每組含有地下基巖和地表2條地震波數(shù)據(jù))，并根據(jù)臺(tái)站場(chǎng)地資料，按照01抗震規(guī)范進(jìn)行場(chǎng)地分類，數(shù)據(jù)的基本情況見表1。

表1 數(shù)據(jù)基本情況

注：括號(hào)中數(shù)字表示地震波條數(shù)。

2 場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的影響

首先對(duì)每條地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的基線校正，提取地下基巖處峰值加速度PGA，再計(jì)算每一條地震波阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜。將地下基巖處峰值加速度PGA分為四個(gè)區(qū)間：小于0.05g, 0.05～0.13g, 0.13～0.18g,大于0.18g, 分別對(duì)應(yīng)基巖輸入地震動(dòng)為0.05g, 0.10g, 0.15g, 0.20g。由于地下基巖處PGA大于0.25g的地震波較少，故地下基巖處PGA只分為四個(gè)區(qū)間。將各PGA區(qū)間對(duì)應(yīng)的地表反應(yīng)譜進(jìn)行算術(shù)平均，即得到了各類別場(chǎng)地在不同基巖輸入地震動(dòng)情況下的地表平均反應(yīng)譜曲線，見圖1。

圖1表現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性：(1)在短周期段，Ⅱ類場(chǎng)地的反應(yīng)譜值最大，表明Ⅱ類場(chǎng)地在短周期段的場(chǎng)地放大作用最大；(2)Ⅰ類場(chǎng)地的反應(yīng)譜最大值僅比Ⅱ類場(chǎng)地小，且所處的周期范圍很小；(3)Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地的反應(yīng)譜最大值較Ⅰ、Ⅱ類場(chǎng)地小，且所處的周期范圍較大；(4)在長(zhǎng)周期段，Ⅳ類場(chǎng)地的反應(yīng)譜最大，Ⅰ類場(chǎng)地的反應(yīng)譜最小，即反應(yīng)譜值隨場(chǎng)地的變軟而變大。由此可知：自振周期較短的結(jié)構(gòu)在硬土地基上所受的地震作用較大，其震害較重；自振周期較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)在軟土地基上所受的地震作用較大，其震害較重。這與實(shí)際地震中的震害是一致的。01抗震規(guī)范中，在長(zhǎng)周期段，場(chǎng)地越軟，所考慮的地震作用越大，這與(3)、(4)相吻合；而在短周期——反應(yīng)譜平臺(tái)段，未考慮場(chǎng)地類別對(duì)反應(yīng)譜的影響，與(1)、(2)不相符，說(shuō)明01抗震規(guī)范關(guān)于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的規(guī)定尚需改進(jìn)、完善。

(a) PGA=0.05g

(b) PGA=0.10g

(c) PGA=0.15g

3 不同場(chǎng)地類別的場(chǎng)地系數(shù)

01抗震規(guī)范中，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值平臺(tái)段的范圍為0.1～Tg，特征周期Tg的范圍為0.25～0.9 s，參照美國(guó)NEHRP規(guī)范，取各場(chǎng)地地表與地下基巖在0.1～0.5 s范圍內(nèi)的加速度反應(yīng)譜比平均值作為該場(chǎng)地的場(chǎng)地放大倍數(shù)。將地下基巖處各PGA區(qū)間對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地放大倍數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，其結(jié)果見表2。

表2 場(chǎng)地放大倍數(shù)

以Ⅰ類場(chǎng)地為基準(zhǔn)，將Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地放大倍數(shù)分別除以Ⅰ類場(chǎng)地對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地放大倍數(shù)，即得到各類場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的場(chǎng)地系數(shù)(以下簡(jiǎn)稱“場(chǎng)地系數(shù)”)，見表3。

表3 各類場(chǎng)地的場(chǎng)地系數(shù)

表2、表3所表現(xiàn)的規(guī)律性十分明顯：(1)不同類別場(chǎng)地在短周期對(duì)地震動(dòng)的放大作用有顯著的差別，因此設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值應(yīng)隨場(chǎng)地類別進(jìn)行調(diào)整；(2)Ⅱ類場(chǎng)地對(duì)基巖輸入地震動(dòng)的放大作用最強(qiáng)，其場(chǎng)地放大倍數(shù)達(dá)到6.44，場(chǎng)地系數(shù)達(dá)到1.8，其次是Ⅲ類場(chǎng)地，而Ⅰ類場(chǎng)地最小，這反映了土的非線性作用；(3)場(chǎng)地放大倍數(shù)(場(chǎng)地系數(shù))隨著基巖輸入地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而減小。需要指出的是，Ⅳ類場(chǎng)地由于地震波數(shù)量偏少，其規(guī)律性弱于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場(chǎng)地情況。

依據(jù)上述規(guī)律，將場(chǎng)地系數(shù)做小幅調(diào)整，并推導(dǎo)至基巖輸入地震動(dòng)為0.3g和0.4g兩種情況，得到的場(chǎng)地系數(shù)建議值見表4。

表4 場(chǎng)地系數(shù)建議值

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于場(chǎng)地系數(shù)研究現(xiàn)狀，通過(guò)直接利用井下強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)強(qiáng)震記錄的方法研究場(chǎng)地條件對(duì)加速度反應(yīng)譜的影響，得出了不同類別場(chǎng)地在短周期對(duì)地震動(dòng)的放大作用差別較大，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值應(yīng)考慮場(chǎng)地條件的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析，給出了不同類別場(chǎng)地的場(chǎng)地系數(shù)建議值，可供抗震設(shè)計(jì)規(guī)范修訂時(shí)參考。

由于Ⅳ類場(chǎng)地強(qiáng)震數(shù)據(jù)較少，且缺少地下基巖輸入地震動(dòng)為0.3g和0.4g的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，其場(chǎng)地系數(shù)屬于推導(dǎo)性質(zhì)，尚待積累更多的強(qiáng)震數(shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行檢驗(yàn)和進(jìn)一步研究。

[1] NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures (1997 edition) [S] . Washington DC: Building Seismic Safety Council ,1998.

[2] 耿淑偉.抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中地震作用的規(guī)定[D]. 哈爾濱:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,2005.

[3] 薄景山.場(chǎng)地分類和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜調(diào)整方法研究(博士后研究報(bào)告)[R].哈爾濱:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,1998.

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