北京盆地結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的影響

付長(zhǎng)華

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）

（作者電子信箱，付長(zhǎng)華：fuchanghua＠eyou．com）

由于城市人口的快速增多以及地價(jià)飛漲等原因，高層建筑已經(jīng)大量涌現(xiàn)于各個(gè)城市之中，并且數(shù)量仍在繼續(xù)攀升。另一方面，許多城市均建造于盆地內(nèi)部，同時(shí)具有發(fā)生大地震的構(gòu)造背景，如我國(guó)的北京、銀川、西安、呼和浩特等。歷史上多次大地震中的建筑震害特征表明，盆地對(duì)地震動(dòng)的長(zhǎng)周期成分有顯著的放大效應(yīng)，可以對(duì)城市中的高層建筑產(chǎn)生很強(qiáng)的破壞作用。因此，盆地內(nèi)高層建筑的抗震設(shè)防問(wèn)題日顯重要。然而，在我國(guó)現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以及地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范中，還尚未就盆地對(duì)地震動(dòng)的放大效應(yīng)做出明確解釋和規(guī)定，這給城市的震害防御以及合理的未來(lái)規(guī)劃埋下了隱患。

北京市作為我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，其地位的重要性毋庸置疑。同時(shí)，從科學(xué)研究角度來(lái)看，一則北京市坐落于典型盆地構(gòu)造的范圍內(nèi)，且具有發(fā)生大地震的構(gòu)造背景；二則數(shù)千棟25層以上的高層住宅和100m以上的超高層商用建筑已經(jīng)建成，并有加速建造的趨勢(shì)。這些建筑的自振周期通常在3s以上，有的甚至可長(zhǎng)達(dá)10s。地震時(shí)，它們易與3～10s長(zhǎng)周期地震動(dòng)形成共振而產(chǎn)生巨大的地震破壞。此外，強(qiáng)烈的地面晃動(dòng)也可引發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害。這些都將導(dǎo)致大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，也加大了地震應(yīng)急救援的難度。因此，研究北京盆地結(jié)構(gòu)對(duì)3～10s長(zhǎng)周期地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的放大效應(yīng)，可以明確北京盆地內(nèi)高層建筑合理的抗震設(shè)防要求，給盆地內(nèi)城市的未來(lái)規(guī)劃、新建高層建筑抗震設(shè)計(jì)、高層建筑的震害防御、應(yīng)急救援提供科學(xué)的依據(jù)。

針對(duì)北京盆地內(nèi)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)記錄嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀，本文采用并行有限差分地震動(dòng)數(shù)值模擬方法，研究了北京三維盆地結(jié)構(gòu)對(duì)3～10s長(zhǎng)周期地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的放大效應(yīng)。主要內(nèi)容和結(jié)論有：

（1）闡述了有限差分模擬長(zhǎng)周期地震動(dòng)的基本原理及其并行化計(jì)算的實(shí)施方案，介紹了用于地震動(dòng)模擬的并行計(jì)算平臺(tái)。

（2）通過(guò)對(duì)地震勘探資料、地質(zhì)資料、鉆孔資料、波速測(cè)試資料及其他調(diào)查資料的收集與整理，在現(xiàn)有北京盆地模型的基礎(chǔ)上疊加了地形條件，建立了含起伏地形的盆地地下介質(zhì)三維速度結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)對(duì)北京盆地內(nèi)5級(jí)以上歷史地震和活動(dòng)斷層活動(dòng)特征的分析，建立了符合北京盆地地震構(gòu)造背景的強(qiáng)震震源模型，為有限差分地震動(dòng)模擬提供了正確的震源參數(shù)。

（3）通過(guò)對(duì)7個(gè)震源輸入下的地震動(dòng)模擬，分析了北京盆地結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的放大特征，指出雖然不同震源參數(shù)會(huì)在一定程度上造成盆地放大效應(yīng)的差異，但盆地結(jié)構(gòu)一直是控制3～10s長(zhǎng)周期地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜放大的主導(dǎo)因素。盆地對(duì)加速度反應(yīng)譜的放大系數(shù)與盆地內(nèi)沉積物的厚度之間關(guān)系密切，近地表的第四系和第三系的厚度都對(duì)盆地放大效應(yīng)有很大的影響，其中第四系的影響程度更為突出。

（4）提出了“盆地等效沉積物厚度”的概念，給出了盆地結(jié)構(gòu)對(duì)3～10s長(zhǎng)周期地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的平均放大系數(shù)與盆地等效沉積物厚度之間的相關(guān)函數(shù)。結(jié)果表明，盆地放大效應(yīng)不能簡(jiǎn)單地用乘以某一系數(shù)來(lái)表征，它與盆地內(nèi)等效沉積物厚度有很強(qiáng)的相關(guān)性，隨著等效沉積物厚度增加而增加，相關(guān)性函數(shù)可回歸為清晰的二項(xiàng)式方程。

（5）當(dāng)?shù)刃С练e物厚度大于200m時(shí)，在3～10s周期范圍內(nèi)，盆地結(jié)構(gòu)對(duì)3s周期地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的放大作用最為顯著，隨著周期增大，放大作用逐漸減弱；當(dāng)?shù)刃С练e物厚度和反應(yīng)譜周期一定時(shí)，盆地結(jié)構(gòu)對(duì)水平分量加速度反應(yīng)譜的平均放大系數(shù)大于豎向分量，而在兩個(gè)水平分量中，盆地結(jié)構(gòu)對(duì)平行斷層分量加速度反應(yīng)譜的平均放大系數(shù)要大于垂直斷層分量。

（6）對(duì)比了盆地放大效應(yīng)與地表土層放大效應(yīng)。當(dāng)盆地等效沉積物厚度不大于500m時(shí)，盆地對(duì)周期T≥3s的加速度反應(yīng)譜的放大系數(shù)與地表土層放大率大致相當(dāng)；但在盆地等效沉積物厚度較大的區(qū)域，盆地放大效應(yīng)明顯大于地表土層放大效應(yīng)。

（7）基于回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將北京盆地結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的平均放大系數(shù)進(jìn)行了分區(qū)，為北京市的震害防御和未來(lái)規(guī)劃等提供了科學(xué)的參考。

（8）統(tǒng)計(jì)了北京市25層以上高層住宅和100m以上超高層商用建筑的分布、層數(shù)及高度等信息，計(jì)算了這些建筑結(jié)構(gòu)的自振周期。根據(jù)不同周期時(shí)盆地對(duì)加速度反應(yīng)譜的放大系數(shù)的分區(qū)結(jié)果：① 探討了現(xiàn)有這些高層建筑的地震致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平與盆地結(jié)構(gòu)的關(guān)系。指出城市東部CBD及以東地區(qū)的大部分建筑、西二環(huán)到西三環(huán)之間南半段內(nèi)的建筑、以及北五環(huán)以北地區(qū)的部分建筑受到盆地放大效應(yīng)的影響最為突出，在大地震中可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的地震災(zāi)害，是今后地震應(yīng)急準(zhǔn)備和地震救援工作中應(yīng)著重考慮的對(duì)象；② 指出順義凹陷、大廠凹陷的中心區(qū)域，盆地放大效應(yīng)非常明顯。在城市未來(lái)規(guī)劃時(shí)，該區(qū)域應(yīng)盡量避免建造同類高層建筑；③ 在盆地放大系數(shù)較小的其他地區(qū)建造同類高層建筑時(shí)，建議參考本論文的研究結(jié)果，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)自振周期的大小，適當(dāng)提高建筑物的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。