呈貢新區(qū)場(chǎng)地土對(duì)地震動(dòng)放大作用及特征周期的影響

申鵬翔，費(fèi)維水*，田衛(wèi)群

(1. 昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明　650500；2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，昆明　650500)

呈貢新區(qū)場(chǎng)地土對(duì)地震動(dòng)放大作用及特征周期的影響

申鵬翔1，費(fèi)維水1*，田衛(wèi)群2

(1. 昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明650500；2.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院，昆明650500)

摘要：在呈貢新區(qū)不同工程場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告的基礎(chǔ)上，建立一維水平成層土層模型，分析該區(qū)域場(chǎng)地地震響應(yīng)，研究該地區(qū)場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)的放大作用及對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期的影響，給出了不同地震作用時(shí)特征周期的變化范圍，為建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析時(shí)合理地選取地震動(dòng)參數(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：呈貢新區(qū)；特征周期；頻譜特性

0引言

場(chǎng)地條件、地震動(dòng)強(qiáng)度、震中距等因素，都會(huì)給地震動(dòng)參數(shù)的取值產(chǎn)生較大的影響，然而合理的地震動(dòng)參數(shù)的取值是進(jìn)行地震波選擇、建筑物地震模擬的重要保證。雖然，建筑工程抗震規(guī)范給出了統(tǒng)計(jì)意義上的參數(shù)取值，但不同地區(qū)具體場(chǎng)地的地震動(dòng)參數(shù)與規(guī)范規(guī)定值稍有差異，為更好地進(jìn)行建筑物的抗震研究，本文基于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)規(guī)定取值的基礎(chǔ)上，對(duì)呈貢新區(qū)場(chǎng)地在不同地震影響作用下進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算，采用雙參數(shù)標(biāo)定原則，給出該區(qū)域設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜特性周期建議值。

由于土的非線性特性，對(duì)于場(chǎng)地的地震反應(yīng)分析研究是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。眾多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了大量的研究[1-3]，邢海靈[4]通過(guò)對(duì)400條地震記錄的研究，以等效線性化方法求得地震波的傳遞函數(shù)，根據(jù)傳遞函數(shù)及輸入地震動(dòng)功率譜直接計(jì)算地表反應(yīng)譜；李小軍等[5-6]采用等效線性化方法，建立大量的一維場(chǎng)地模型，給出不同峰值加速度、各類場(chǎng)地放大系數(shù)及特征周期的參考值。廖振鵬、郭曉云等[7-8]采用地表峰值加速度、峰值速度標(biāo)定設(shè)計(jì)反應(yīng)譜特征周期的方法。本文將采用shake程序[9]進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)分析，研究場(chǎng)地土對(duì)地震動(dòng)的放大作用、地表反應(yīng)譜，采用雙參數(shù)標(biāo)定原則計(jì)算場(chǎng)地特征周期。

1場(chǎng)地條件

通過(guò)對(duì)呈貢新區(qū)建筑工程場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告的搜集，選取雨花片區(qū)具有代表性的15個(gè)鉆孔進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)分析。其中7個(gè)III類場(chǎng)地，8個(gè)II類場(chǎng)地(這8個(gè)鉆孔中，有的是該鉆孔直接揭露，有的是由旁邊鉆孔揭露的基巖埋深)。此處列出不同類型場(chǎng)地土土層物理力學(xué)參數(shù)(表1)。各土層動(dòng)力學(xué)參數(shù)剪切模量比(G/Gmax)、阻尼比(ζ)與剪應(yīng)變(γ)的關(guān)系取值見(jiàn)表2，取值依據(jù)為《建筑工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》(GB17741—2005)。

2地震波的選取

若根據(jù)該場(chǎng)地的實(shí)測(cè)場(chǎng)地特征周期等參數(shù)選取地震波強(qiáng)震記錄，直接用于基巖層進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)分析，再次通過(guò)場(chǎng)地土的“過(guò)濾”作用，重復(fù)改變地震波固有的頻譜特性，此法顯然是不合適的。因此，本文將依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)規(guī)定的I類場(chǎng)地土的地震動(dòng)參數(shù)，生成設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，依據(jù)反應(yīng)譜選取3條人工波，且在不同地震影響(多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震)作用下分別進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算，共計(jì)9條人工波，對(duì)計(jì)算結(jié)果取平均值作為該區(qū)域地震動(dòng)參數(shù)建議值。地震動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表3，因篇幅所限，此處僅列舉設(shè)防地震的一條人工波(圖1)。

表1　ZK1-1、ZK1-2土層物理力學(xué)參數(shù)

表2　土層剪切模量比(G/Gmax)、阻尼比(ζ)與剪應(yīng)變(γ)關(guān)系值

表3　基巖地震動(dòng)參數(shù)取值

圖1　設(shè)防地震時(shí)地震波加速度時(shí)程曲線

3較基巖地震動(dòng)峰值加速度放大作用

通過(guò)研究放大系數(shù)，即地表峰值加速度與輸入地震動(dòng)峰值加速度的比值，可以了解該區(qū)域在不同地震影響作用時(shí)地震動(dòng)強(qiáng)度的變化情況，以便在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)能夠更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系、配筋計(jì)算及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)分析，使結(jié)構(gòu)具有更好的經(jīng)濟(jì)適用性。本文還對(duì)同一鉆孔中不同土層對(duì)輸入峰值加速度放大作用進(jìn)行了研究，目的在于分析該場(chǎng)地土層最不利位置(即土層中峰值加速度突變處)，以便在地基處理時(shí)對(duì)該層土進(jìn)行加固，提高場(chǎng)地的地基承載力。由于篇幅所限，此處僅列出ZK1-1、ZK1-2鉆孔資料及部分計(jì)算結(jié)果。

圖2　各土層峰值加速度(ZK1-1)

圖3　各土層峰值加速度(ZK1-2)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告對(duì)土層的分層情況及圖2～圖3可知，在基巖層上層粘土處會(huì)出現(xiàn)較大突變，至地表各土層峰值加速度將逐漸增大。由此可知：當(dāng)上下土層土性差異較大時(shí)，上層土峰值加速度較下層土將發(fā)生突變。ZK1-1、ZK1-2最下層土等效剪切波速分別為259.86 m/s、268.10 m/s，但ZK1-2最下層土層厚度為ZK1-1最下層土層的3.43倍。經(jīng)大量研究表明，在一定范圍內(nèi)，放大系數(shù)隨土層厚度的增大而變大。因此，當(dāng)剪切波速相差不大的情況下，土層厚度占據(jù)了較大因素，使得ZK1-1最小土層峰值加速度出現(xiàn)了跳躍式變化。對(duì)于同一塊工程場(chǎng)地，同時(shí)含有III類場(chǎng)地及II類場(chǎng)地，且土質(zhì)情況相似時(shí)，II類場(chǎng)地地表峰值加速度大于III類場(chǎng)地，即II類場(chǎng)地放大作用更加明顯，且在罕遇地震作用時(shí)表現(xiàn)更明顯。

注：沿X軸方向是土層編號(hào)由小至大的順序圖4　ZK1-1各土層加速度放大系數(shù)

注：沿X軸方向是土層編號(hào)由小至大的順序圖5　ZK1-2各土層加速度放大系數(shù)

由圖4～圖5可知：地表處的放大系數(shù)隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而變大，中間層在多遇地震和設(shè)防地震作用下的放大系數(shù)較為接近，但在罕遇地震作用下的放大系數(shù)明顯大于其他2種地震影響作用，表明土體的非線性受地震動(dòng)強(qiáng)度的影響較大，尤其在大震作用下；當(dāng)受中、小震作用時(shí)，接近地表土層的放大系數(shù)呈現(xiàn)規(guī)律性變化。

4對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜特征周期影響的研究

(1)

式中：Vmax、Amax分別代表地表峰值速度、峰值加速度。

地表峰值加速度由shake程序計(jì)算直接給出，通過(guò)地表加速度時(shí)程曲線，采用SeismoSignal程序擬合出速度反應(yīng)譜，按式(1)計(jì)算出反應(yīng)譜特征周期Tg。該場(chǎng)地15個(gè)鉆孔土層深度范圍為0～60m，本文將此范圍劃為0～10m、10～20m、20～30m、30～40m、40～50m、大于50m進(jìn)行設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期統(tǒng)計(jì)(表4)。

表4　不同土層深度特征周期參考取值

通過(guò)對(duì)該場(chǎng)地15個(gè)鉆孔資料的場(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算分析可知：在同一地震影響下，該場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期隨著土層深度的增大而變大；但對(duì)于同一厚度范圍內(nèi)場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期沒(méi)有規(guī)律性變化，這與各個(gè)厚度范圍內(nèi)的鉆孔數(shù)量的不均勻及地震波的選取有關(guān)。本文的地震波選取與地震動(dòng)峰值加速度、特征周期及地震影響系數(shù)均有關(guān)，并非僅僅采用改變地震動(dòng)峰值加速度進(jìn)行計(jì)算。

5結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)呈貢新區(qū)15個(gè)鉆孔資料進(jìn)行地震反應(yīng)分析計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)相鄰?fù)翆有再|(zhì)差異較大時(shí)(即剪切波速、土層深度位置、地震影響作用)，上層土較下層土的峰值加速度產(chǎn)生較大突變(發(fā)生跳躍變動(dòng))，在鉆孔資料中剪切波速并不呈規(guī)律性變化，各土層峰值加速度變化出現(xiàn)跳躍也屬合理。土層峰值加速度受以上3個(gè)因素影響較大，故實(shí)際工程中應(yīng)著重研究土層差異較大處。

2)由于土體的非線性地表峰值加速度受地震動(dòng)強(qiáng)度的影響較大，特別是在大震作用下。當(dāng)場(chǎng)地受中小震作用時(shí)，接近地表土層的放大系數(shù)呈規(guī)律性變化。II類場(chǎng)地鉆孔土層地表峰值加速度大于III類場(chǎng)地，即II類場(chǎng)地放大作用更加明顯，且放大作用在罕遇地震作用時(shí)表現(xiàn)更明顯。

3)通過(guò)雙參數(shù)標(biāo)定原則，計(jì)算該區(qū)域場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜特征周期，在多遇地震作用時(shí)特征周期變化范圍在0.34～0.76 s，在設(shè)防地震作用時(shí)變化范圍在0.35～0.70 s，在罕遇地震作用下變化范圍在0.38～0.74 s。在同一種地震影響作用下，反應(yīng)譜特征周期隨著土層厚度的增大而變大。

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Effection of Chenggong Site Soil on Amplification and Characteristic Period of Ground Motion

SHEN Peng-xiang1, FEI Wei-shui1, TIAN Wei-qun2

(1.Faculty of Architectural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Yunnan Institute of Science and Technology of Highway, Kunming 650500, China)

Abstract:On the basis of geotechnical investigation report of different projects in Chenggong, Kunming, we establish a one-dimensional horizontal soil layer modal. Using the modal, we analyze the region site seismic response and study the amplification of the site to ground motion and seismic design response spectrum characteristic, and then give the range of the characteristic period under different earthquake respectively. The result may provide reference on selecting reasonable ground motion parameter for architecture structure dynamic analysis.

Key words:Chenggong; characteristic period; spectrum characteristic

收稿日期:2015-10-26

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金(2014J019)

作者簡(jiǎn)介：申鵬翔(1991—)，男，河南平頂山人，碩士，研究方向：工程抗震.E-mail：spx9101@163.com *通訊作者：費(fèi)維水(1964—)，男，安徽合肥人，教授，主要從事土木工程研究.E-mail：fws6407@163.com

中圖分類號(hào):P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1003-1375(2016)02-0032-04

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.006

申鵬翔，費(fèi)維水，田衛(wèi)群．呈貢新區(qū)場(chǎng)地土對(duì)地震動(dòng)放大作用及特征周期的影響[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(2):32-35.