太原地區(qū)反應(yīng)譜放大系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析★

董 斌 韓曉飛 史雙雙

(山西省地震災(zāi)害研究所，山西 太原 030002)

0 引言

反應(yīng)譜理論的提出，是地震工程學(xué)發(fā)展的重要理論之一，在抗震設(shè)計(jì)中廣泛采用，是確定地震動(dòng)輸入的重要依據(jù)。反應(yīng)譜是指在地震加速度作用下，單質(zhì)點(diǎn)體系隨質(zhì)點(diǎn)自振周期變化的曲線，以計(jì)算在地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。在地震工程領(lǐng)域，常采用加速度反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用[1]。標(biāo)準(zhǔn)化的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜由反應(yīng)譜平臺(tái)值、反應(yīng)譜放大系數(shù)、特征周期等幾個(gè)重要參數(shù)確定，合理地確定反應(yīng)譜特征值才能夠真實(shí)表達(dá)地震動(dòng)的特性。目前，反應(yīng)譜放大系數(shù)的研究較少，本文將結(jié)合收集到的2016年12月18日清徐地震強(qiáng)震動(dòng)記錄對(duì)太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜的形式

每條地震記錄都可以計(jì)算反應(yīng)譜，但同一個(gè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜之間數(shù)值變化大，形狀各異，不利于實(shí)際使用。為此，除專門規(guī)定外，將阻尼比統(tǒng)一為0.05，取相同場地條件下的地震加速度記錄，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)平均、平滑處理、簡化曲線得到的即標(biāo)準(zhǔn)化的反應(yīng)譜曲線[2](見圖1)。反映譜應(yīng)反映一般的變化規(guī)律，且方便實(shí)際使用。

反應(yīng)譜的幾個(gè)重要參數(shù)：1)T0：直線上升與平臺(tái)段交接的第一拐點(diǎn)周期，隨場地土層結(jié)構(gòu)略有變化，大多數(shù)取0.1 s，也有一些設(shè)計(jì)規(guī)范直接取0；2)Tg：特征周期，即平臺(tái)段與下降段交接點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期，反應(yīng)場地對(duì)長周期地震動(dòng)的放大作用，與場地類別密切相關(guān)；3)βmax：平臺(tái)的高度值，即反應(yīng)譜放大倍數(shù)，隨地震動(dòng)變化，一般在2.0～3.0之間，取值受經(jīng)濟(jì)實(shí)力影響；4)γ：下降段衰減指數(shù)，一般由實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果而來，根據(jù)不同的規(guī)范一般取值在0.9～1.0之間;有些反應(yīng)譜把下降段分為兩段，兩段的衰減指數(shù)取值各不相同；5)Tm：根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象而定，工作中一般取6.0 s，但對(duì)于大跨度橋梁、超高層建筑等是不夠的，需做專門研究[2]。

2 反應(yīng)譜放大系數(shù)

反應(yīng)譜的使用和發(fā)展在我國已有多年的歷史，隨著科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，已經(jīng)過多次的重大修改。自1959年第一部抗震規(guī)范草案的出現(xiàn)，已歷經(jīng)近60年的歷程。59版規(guī)范的出現(xiàn)以滿足建國初期的基本建設(shè)要求。1964年是我國自行編制的第一部抗震規(guī)范，首次提出四類場地的說法，并規(guī)定了放大系數(shù)βmax=3。1974年版抗震規(guī)范是我國正式發(fā)布的第一個(gè)抗震規(guī)范，其中正式提出了基巖、一般土、松軟土和異常松軟土四類場地的說法，奠定了現(xiàn)今抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并開始采用地震影響系數(shù)α，取βmax為2.25。這次βmax值的規(guī)定一直到今天仍在許多建筑行業(yè)規(guī)范中使用。1978年抗震規(guī)范只是在經(jīng)歷了唐山地震后，由于基礎(chǔ)設(shè)施破壞嚴(yán)重，把74年版的降低基本烈度使用改為按基本烈度使用。1989年，在結(jié)合多次震害經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮場地土層結(jié)構(gòu)和土層厚度，發(fā)布了新的抗震規(guī)范，加強(qiáng)了地震作用對(duì)場地的影響，并規(guī)定了βmax要在反應(yīng)譜中有所體現(xiàn)。進(jìn)入2000年后，在2001年和2010年，對(duì)抗震規(guī)范分別做出了修改，將場地類別、反應(yīng)譜適用范圍和長周期段等多處結(jié)合實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了補(bǔ)充完善，但放大系數(shù)βmax與74年版保持一致，仍然取值為2.25。

3 地震記錄資料

2016年12月18日在太原市清徐發(fā)生4.3級(jí)地震，震中位于N37.59°，E112.48°，震源深度5 km，震中烈度5度。本次地震有15個(gè)臺(tái)站記錄到強(qiáng)震動(dòng)記錄，通過對(duì)比分析，選取臺(tái)站附近有場地鉆孔資料且位于不同場地條件的6個(gè)臺(tái)站獲得的強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中晉祠臺(tái)為Ⅰ類場地，交城臺(tái)為Ⅱ類場地，其他臺(tái)站為Ⅲ類場地，無Ⅳ類場地臺(tái)站。

4 反應(yīng)譜放大系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

如前所述，目前很多實(shí)際使用的βmax值仍為2.25，自1974年抗震規(guī)范發(fā)布以來一直沿用至今。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)地震的不斷探索發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過十·五,十一·五,十二·五地震臺(tái)站的建設(shè)和強(qiáng)震資料的不斷增多，為研究反應(yīng)譜放大系數(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在最新發(fā)布的《中國地震帶參數(shù)區(qū)劃圖》中，反應(yīng)譜放大系數(shù)的分布主要集中在2.5附近，即放大系數(shù)βmax取值應(yīng)為2.5[3]。結(jié)合收集到的2016年太原市清徐地震強(qiáng)震記錄資料和臺(tái)站附近場地鉆孔資料[4]，本文將生成的加速度譜轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，依照?qǐng)龅仡悇e和震中距對(duì)太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)βmax進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表1，圖2，圖3。

表1 βmax統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見：1)由臺(tái)站地震記錄生成的反應(yīng)譜離散性較大，放大系數(shù)βmax介于2.1～3.3之間，而由鉆孔生成的反應(yīng)譜離散性較好，放大系數(shù)βmax優(yōu)勢范圍均分布于圖中所畫出的2.5附近；2)結(jié)合場地類別來看，兩圖中四個(gè)Ⅲ類場地小店、太鋼、清徐和太谷圖形一致，擬合較好，且反應(yīng)譜最大值對(duì)應(yīng)時(shí)間基本一致；3)從震中距方面，雖然本次地震事件較小，收集到的強(qiáng)震資料有限，對(duì)比兩圖發(fā)現(xiàn)，震中距仍對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)產(chǎn)生較大影響。距離相近的小店和清徐兩點(diǎn)無論是由反應(yīng)譜還是鉆孔生成的反應(yīng)譜圖形都高度相似，而距離最近的晉祠和距離最遠(yuǎn)的太鋼兩者的圖形則相差較大；4)由長周期段來看，反應(yīng)譜最大值都能較好地與場地類別對(duì)應(yīng)，在反應(yīng)譜下降段，兩者都趨勢一致，擬合較好。但由于實(shí)際工作中鉆孔計(jì)算所采用的覆蓋層厚度與觀測臺(tái)站的土層埋深相差較大，圖2中的中長周期段下降更快。

5 結(jié)語

本文結(jié)合2016年清徐4.3級(jí)地震收集到的強(qiáng)震動(dòng)記錄資料和場地條件為基礎(chǔ)，從場地類別和震中距統(tǒng)計(jì)分析了太原盆地內(nèi)太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)的規(guī)律。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示相對(duì)于由鉆孔生成的反應(yīng)譜，由地震記錄生成的反應(yīng)譜個(gè)別場地上的反應(yīng)譜放大系數(shù)離散性偏大，優(yōu)勢分布范圍也偏大，但平均特性表現(xiàn)較好，與整體趨勢保持一致。在此研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作與前人的研究，建議太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)值為2.5。由于本文僅采用清徐地震強(qiáng)震動(dòng)記錄反應(yīng)譜進(jìn)行分析，地震強(qiáng)度小、記錄數(shù)量分布不均勻，因此關(guān)于反應(yīng)譜放大系數(shù)的特性研究有待隨著資料的積累進(jìn)一步分析。本文研究結(jié)果既適用于太原市的一般建設(shè)工程項(xiàng)目的抗震設(shè)防要求工作，也可為今后的城市活斷層探測、地震小區(qū)劃、震害預(yù)測等工作提供場地地震影響方面的基礎(chǔ)性參考。