時(shí)微動(dòng)觀測(cè)在磚混結(jié)構(gòu)建筑群振動(dòng)特性及抗震能力快速判斷中的應(yīng)用1

楊彥明 那仁滿都拉 胡 博 阿那爾 楊志明

時(shí)微動(dòng)觀測(cè)在磚混結(jié)構(gòu)建筑群振動(dòng)特性及抗震能力快速判斷中的應(yīng)用1

楊彥明1）那仁滿都拉2）胡 博1）阿那爾1）楊志明3）

1）內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010 2）內(nèi)蒙古師范大學(xué)，自然災(zāi)害防治研究所，呼和浩特 010022 3）內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，建筑學(xué)院，呼和浩特 010051

城市建筑群中磚混結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量眾多，抗震性能較弱，在地震中的破損率較高，逐一進(jìn)行抗震性能測(cè)定難度巨大。本文提出基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的城市磚混結(jié)構(gòu)建筑群抗震性能快速評(píng)價(jià)方法，提供初步的決策參考建議，適用于在大范圍城市建筑群中快捷地篩選易損建筑。選取呼和浩特市區(qū)331棟磚混結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行振動(dòng)特性分析，分別建立適用于研究區(qū)域建筑物長(zhǎng)軸和短軸平均共振周期與建筑物樓層數(shù)的回歸關(guān)系，作為衡量研究區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑群抗震能力的快速判斷標(biāo)準(zhǔn)。篩選出82棟抗震能力較弱的易損建筑，其中24棟為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，主要分布于人口較為密集的老舊城區(qū)，多為4層（含）以上住宅類型，建筑年代較為久遠(yuǎn)，具有面臨潛在地震危害的風(fēng)險(xiǎn)，為下一步有針對(duì)性地進(jìn)行抗震加固和防震減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

呼和浩特 磚混結(jié)構(gòu) 振動(dòng)特性 抗震能力 快速判斷

引言

內(nèi)蒙古地域遼闊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是我國(guó)地震活動(dòng)較為頻繁的省區(qū)之一。區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震主要發(fā)生在人口較為稠密的中西部地區(qū)（楊彥明等，2017）。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造屬于河套斷陷帶，行政區(qū)劃包括呼和浩特、包頭和巴彥淖爾。歷史上，公元前7年河套大地震、公元183年五原大地震以及公元849年包頭西7級(jí)、1929年畢克齊6.0級(jí)、1976年呼和浩特和林格爾6.3級(jí)、1979年五原6.0級(jí)、1996年包頭6.4級(jí)等破壞性地震，均造成嚴(yán)重的地震災(zāi)害損失。由于共振作用，大量房屋遭受嚴(yán)重破壞（劉曾武，1992），而建筑物抗震能力差是造成地震人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因（張衛(wèi)華，2007）。

目前，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)存在大量磚混結(jié)構(gòu)建筑，其基本組成材料之間的連接方式?jīng)Q定其本身具有脆性性質(zhì)（黃博等，2015），抗剪、抗彎以及抗拉強(qiáng)度較差，抗震能力較弱，容易發(fā)生脆性破壞（孔芳芳，2017）。對(duì)以往歷次地震震害情況的研究表明，多層磚混結(jié)構(gòu)建筑在強(qiáng)烈地震作用下，發(fā)生損壞和倒塌的比例大，對(duì)人員生命和財(cái)產(chǎn)均造成嚴(yán)重?fù)p害（吳永芳，2011；賈潔等，2011；張合等，2017），是導(dǎo)致嚴(yán)重震害的薄弱環(huán)節(jié)（楊娜等，2018）。因此，對(duì)現(xiàn)有磚混結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行排查是目前我國(guó)房屋抗震鑒定和進(jìn)行加固的重點(diǎn)（吳亞男，2014）。

城市建筑群中磚混結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量巨大，逐一進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析以及抗震性能測(cè)定需要消耗大量人力和物力，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，難度大。由于無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)掌握大量現(xiàn)存房屋的抗震能力（吳亞男，2014），難以快速完成城市建筑群中易損建筑的篩選工作，因此迫切需要探索適用于大范圍城市建筑群，且相對(duì)簡(jiǎn)易快捷的磚混結(jié)構(gòu)抗震能力判斷方法，能夠提供初步的決策參考建議，方便快捷地篩選易損建筑，為最終有針對(duì)性地對(duì)重點(diǎn)關(guān)注建筑進(jìn)行詳細(xì)的安全性等級(jí)計(jì)算提供可靠基礎(chǔ)。

破壞性地震發(fā)生后，建筑物的破壞程度受震級(jí)、傳播路徑、地基以及建筑物振動(dòng)特性等因素影響（傅唯一，1991）。目前，由于地震預(yù)報(bào)難度大，震級(jí)和傳播路徑2個(gè)因素?zé)o法預(yù)先判定，但地基以及建筑物的振動(dòng)特性可通過(guò)常時(shí)微動(dòng)測(cè)試進(jìn)行確定。利用不同樓層建筑共振周期數(shù)據(jù)，間接推斷建筑物的抗震能力（那仁滿都拉等，2015），快速篩選抗震能力較差的易損建筑，并有針對(duì)性地進(jìn)行抗震加固，以減少此類結(jié)構(gòu)建筑在破壞性地震發(fā)生時(shí)的受損比例。

常時(shí)微動(dòng)測(cè)試屬于工程地震學(xué)范疇，是獲取場(chǎng)地地基土動(dòng)力特征的重要手段，也是確定場(chǎng)地卓越周期和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征的簡(jiǎn)捷方式（吳志堅(jiān)等，2009），在場(chǎng)地土類別劃分、震害預(yù)測(cè)、地震安全性評(píng)價(jià)和地震小區(qū)劃等工作中被廣泛應(yīng)用（布仁等，2014；那仁滿都拉等，2016）。一般情況下，地球表面在任何時(shí)刻都有不為人感知的微弱振動(dòng)，其位移從幾微米至幾十微米，振動(dòng)周期范圍在0.5s至數(shù)秒之間，微動(dòng)信號(hào)可通過(guò)靈敏度較高的儀器進(jìn)行記錄。根據(jù)信號(hào)周期大小將微動(dòng)劃分為短周期微動(dòng)和長(zhǎng)周期微動(dòng)，短周期微動(dòng)主要由人工振動(dòng)源引起，而長(zhǎng)周期微動(dòng)由自然現(xiàn)象的變化引起，振動(dòng)周期在1s以下的微動(dòng)稱為常時(shí)微動(dòng)。日本學(xué)者OMORI在1908年首次觀測(cè)到周期1s以下的短周期微動(dòng)，隨后ISHIMOTO提出地基卓越周期存在的觀點(diǎn)（劉曾武，1992）。此后，眾多學(xué)者開始研究地面微動(dòng)和卓越周期之間的關(guān)系。劉曾武（1992）研究表明，通過(guò)常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)結(jié)果可以估算場(chǎng)地土層的放大特性，其功率譜第一峰值所對(duì)應(yīng)的頻率與烈度、震害與卓越周期之間均存在一定關(guān)系。

本文以呼和浩特為研究區(qū)域，以磚混結(jié)構(gòu)建筑群為研究對(duì)象，應(yīng)用常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)方法，獲取建筑物的振動(dòng)周期，通過(guò)對(duì)振動(dòng)特性分析，進(jìn)一步對(duì)呼和浩特磚混結(jié)構(gòu)建筑群的抗震能力進(jìn)行快速判斷，為易損建筑篩選和抗震加固等工作提供依據(jù)。

1 研究對(duì)象與常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)

1.1 測(cè)量?jī)x器

微動(dòng)儀主要由傳感器、檢波器、放大器、電子數(shù)據(jù)記錄器、濾波器、GPS天線和電源組成。將傳感器固定在特制的可調(diào)平鋼板上，以勘測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，分別測(cè)試觀測(cè)場(chǎng)地東西（EW）、南北（NS）2個(gè)水平方向以及垂直（UD）方向的速度分量。此次對(duì)呼和浩特地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑群進(jìn)行抗震能力評(píng)價(jià)所使用的微動(dòng)儀器為便攜式振動(dòng)測(cè)量?jī)x，儀器型號(hào)為McSEIS-MT NEO，放大器的放大范圍1—32倍，儀器頻率范圍0.1—200Hz，數(shù)據(jù)采集模式主要分為連續(xù)、觸發(fā)和時(shí)窗3種。

1.2 研究區(qū)域及觀測(cè)對(duì)象

常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)對(duì)象全部來(lái)源于呼和浩特（110.77°—112.17°E，40.85°—41.13°N），位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，陰山山脈中段南麓，地處華北克拉通邊緣，呼包斷陷盆地東北端。磚混結(jié)構(gòu)是呼和浩特大量存在的一類建筑，集中建設(shè)于20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初期，主要分布在呼和浩特市老舊城區(qū)及周邊區(qū)域。依據(jù)呼和浩特城區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑的分布特點(diǎn)以及地形地貌特征，共抽樣篩選出331棟建筑物進(jìn)行觀測(cè)，建筑物年代覆蓋1956—2015年間，樓層總數(shù)為2—6層。其中，20世紀(jì)50—60年代的建筑9棟，70年代的建筑20棟，80年代的建筑90棟，90年代的建筑95棟；21世紀(jì)初期的建筑101棟，2010年以后的建筑16棟；2層建筑7棟，3層建筑25棟，4層建筑64棟，5層建筑82棟，6層建筑153棟。

觀測(cè)對(duì)象樣本集中分布于111.58°—11.75°E，40.75°—40.88°N（圖1）。研究所選取的觀測(cè)建筑樣本數(shù)量和類型見圖2，其中，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初期建設(shè)的建筑物共286棟，占全部觀測(cè)對(duì)象樣本的86.4%；4層以上建筑共299棟，占全部觀測(cè)對(duì)象樣本數(shù)量的90.3%。觀測(cè)對(duì)象單層建筑面積總計(jì)252417.33m2，最小單層建筑面積110m2，最大5492m2。建筑物形狀以長(zhǎng)方形為主，占全部樣本數(shù)量的95.5%，其它形狀包括L形、U形、凹形和回形。根據(jù)建筑用途對(duì)樣本對(duì)象進(jìn)行劃分，包括學(xué)校建筑22棟，辦公樓10棟，商業(yè)及商住一體建筑14棟，醫(yī)院4棟，其余281棟為住宅類，占全部觀測(cè)對(duì)象樣本的84.9%。

圖1 觀測(cè)對(duì)象建筑物分布

上述數(shù)據(jù)分析表明，呼和浩特磚混結(jié)構(gòu)建筑物主要分布于主城區(qū)，集中分布于城市行政區(qū)劃中軸十字線及周邊區(qū)域（圖1）。大部分建設(shè)于1980—2009年，絕大多數(shù)建筑屬于供人民生活、居住以及從事社會(huì)性公共活動(dòng)的民用建筑，人口分布較為密集。部分建筑建造年代久遠(yuǎn)，抗震能力較差，同時(shí)也存在未考慮抗震設(shè)防的民用磚混結(jié)構(gòu)建筑，已不能滿足國(guó)家現(xiàn)行的抗震設(shè)防建設(shè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此，迫切需要對(duì)具有潛在地震危害的呼和浩特磚混結(jié)構(gòu)建筑物的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，以便進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行抗震性能評(píng)價(jià)，為防震減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

圖2 選取的觀測(cè)對(duì)象建筑物

1.3 數(shù)據(jù)采集

為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，要求在一定范圍內(nèi)盡量減少車輛通行、人員走動(dòng)、工程施工等人為活動(dòng)的影響，避免在150m范圍內(nèi)有強(qiáng)動(dòng)力源的干擾（蔡彩君，2012），選擇較為安靜，地形平坦，無(wú)動(dòng)態(tài)干擾，無(wú)地窖、地下管道纜溝和車庫(kù)等空地的觀測(cè)地點(diǎn)。

在建筑物內(nèi)部和地表進(jìn)行表層微動(dòng)測(cè)試時(shí)，每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)3臺(tái)便攜式常時(shí)微動(dòng)測(cè)量?jī)x，分別放置于地表、建筑物第1層和頂層，如圖3所示，圖中黑色四邊形代表測(cè)量?jī)x器，R代表建筑物頂層，G為自由地面，1F表示建筑物第1層，虛線表示在一層和頂層放置的儀器保持在1條垂線上。地表觀測(cè)點(diǎn)需距離建筑物20m以上，儀器南北（NS）和東西（EW）2個(gè)水平方向應(yīng)與建筑物短軸和長(zhǎng)軸方向保持一致。建筑物內(nèi)儀器需放置于承重墻或柱子等主體結(jié)構(gòu)附近，盡量安放于建筑物主軸之上，并且要求頂層和一層的微動(dòng)測(cè)量?jī)x布設(shè)在同1條垂線上（蔡彩君，2012）。觀測(cè)時(shí)，利用GPS天線對(duì)時(shí)間進(jìn)行控制，以保證3臺(tái)儀器具有相同的測(cè)量起始時(shí)間。對(duì)頂層和第1層的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，可獲得建筑物的絕對(duì)共振周期；為了評(píng)價(jià)建筑物和地基之間的相互作用關(guān)系，將頂層和自由地面數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉譜比計(jì)算，從而獲得建筑物長(zhǎng)軸與短軸方向的相對(duì)共振周期（Izumi等，1990；那仁滿都拉等，2016）。對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行2次數(shù)據(jù)采集，每次采集的數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度為15分鐘，數(shù)據(jù)采樣率為0.01Hz。數(shù)據(jù)記錄總長(zhǎng)度為30分鐘，總采樣點(diǎn)為180000個(gè)。每組采集到的地震波包含3個(gè)分量，2個(gè)水平分量NS、EW，1個(gè)垂直分量UD。測(cè)量?jī)x器的振幅記錄范圍最高為100cm/s，若采集的大部分波形振幅超過(guò)儀器記錄的最高振幅，則必須重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 常時(shí)微動(dòng)儀布設(shè)位置

2 數(shù)據(jù)處理

常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析方法為傅立葉譜分析法（吳志堅(jiān)等，2009）。對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行2次測(cè)量，共采集30分鐘的波形數(shù)據(jù)。從采集數(shù)據(jù)中選出干擾較小、記錄長(zhǎng)度為900s的數(shù)據(jù)，應(yīng)用搭接50%方法（那仁滿都拉等，2016），選取40.96s時(shí)間帶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行切割，每個(gè)時(shí)間帶內(nèi)包含4096個(gè)數(shù)據(jù)。根據(jù)公式（1）對(duì)選定的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉分析（FFT），從而獲得水平方向（NS、EW）和垂直方向（UD）的傅立葉譜。

將計(jì)算得到的傅立葉譜進(jìn)行6次漢明窗口（Humming window）平滑化處理（滿特格爾，2015），在0.1Hz幅度的平滑化處理后，分別作頂層與第1層、頂層與地面的傅立葉譜比，根據(jù)傅立葉譜比的曲線結(jié)果，將2組曲線上第1次最高峰值所對(duì)應(yīng)的周期，分別作為該建筑物短軸與長(zhǎng)軸方向的絕對(duì)共振周期和相對(duì)共振周期。

觀測(cè)對(duì)象選取位于某小區(qū)（111.72°E，40.83°N）、建于1992年的6層磚混結(jié)構(gòu)住宅式民用建筑。建筑主體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)16m，寬11m，高16m，總建筑面積約176m2。圖4為測(cè)試場(chǎng)點(diǎn)（編號(hào)HZH041）頂層與一層、頂層與地面的傅立葉譜比曲線。

圖4 傅立葉譜比隨頻率變化曲線（一）

圖4 傅立葉譜比隨頻率變化曲線（二）

3 結(jié)果分析

3.1 磚混結(jié)構(gòu)建筑共振周期

根據(jù)上述方法，計(jì)算得出研究區(qū)域內(nèi)的331棟磚混結(jié)構(gòu)建筑物短軸與長(zhǎng)軸方向的第1次絕對(duì)共振周期和相對(duì)共振周期。長(zhǎng)、短軸方向頂層與一層的第1次共振周期范圍0.1—0.36s，長(zhǎng)軸方向絕對(duì)共振周期最大值0.360s，出現(xiàn)在編號(hào)HZH331的建筑上（111.67°E，40.81°N），為建于1990年的6層長(zhǎng)方形磚混結(jié)構(gòu)商業(yè)建筑，長(zhǎng)67m，寬17m，建筑面積1139m2。短軸方向絕對(duì)共振周期最大值0.350s，樣本編號(hào)HZH328（111.69°E，40.83°N），同為1990年的6層長(zhǎng)方形磚混結(jié)構(gòu)學(xué)校建筑，長(zhǎng)57.5m，寬11.1m，建筑面積638m2。

呼和浩特地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑物的絕對(duì)共振周期（1）隨建筑物層數(shù)（）和高度（）的增加而增大。將其繪于同一圖中（圖5）做進(jìn)一步分析，通過(guò)對(duì)離散點(diǎn)線性擬合，分別得到長(zhǎng)、短軸方向上的擬合關(guān)系式：

其中，2為決定系數(shù)，代表均方誤差（Mean Square Error）。

擬合結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明呼和浩特地區(qū)建筑物的絕對(duì)共振周期與建筑物層數(shù)及建筑物高度之間有依存性關(guān)系。

采用相同方法對(duì)建筑物的相對(duì)共振周期（2）與建筑物層數(shù)、高度之間關(guān)系進(jìn)行研究，得到擬合關(guān)系式：

建筑物的相對(duì)共振周期隨建筑物層數(shù)及高度的增加而增大。分析認(rèn)為，呼和浩特地區(qū)建筑物的相對(duì)共振周期與建筑物層數(shù)和建筑物高度之間也存在較為密切的依存性關(guān)系。

圖5 建筑物共振周期與建筑物樓層數(shù)和高度之間關(guān)系

3.2 共振周期與建筑年代關(guān)系

呼和浩特地區(qū)2層和3層磚混結(jié)構(gòu)建筑物數(shù)量較少，分別僅有7棟和25棟，其余299棟均為3層以上建筑。因此，只對(duì)樣本量較多的4層及以上建筑進(jìn)行共振周期與建筑年代關(guān)系研究。

3.3 建筑物長(zhǎng)、短軸方向共振周期對(duì)比

對(duì)大量在地震中損壞的建筑物進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在地震作用下，磚混結(jié)構(gòu)建筑物易發(fā)生嚴(yán)重的共振破壞（譚皓等，2011；王濤等，2013；楊永強(qiáng)等，2014）。磚混結(jié)構(gòu)的基本組成材料之間的連接方式?jīng)Q定了其結(jié)構(gòu)的脆性性質(zhì)，并導(dǎo)致房屋變形能力小，抗震性能較差（黃博等，2015）。建筑物的共振周期和剛度成反比，當(dāng)破壞性地震發(fā)生時(shí)，建筑物長(zhǎng)、短軸方向受到相同的地震力作用，由于建筑整體變形能力較差，剛度較小的方向上受到更多變形，導(dǎo)致受損更為嚴(yán)重。為了進(jìn)一步研究建筑物剛度在2個(gè)方向上的差異性，將建筑物長(zhǎng)、短軸方向的共振周期進(jìn)行對(duì)比（圖6）。

分析認(rèn)為，相對(duì)于長(zhǎng)軸方向，呼和浩特地區(qū)大部分磚混結(jié)構(gòu)建筑物短軸方向的共振周期偏大，同等條件下可以推測(cè)，短軸方向的剛度值小于長(zhǎng)軸方向，導(dǎo)致該方向上的變形相對(duì)更大，更容易受損，同時(shí)也表明磚混結(jié)構(gòu)建筑物的振動(dòng)特性與建筑物的形狀相關(guān)。該分析結(jié)論與那仁滿都拉等（2015，2016）的研究結(jié)果一致。

圖6 建筑物長(zhǎng)、短軸方向共振周期對(duì)比

3.4 建筑物與場(chǎng)地相互作用

根據(jù)Li等（2011）的研究方法，將磚混結(jié)構(gòu)建筑物的絕對(duì)共振周期與相對(duì)共振周期之比作為建筑物與場(chǎng)地地面之間的相互作用值。該值等于1時(shí)，表明建筑物與場(chǎng)地地面之間無(wú)相互作用；該值偏離數(shù)值1越大，其相互作用越大；反之，越接近于1，其相互作用越小。

呼和浩特地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑物與場(chǎng)地的相互作用值基本為0.8—1，說(shuō)明建筑物與場(chǎng)地之間存在一定的相互作用，且相互作用較小。其主要原因是呼和浩特磚混結(jié)構(gòu)建筑物絕對(duì)共振周期為0.1—0.36s，而該地區(qū)地基土主要為第Ⅳ類和第Ⅲ類場(chǎng)地土（滿特格爾，2015），其中第Ⅳ類場(chǎng)地土非常松軟且厚，周期0.6—0.8s，主要為淤泥質(zhì)土和人工回填土；第Ⅲ類場(chǎng)地土以沖積層為主，軟而較厚，周期0.4—0.6s（中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，1995）。

4 建筑群抗震能力快速判斷

歷次地震災(zāi)害顯示，建筑物質(zhì)量差、抗震能力弱是造成地震傷亡和損失的主要原因（吳永芳，2011；賈潔等，2011；張合等，2017；楊娜等，2018）。其震害調(diào)查結(jié)果也說(shuō)明，場(chǎng)地和地基的地震效應(yīng)和建筑物遭受地震破壞的程度存在密切關(guān)系（張衛(wèi)華，2007）。通過(guò)常時(shí)微動(dòng)測(cè)試對(duì)建筑物共振周期數(shù)據(jù)分析，表明在地震發(fā)生過(guò)程中，若建筑物的自振周期與場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期相近或者一致，建筑物與地基將產(chǎn)生共振或類共振現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物破壞（彭遠(yuǎn)黔等，2000）。金井清（1987）經(jīng)過(guò)大量常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)研究發(fā)現(xiàn)，在地震發(fā)生時(shí)，地震動(dòng)和常時(shí)微動(dòng)均受到地基固有振動(dòng)特性的支配，常時(shí)微動(dòng)測(cè)定的卓越周期與地震動(dòng)的特性相同，因此根據(jù)常時(shí)微動(dòng)測(cè)定的卓越周期，可確定地震時(shí)地基土的振動(dòng)特性。此外，吳志堅(jiān)等（2009）研究表明，常時(shí)微動(dòng)測(cè)試結(jié)果與建筑結(jié)構(gòu)受地震破壞狀況相一致?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，認(rèn)為通過(guò)常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)對(duì)建筑物抗震能力進(jìn)行初步判斷是可行的。

建筑物的共振周期與質(zhì)量和剛度有關(guān)，當(dāng)建筑物結(jié)構(gòu)類型相同，建筑物質(zhì)量一定，其共振周期與剛度成正比。根據(jù)Abe等（1986）、Ho等（2006）的研究結(jié)果，建筑物的剛度和抗震能力存在正比關(guān)系，剛度大的建筑物抗震性能較好。因此，利用本文測(cè)量計(jì)算得到的建筑物共振周期可以推斷建筑物抗震能力的強(qiáng)弱。

呼和浩特地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑物的共振周期和建筑年代之間存在負(fù)相關(guān)的依存性關(guān)系，可以推斷，建筑年代越久遠(yuǎn)的建筑其剛度越小、抗震能力越弱。

由于建筑物的形狀和高度存在差異，根據(jù)那仁滿都拉等（2016）提出的任意研究區(qū)域內(nèi)建筑物抗震能力的判斷方法，計(jì)算具有不同層數(shù)建筑物的平均絕對(duì)共振周期，對(duì)平均共振周期和建筑樓層數(shù)進(jìn)行線性擬合，得出平均共振周期隨建筑物樓層變化的關(guān)系式。篩選共振周期大于平均共振周期的建筑，評(píng)定為抗震能力較弱的易損建筑。

根據(jù)呼和浩特地區(qū)331棟磚混結(jié)構(gòu)建筑物長(zhǎng)軸和短軸的絕對(duì)共振周期，計(jì)算具有不同樓層建筑所對(duì)應(yīng)的平均共振周期（表1），并利用線性擬合方法，建立適用于呼和浩特地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑物長(zhǎng)軸和短軸平均共振周期與建筑物樓層數(shù)的回歸關(guān)系式：

表1 平均絕對(duì)共振周期

式（6）可作為衡量呼和浩特城市多層磚混結(jié)構(gòu)建筑群抗震能力的判斷標(biāo)準(zhǔn)，將低于抗震能力平均值（高于平均共振周期）的建筑設(shè)定為易損建筑。

建筑物共振周期測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)服從正態(tài)分布。通過(guò)正態(tài)分布檢驗(yàn)Q-Q圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)近似分布在1條直線附近（圖7（c）），說(shuō)明本文的建筑物共振周期測(cè)量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。為保證快速評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的可靠性，引入標(biāo)準(zhǔn)差，將公式（6）修正為：

根據(jù)正態(tài)分布在期望值1倍標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍內(nèi)的概率含量為0.683的性質(zhì)，設(shè)定測(cè)量數(shù)據(jù)置信區(qū)為68.3%，因此，本文將高于平均共振周期1倍標(biāo)準(zhǔn)差的建筑初步判定為易損建筑。由于采用的樣本是依據(jù)呼和浩特城區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑特征以及分布特點(diǎn)抽樣得到的，范圍覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，樣本符合建筑物年代、樓層數(shù)、形狀以及用途等各類型的分布特點(diǎn)；此外，吳志堅(jiān)等（2009）分析了汶川地震災(zāi)區(qū)典型建筑結(jié)構(gòu)常時(shí)微動(dòng)測(cè)試獲得的建筑物卓越周期，研究表明常時(shí)微動(dòng)測(cè)試可以較好地把握建筑結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸、短軸2個(gè)方向的動(dòng)響應(yīng)模態(tài)，測(cè)試結(jié)果與建筑結(jié)構(gòu)受汶川地震破壞狀況相符。因此，認(rèn)為利用常時(shí)微動(dòng)進(jìn)行建筑群抗震能力快速判斷的結(jié)果是可靠的。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)觀測(cè)樣本進(jìn)行評(píng)估，篩選出低于抗震能力平均值的建筑82棟，初步評(píng)定為抗震能力較弱的易損建筑（圖7）。其中，NS、EW水平方向上均低于抗震能力平均值的建筑24棟，認(rèn)定為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象（圖7（a））。從時(shí)間分布上看，20世紀(jì)50—90年代建筑43棟，2000—2010年建造的建筑29棟，2010年后的建筑10棟；從空間分布上看，主要分布在呼和浩特市區(qū)中老舊城區(qū)及周邊區(qū)域，其中回民區(qū)分布13棟，玉泉區(qū)5棟，新城區(qū)19棟，賽罕區(qū)45棟（圖7（b））；從層數(shù)分布上看，多集中于4層以上建筑，其中4層以下建筑8棟，4層（含）以上建筑74棟；從用途上看，住宅56棟，學(xué)校14棟，辦公樓5棟，商業(yè)5棟，醫(yī)院2棟。分析結(jié)果表明，觀測(cè)樣本中約24.8%的多層磚混結(jié)構(gòu)建筑物屬于易損建筑，其中7.3%的建筑需要重點(diǎn)關(guān)注，可能面臨更大的潛在危險(xiǎn)；篩選出的易損建筑主要集中在新城區(qū)和賽罕區(qū)，是人口分布較為密集的地區(qū)，大部分為4層（含）以上住宅類型，建筑年代較為久遠(yuǎn)，具有面臨潛在地震危害的風(fēng)險(xiǎn)。

（a）易損建筑分布；（b）呼和浩特行政規(guī)劃；（c）正態(tài)分布檢驗(yàn)Q-Q圖（以6層建筑短軸共振周期數(shù)據(jù)為例）

5 結(jié)論

（1）對(duì)城市建筑群的抗震鑒定難度大、耗時(shí)耗力，難以在短時(shí)間內(nèi)逐一完成建筑抗震能力的判定。基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的抗震能力判斷是1種快速簡(jiǎn)易的鑒定方法，將其應(yīng)用于抗震性能詳細(xì)鑒定工作的前期篩選，可提供初步的決策參考建議，為最終有針對(duì)性地對(duì)重點(diǎn)關(guān)注建筑進(jìn)行詳細(xì)的安全性等級(jí)計(jì)算提供可靠基礎(chǔ)。

（2）多層磚混結(jié)構(gòu)是呼和浩特城區(qū)普遍存在的建筑結(jié)構(gòu)形式，主要分布于主城區(qū)中的老舊城區(qū)及周邊區(qū)域，以民用建筑為主，人口分布較為密集。部分建筑的建造年代較長(zhǎng)，抗震能力較差，也存在一定數(shù)量的未考慮抗震設(shè)防要求的房屋，在強(qiáng)震中極易遭受損壞，是導(dǎo)致嚴(yán)重地震災(zāi)害的薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)域中331棟建筑物樣本的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，提出基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的磚混結(jié)構(gòu)建筑群抗震性能快速評(píng)價(jià)的方法。對(duì)建筑物的平均共振周期和建筑物層數(shù)進(jìn)行線性擬合，分別建立適用于呼和浩特城區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑群長(zhǎng)軸和短軸的平均共振周期與建筑物層數(shù)的回歸關(guān)系，作為衡量研究區(qū)域多層磚混結(jié)構(gòu)建筑群抗震能力的初步判斷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，篩選出82棟抗震能力較弱的易損建筑，其中24棟被認(rèn)定為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，為下一步進(jìn)行抗震加固和防震減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

（3）呼和浩特地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑物長(zhǎng)軸與短軸方向的第1次絕對(duì)共振周期和相對(duì)共振周期值為0.1—0.36s。共振周期隨建筑物層數(shù)和高度的增加而增大，存在正相關(guān)。在具有相同層數(shù)的建筑中，共振周期和建筑年代之間存在負(fù)相關(guān)。建筑年代越久遠(yuǎn)，建筑的共振周期越大；建筑年代越臨近，建筑的絕對(duì)共振周期越小。

（4）相對(duì)于長(zhǎng)軸方向，建筑物短軸方向的共振周期偏大；短軸方向的剛度值小于長(zhǎng)軸方向，導(dǎo)致該方向上變形相對(duì)更大，更易受損。同時(shí)，也可以推測(cè)出磚混結(jié)構(gòu)建筑物的振動(dòng)特性和建筑物的形狀相關(guān)。呼和浩特地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)建筑物與場(chǎng)地的相互作用值基本為0.8—1，說(shuō)明建筑物與場(chǎng)地地面之間存在一定的相互作用。

致謝：內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院和內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙古高原災(zāi)害與生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在數(shù)據(jù)采集和處理方面給予了巨大幫助和指導(dǎo)，內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)“基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的建筑振動(dòng)特性與抗震能力評(píng)價(jià)”項(xiàng)目組為本研究提供了大力支持，審稿專家給予了寶貴的修改建議，在此一并表示感謝。

布仁，那仁滿都拉，包玉海等，2014. 基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的呼和浩特市區(qū)地基土振動(dòng)特性及分類研究. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)漢文版），43（1）：86—91.

蔡彩君，2012. 常時(shí)微動(dòng)測(cè)試在工程場(chǎng)地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與發(fā)展. 建筑技術(shù)開發(fā)，39（11）：24—30.

傅唯一，1991. 地基震動(dòng)特性及常時(shí)微動(dòng)測(cè)定. 國(guó)外地質(zhì)勘探技術(shù)，（3）：20—27.

黃博，夏唐代，趙晴等，2015. 老舊小區(qū)磚混結(jié)構(gòu)房屋振動(dòng)與減振. 地震工程學(xué)報(bào)，37（1）：126—130.

賈潔，黃銀瑩，王超等，2011. 汶川地震中磚混結(jié)構(gòu)震害分析. 建筑結(jié)構(gòu)，41（2）：81—84，80.

金井清，1987. 工程地震學(xué). 常寶琦，張虎男，譯. 北京：地震出版社，81—137.

孔芳芳，2017. 磚混結(jié)構(gòu)震后安全性定量評(píng)價(jià)方法研究. 大連：大連理工大學(xué)，1—10.

劉曾武，1992. 概述常時(shí)微動(dòng)的研究及在工程中的應(yīng)用. 世界地震工程，（1）：17—29.

滿特格爾，2015. 基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的呼和浩特市區(qū)地基土深度推測(cè)研究. 呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學(xué)，7—22.

那仁滿都拉，滿特格爾，包玉海等，2015. 基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的呼和浩特市RC建筑物振動(dòng)特性. 國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，（9）：164.

那仁滿都拉，布仁，寶音圖等，2016. 基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的鋼筋混凝土建筑物振動(dòng)特性及其地域差異. 振動(dòng)與沖擊，35（4）：22—27，41.

彭遠(yuǎn)黔，路正，李雪英等，2000. 場(chǎng)地脈動(dòng)卓越周期在工程抗震中的應(yīng)用. 華北地震科學(xué)，18（4）：61—68.

譚皓，李杰，張電吉等，2011. 玉樹地震災(zāi)區(qū)底框磚混結(jié)構(gòu)建筑的震害調(diào)查. 浙江建筑，28（1）：20—23.

王濤，張永群，金波等，2013. 蘆山7.0級(jí)強(qiáng)烈地震磚混民居震害調(diào)查與分析. 地震工程與工程振動(dòng)，33（3）：9—19.

吳永芳，2011. 提高磚混結(jié)構(gòu)房屋抗震能力的有效方法. 工程抗震與加固改造，33（3）：111—116.

吳亞男，2014. 砌體結(jié)構(gòu)建筑抗震能力快速評(píng)估方法研究. 青島：中國(guó)海洋大學(xué)，1—20.

吳志堅(jiān)，車愛蘭，王蘭民等，2009. 常時(shí)微動(dòng)測(cè)試在汶川地震甘肅災(zāi)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)震害調(diào)查中的應(yīng)用. 西北地震學(xué)報(bào)，31（1）：86—90.

楊娜，王龍，劉愛文等，2018. 青海東南部農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及抗震能力分析. 震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：206—214.

楊彥明，姜立新，王禎祥，2017. 基于Levenberg-Marquardt方法的內(nèi)蒙古及鄰區(qū)地震烈度影響場(chǎng)改進(jìn)技術(shù). 地震，37（3）：117—126.

楊永強(qiáng)，公茂盛，謝禮立等，2014. 蘆山7.0級(jí)地震中磚混結(jié)構(gòu)民居震害特征分析. 建筑結(jié)構(gòu)，44（18）：68—70，93.

張合，呂國(guó)軍，孫麗娜，2017. 邢臺(tái)市重要建筑中磚混結(jié)構(gòu)震害預(yù)測(cè). 華北地震科學(xué)，35（1）：73—77.

張衛(wèi)華，2007. 常時(shí)微動(dòng)測(cè)試在抗震設(shè)計(jì)上的應(yīng)用. 華南地震，27（3）：96—99.

中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，1995.CECS 74:95 場(chǎng)地微振動(dòng)測(cè)量技術(shù)規(guī)程. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1—16.

Abe Y., Mori K., Konno M., 1986. Fundamental study on the relation between sismic indexes and natural periods through microtremor measurement of renforced concrete buildings. In: Proceedings of Summaries of Technical Papers of Annual Meeting.Tokyo:Architectural Institute of Japan, 611—612.

Ho N., Kawase H., 2006. Evaluation of earthquake response and dynamic characteristics of RC and wooden buildings in Fukuoka city obtained from aftershocks of the west off Fukuoka earthquake and microtremor data. Journal of Structural and Construction Engineering (Transactions of AIJ), 71(605): 63—70.

Izumi M., Katukura H., Tobita J., 1990. Properties of ambient vibration system of structures. Journal of Structural and Construction Engineering (Transactions of AIJ), 409: 83—93.

Li M., Li H. N., 2011. Effects of strain rate on reinforcedconcrete beam. Advanced Materials Research, 243—249: 4033—4036.

Application of Micro Tremor Observation on Vibration Characteristic and Rapid Seismic Capacity Evaluation for Brick Concrete Buildings

Yang Yanming1), Narenmandula2), Hu Bo1), Anaer1)and Yang Zhiming3)

1) Earthquake Agency of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohhot 010010, China 2) Natural Disaster Prevention Institute, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China 3) School of Architecture, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China

At present, a large number of brick concrete structure buildings in urban areas of China are poor in anti-seismic performance in destructive earthquakes. It is hard to determine these buildings in detailed aseismic properties one by one. Based on the micro tremor observation, we put forward a rapid method to evaluate the anti- seismic ability of these brick concrete structure buildings in urban areas. Our method is suitable for determining the buildings that may be vulnerable in large areas of the city and providing preliminary decision-making reference. In this paper, vibration characteristic analysis is carried out for 331 buildings of brick concrete in the urban district in Hohhot. Then regression analysis of the relations between number of floors and major and minor axis average period resonance are established, respectively, and which are taken as the rapid judge criterion for anti-seismic capability of brick concrete structure buildings. We selected 82 buildings with poor anti-seismic capacity, in which 24 buildings are chosen to be the critical representatives, which mainly distributed in heavily populated areas of older neighborhoods. Most of these buildings are residential with over four floors (including four floors) and in great potential seismic hazard risks. The results will provide scientific reference for further anti-seismic strengthening and earthquake prevention and disaster mitigation.

Hohhot; Brick concrete structure; Vibration characteristic; Aseismic capability; Rapid evaluation

10.11899/zzfy20190210

2018年度內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局局長(zhǎng)基金課題（2018ZD05），中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題（3JH-20190 2002），2016年度內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)“基于常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)的建筑振動(dòng)特性與抗震能力評(píng)價(jià)”

2018-08-13

楊彥明，男，生于1980年。高級(jí)工程師。主要從事地震應(yīng)急指揮技術(shù)、震害評(píng)估和地震監(jiān)測(cè)方面的研究。E-mail：yym_2005@163.com

那仁滿都拉，男，生于1974年。副教授，研究生導(dǎo)師。主要從事自然災(zāi)害預(yù)測(cè)、城市土層構(gòu)造和地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)等方面的研究。E-mail：narenmandula@imnu.edu.cn

楊彥明，那仁滿都拉，胡博，阿那爾，楊志明，2019．常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)在磚混結(jié)構(gòu)建筑群振動(dòng)特性及抗震能力快速判斷中的應(yīng)用．震災(zāi)防御技術(shù)，14（2）：363—375．