不同標(biāo)準(zhǔn)的場地放大系數(shù)比較研究

王 康

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

0 前 言

大量震害資料也證實(shí)了土壤層對(duì)地震波的傳播有放大效應(yīng)[1]，相同的地震在不同的場地條件下輸入會(huì)產(chǎn)生的地震動(dòng)反應(yīng)也會(huì)不同，這是因?yàn)椴煌膱龅赝两橘|(zhì)對(duì)地震波的放大效應(yīng)不同。現(xiàn)有理論成果基于峰值加速度PGA和有效峰值加速度EPA的場地放大系數(shù)研究成果較多，但實(shí)際應(yīng)用中沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)而使研究失去了意義，本文基于兩種標(biāo)準(zhǔn)采用反演基巖的方法對(duì)場地放大系數(shù)進(jìn)行比較研究。

1 地震動(dòng)記錄來源和數(shù)據(jù)整理

1.1 數(shù)據(jù)來源

很多地震研究的數(shù)據(jù)來源于日本強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)KiK-net(https://www.kyoshin.bosai.go.jp)，KiK-net數(shù)據(jù)庫臺(tái)陣在全日本分布了700多個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，大約每20 km就1個(gè)臺(tái)站，每個(gè)臺(tái)站都在地表和孔底位置配備了加速度傳感器，能記錄三分量的加速度時(shí)程(南北，東西，上下)，同時(shí)還提供了各土層部分參數(shù)，這為研究土層對(duì)地震波的放大效應(yīng)提供極大的方便。

本文從KiK-net強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中選取62個(gè)臺(tái)站和對(duì)應(yīng)記錄的212條地表地震動(dòng)記錄為研究對(duì)象。為避免地震動(dòng)其他不確定參數(shù)的影響，所選地震記錄均符合淺源(震源深度不大于50 km)、強(qiáng)震(地表的加速度峰值不小于0.018 g且震級(jí)不小于5級(jí))、近場(震中距不大于100 km)三項(xiàng)要求。

1.2 地震動(dòng)數(shù)據(jù)分組

依據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]中埋深和等效剪切波波速兩項(xiàng)條件將選取的62個(gè)臺(tái)站進(jìn)行場地分類，分為7個(gè)Ⅰ類場地、46個(gè)Ⅱ類場地和9個(gè)Ⅲ類場地。參照《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[3]中的地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)212條記錄的地表峰值加速度的數(shù)值進(jìn)行分組，最終分布具體情況見表2。

表1 地震記錄數(shù)據(jù)分布表

2 土層參數(shù)的確定和場地模型建立

根據(jù)我國抗震規(guī)范，選取剪切波速大于500 m/s的土層作為輸入界面,定義剪切波速大于500 m/s的土層為基巖層。

由于KiK-net提供的數(shù)據(jù)資料并不包含土體的容重、動(dòng)剪切量比和阻尼比的相關(guān)信息。土的剪切模量和阻尼比是研究土層反應(yīng)中重要的兩個(gè)參數(shù)，本文采用李曉飛處理土的非線性的辦法，依據(jù)常規(guī)土類動(dòng)剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變變化非線性關(guān)系[4]，為了方便計(jì)算僅采用其均值非線性條件作為土動(dòng)參數(shù)的計(jì)算依據(jù)。將KiK-net臺(tái)站剖面土參數(shù)中所涉及的土類根據(jù)特性、剪切波速vs等歸集分類為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土五大類。

KiK-net也沒有給出相關(guān)種類的土的容重，本文采用Garnder等[5]總結(jié)出的P波波速vp與土體容重ρ的相關(guān)性公式容易得到各層土的容重：

ρ=0.31·vp0.25

(1)

式中，容重單位為g/cm3，P波波速單位為m/s。

3 反演露頭基巖輸入

露頭基巖的反演采用一維等效線性波動(dòng)法，一維等效線性化波動(dòng)法是目前應(yīng)用較為廣泛便捷且相對(duì)合理的，也是《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)》(GB 17741—2005)中推薦的方法，具體的反演方法參見文獻(xiàn)[6]。

基于收集的212個(gè)地表強(qiáng)震記錄和對(duì)應(yīng)的一維土層模型、參數(shù)，以一維等效線性化地震反應(yīng)分析方法，使用SHAKE91軟件進(jìn)行反演計(jì)算，可得到露頭基巖加速度。

4 分析方法和結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.1 以峰值加速度PGA為標(biāo)準(zhǔn)

采用地表地震動(dòng)記錄與附近露頭基巖的強(qiáng)震記錄最為合理，因?yàn)槁额^基巖的地震動(dòng)響應(yīng)不受任何土層反射波的影響，實(shí)際中露頭基巖強(qiáng)震記錄獲取并不容易，本文則是利用SHAKE91軟件反演得到露頭基巖地震動(dòng)加速度，定義PGA場地放大系數(shù)FPGA：

(2)

利用式(2)，依據(jù)212個(gè)地表強(qiáng)震記錄的峰值加速度和反演露頭基巖的峰值加速度得到PGA場地放大系數(shù)FPGA，并對(duì)各類場地不同加速度強(qiáng)度分檔的結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 分組各區(qū)間PGA場地放大系數(shù)

4.2 以有效峰值加速度EPA為標(biāo)準(zhǔn)

由于少數(shù)髙頻脈沖的峰值會(huì)使地震動(dòng)加速度時(shí)程變高，而對(duì)長周期結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響較小，有效峰值加速度EPA的概念的提出很有必要。本文采用美國ATC3.06(1978)對(duì)EPA的定義：以5%阻尼比的單自由度體系，在周期范圍0.1～0.5 s的譜加速度反應(yīng)的平均值除以2.5。而定義EPA場地放大系數(shù)FEPA公式為：

(3)

利用式(3)，依據(jù)地表峰值加速度和反演露頭基巖的峰值加速度計(jì)算得到EPA場地放大系數(shù)FEPA，并對(duì)各類場地不同加速度強(qiáng)度分檔的結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 分組各區(qū)間EPA場地放大系數(shù)

4.3 兩種表中的結(jié)果對(duì)比

將各類場地的PGA場地放大系數(shù)FPGA與EPA場地放大系數(shù)FEPA結(jié)果進(jìn)行比較，如圖1所示。

圖1 各場地EPA放大倍數(shù)和PGA放大系數(shù)比較

對(duì)比結(jié)果：Ⅰ類場地的PGA放大系數(shù)在7個(gè)加速度強(qiáng)度分檔均大于EPA放大系數(shù)；Ⅱ類場地的PGA放大系數(shù)在除0.1 g加速度強(qiáng)度分檔外均大于EPA放大系數(shù)；Ⅲ類場地的PGA放大系數(shù)僅在0.1 g和0.40 g兩個(gè)加速度強(qiáng)度分檔大于EPA放大系數(shù)。

5 分析與結(jié)論

本文從KiK-net強(qiáng)震臺(tái)陣網(wǎng)中選取了7個(gè)Ⅰ類場地、46個(gè)Ⅱ類場地和9個(gè)Ⅲ類場地，利用其所記錄的212條地震記錄，依據(jù)地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和場地分類方法分為21組?；诘乇淼牡卣饎?dòng)加速度記錄，反演得到露頭基巖加速度，進(jìn)而分別計(jì)算了各組的PGA場地放大系數(shù)和EPA場地放大系數(shù)。結(jié)果表明。

1)統(tǒng)計(jì)的212個(gè)模型對(duì)應(yīng)的PGA場地放大系數(shù)和EPA場地大系數(shù)均有或大或小的差異。但總的來說，Ⅱ類場地的放大系數(shù)最大，其次是Ⅲ類，Ⅰ類場地最小。

2)不同場地類別的PGA和EPA放大系數(shù)比較結(jié)果總的趨勢(shì)是：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地的PGA放大系數(shù)大于EPA放大系數(shù)的程度依次降低，Ⅰ、Ⅱ場地的PGA放大系數(shù)總體大于EPA放大系數(shù)，Ⅲ類場的EPA放大系數(shù)總體大于PGA放大系數(shù)。

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