強震動觀測臺站類型對地震動的影響分析＊

劉培玄李小軍周正華

1） 中國北京 100029 中國地震災害防御中心

2） 中國北京 100124 北京工業(yè)大學建筑工程學院

3） 中國南京 210009 南京工業(yè)大學交通運輸工程學院

引言

自由場地上的強震動觀測記錄是研究地震動衰減規(guī)律、制定各類工程抗震設計規(guī)范的基礎數(shù)據(jù).自由場地是指不受周圍環(huán)境建筑和結構振動影響的空曠場地，強震動觀測臺站應布設在自由場地上，相關規(guī)范中均有此規(guī)定.如DB/T 17——2018 《 地震臺站建設規(guī)范 強震動臺站 》規(guī)定強震動臺站宜布設在自由場地上（中國地震局，2018）； 《 地震預警系統(tǒng)建設技術指南 》中指出預警強震動臺站建設選址應選擇自由場地，宜避開回填土、河灘場地及陡坎和高大建筑物附近（李小軍，2014）.這些規(guī)定是為了盡可能地規(guī)避觀測環(huán)境對地震動的影響，以獲取自由場強震動觀測記錄.

在中國數(shù)字強地震動觀測臺網(wǎng)的臺站建設中，土層場地上強震動臺站土-結相互作用的影響問題越來越顯著，引起了廣泛關注（Crouseet al，1984；Crouse，Hushmand，1989；Wenet al，2001；周正華等，2010）.強震動臺站土-結相互作用的影響主要包括觀測室和臺站附近高大建筑及大型工程的結構-土的相互作用.國內(nèi)外均對強震動觀測臺站建筑給出了明確規(guī)定： 《 中國數(shù)字強震動臺網(wǎng)技術規(guī)程 》 要求，布設在自由場地上的固定臺站與高大建筑物之間的距離應大于該建筑物的高度和長度，在無合適的自由場地時，可布設在獨立的一層或二層小型建筑的底層地面上（中國地震局，2005）；美國強震動臺站建設規(guī)范（Consortium of Organizations for Strong-Motion Observation Systems，2001）要求，臺站要安裝在距離建構筑物至少一倍結構最長幾何尺寸的地方，尤其要遠離任何的大型建筑（占地面積大于約371.612 m2（4 000平方英尺），或者高于兩層的樓房）以及有較大地下室和基礎的結構，要求臺站設計需在0——50 Hz頻帶內(nèi)，這樣的土-結相互作用影響較小，輕質結構房屋尤其木結構最佳.上述相關規(guī)定旨在減少臺站觀測室及附近工程結構產(chǎn)生的土-結相互作用對強震動觀測記錄的影響.臺站附近高大建筑及大型工程結構-土的相互作用的影響，可以通過選址以避開其影響，但觀測室本身對觀測記錄的影響是無法避免的.目前關于觀測室結構對其觀測記錄的影響程度和是否可以認為觀測室內(nèi)的觀測記錄是自由場地震動記錄問題的相關研究較少，迫切需要系統(tǒng)分析以給出明確的回答.

基于此，本文擬以強震動臺站結構類型作為控制因素，基于集中質量顯式時域動力有限元方法，擬模擬分析不同場地條件下觀測室結構（砌體觀測房、半地下觀測室、玻璃鋼罩觀測室）對地震動的影響，并在北京地球觀象臺院內(nèi)并址觀測實驗臺站進行觀測實驗，再結合數(shù)值模擬結果綜合分析，以期得到不同類型強震動臺站對自由場地震動的影響.

1 不同型式強震動臺數(shù)值模擬分析

1.1 集中質量顯式時域動力有限元數(shù)值模擬方法

土層場地上強震動臺站對其觀測地震動影響的地震反應分析為半空間無限域問題，需引入人工邊界將無限域問題轉化為有限域問題，并在人工邊界上施加適當?shù)倪吔鐥l件以模擬有限域內(nèi)散射波通過人工邊界向外散射的過程.本文分析采用的人工邊界條件為廖振鵬（1996）提出的多次透射公式（multi-transmitting formula，縮寫為MTF），其物理概念簡單，便于在計算機上實現(xiàn)時空解耦的高精度波動有限元或有限差分數(shù)值模擬.對于有限域內(nèi)的地震反應求解，將采用集中質量顯式動力時域有限元方法，該方法結合MTF，可實現(xiàn)時空解耦的波動數(shù)值模擬，且精度可控.關于集中質量時空解耦時域動力有限元方法的基本原理和MTF的穩(wěn)定實現(xiàn)措施具體可參見文獻（廖振鵬，1984，1996，1997；廖振鵬等，1984；廖振鵬，劉晶波，1992；楊柏坡，陳慶彬，1992；關慧敏，廖振鵬，1997；Liao，1998；周正華，廖振鵬，2001；謝志南，廖振鵬，2008），此處不再贅述.

1.2 不同類型強震動臺站地震動特性的數(shù)值模擬分析

對于建設在土層場地上的強震動臺站，其對觀測地震動的影響可通過場地地震反應分析確定.為了盡可能真實地模擬不同場地條件下強震動臺站對地震動的影響，結合GB50011——2010《建筑抗震設計規(guī)范》（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2016）中建筑場地類別劃分標準，建立了三類六個場地模型.其中：Ⅱ類場地覆蓋層厚度取 15 m，土層等效剪切波速分別取 150 m/s，200 m/s和 300 m/s建立了 3 個場地模型；Ⅲ類場地覆蓋層厚度取60 m，土層等效剪切波速分別取150 m/s和175 m/s建立了2個場地模型；Ⅳ類場地覆蓋層厚度取81 m，土層等效剪切波速取150 m/s建立了1個場地模型.各場地模型的具體土層力學參數(shù)列于表1，2，3.

砌體觀測房、半地下觀測室和玻璃鋼罩觀測室均是強震動臺站常用的結構型式，本節(jié)以這三種觀測室結構為基礎建立數(shù)值模擬分析模型，分析不同觀測室結構對地震動的影響.砌體觀測房基于兩種常用的尺寸，其外尺寸長×寬×高分別為3.5 m×3.5 m×2.95 m （小觀測房）和 4.5 m×4.5 m×3.95 m （大觀測房）；半地下觀測室外尺寸長×寬×高分別為 2 m×2 m×2.2 m，埋入地下1 m；玻璃鋼罩觀測室外尺寸長×寬×高分別為3 m×3 m×0.25 m，玻璃鋼罩臺站平臺外尺寸長×寬×高分別為2 m×2 m×0.25 m，平臺內(nèi)尺寸長×寬×高分別為1.5 m×1.5 m×0.25 m.基于集中質量時空解耦時域動力有限元數(shù)值模擬分析方法，引入人工邊界從彈性半空間截取出一長為14 m，寬為14 m，高為H的計算區(qū)域（H為場地模型土層厚度），其頂面為自由表面，其余側面與底面均為人工邊界，砌體觀測房，半地下觀測室和玻璃鋼罩觀測室建模示意圖如圖1所示.不同結構型式觀測室位于模型地表中心位置，觀測室材料的力學參數(shù)均為剪切波速 3 000 m/s，泊松比 0.20，阻尼比 0.05，自然容重 2 390 kg/m3.根據(jù)觀測室結構型式的不同結合6個場地模型共建立了24個模型，按照動力有限元計算精度要求，確定計算區(qū)域離散有限單元尺寸：砌體觀測房和半地下觀測室頂層為0.25 m×0.25 m×0.2 m 的立方體，其余均為 0.25 m×0.25 m×0.25 m 的立方體；玻璃鋼罩均采用 0.25 m×0.25 m×0.25 m的立方體.利用集中質量顯式時域動力有限元數(shù)值模擬分析方法結合MTF求解各模型場地觀測點的地震反應，由穩(wěn)定計算條件確定時間步長Δt＝0.000 02 s.由基底入射一寬0.1 s、持時 1.5 s、幅值 1 cm 的位移脈沖（圖2a），其傅里葉譜如圖2b 所示，有效頻帶為 0——40 Hz.不同場地條件的各模型觀測室內(nèi)中心點地震反應如圖3所示.

圖1 不同類型觀測室建模示意圖Fig.1 The analysis models for different type of observation houses

圖2 輸入地震動脈沖（a）及其傅里葉譜（b）Fig.2 The inputting seismic pulse （a） and its Fourier spectrum （b）

表2 Ⅲ類場地模型力學參數(shù)Table 2 Model mechanical parameters of class Ⅲ site

表3 Ⅳ類場地模型力學參數(shù)Table 3 Model mechanical parameters of class Ⅳ site

各類場地條件下不同結構型式觀測室模型地震反應曲線如圖3所示.結果表明：在Ⅱ -1類場地條件下，小觀測房和玻璃鋼罩觀測室的地震動峰值均大于自由場，峰值分別為3.28 cm和3.27 cm，相對于自由場地震動峰值3.16 cm分別增大了3.8%和3.5%；大觀測房和半地下觀測室的地震動峰值小于自由場，峰值分別為3.15 cm和2.88 cm，相對于自由場分別減小了0.3%和8.9% （圖3a）；在Ⅱ -2類場地條件下，玻璃鋼罩觀測室地震動峰值大于自由場，峰值為3.59 cm，相對于自由場地震動峰值3.43 cm增大了4.7%；小觀測房模型、大觀測房和半地下觀測室地震動峰值均小于自由場，峰值依次減小，分別為3.42 cm，3.18 cm和3.00 cm，相對于自由場分別減小了0.3%，7.3%和12.5% （圖3b）；在Ⅱ -3類場地條件下，玻璃鋼罩觀測室地震動峰值大于自由場，峰值為4.10 cm，相對于自由場地震動峰值3.85 cm增大了6.5%；小觀測房、大觀測房和半地下觀測室地震動峰值均小于自由場，且峰值依次減小，分別為3.35 cm，3.20 cm和2.96 cm，相對于自由場分別減小了12%，16.9%和23.1% （圖3c）；在Ⅲ -1類場地條件下，小觀測房和玻璃鋼罩觀測室的地震動峰值均大于自由場，峰值分別為3.28 cm和3.33 cm，相對于自由場地震動峰值3.19 cm分別增大了2.8%和4.4%；大觀測房和半地下觀測室地震動峰值均小于自由場，峰值分別為3.10 cm和2.87 cm，相對于自由場分別減小了2.8%和10% （圖3d）；在Ⅲ -2類場地條件下，玻璃鋼罩觀測室地震動峰值大于自由場，峰值為3.89 cm，相對于自由場地震動峰值3.66 cm增大了6.3%；小觀測房、大觀測房和半地下觀測室的地震動峰值均小于自由場，且峰值依次減小，分別為3.36 cm，3.13 cm和2.97 cm，相對于自由場分別減小了8.8%，14.5%和18.9% （圖3e）；在Ⅳ類場地條件下，玻璃鋼罩觀測室地震動峰值大于自由場，峰值為3.86 cm，相對于自由場地震動峰值3.64 cm增大了6%；小砌體觀測房、大砌體觀測房和半地下觀測室的地震動峰值均小于自由場，且峰值依次減小，分別為 3.38 cm，3.13 cm 和 2.98 cm，相對于自由場減小了 7.1%，14% 和18.1% （圖3f）.

圖3 不同結構型式觀測室在六類場地中的地震反應時程（a） Ⅱ- 1類場地；（b） Ⅱ- 2類場地；（c） Ⅱ- 3類場地；（d） Ⅲ- 1類場地；（e） Ⅲ- 2類場地；（f） Ⅳ類場地Fig.3 The seismic responses of observation room in six sites（a） Class Ⅱ- 1 site；（b） Class Ⅱ- 2 site；（c） Class Ⅱ- 3 site；（d） Class Ⅲ- 1 site；（e） Class Ⅲ- 2 site；（f） Class Ⅳ site；

綜上可以看出，觀測室結構型式對地震動具有不同程度的影響，相對觀測房對地震動的復雜影響，玻璃鋼罩觀測室和半地下觀測室的影響較簡單，主要表現(xiàn)為：玻璃鋼罩觀測室對地震動峰值具有一定的放大作用，半地下觀測室對地震動峰值具有一定的減小作用，且其影響均隨場地變軟而增大；四種觀測室結構中，玻璃鋼罩觀測室對地震動的影響最小.

各類場地條件下不同結構型式觀測室與自由場的地震動反應譜比如圖4所示.結果表明：在Ⅱ -1類場地條件下（圖4a），玻璃鋼罩觀測室的地震動反應譜值在周期為0.025——0.2 s時大于自由場，在周期0.075 s時達到自由場的1.05倍，其余周期段差異較??；半地下觀測室反應譜值在周期為0.025——0.3 s時小于自由場，在周期0.025——0.1s時的地震動反應譜減小尤為明顯，在周期0.08 s時達到自由場的0.85倍，其余周期段差異較??；小砌體觀測房的反應譜值在周期0.025——0.35 s時大于自由場，且在周期為0.06——0.15 s時地震動反應譜顯著放大，在周期0.08 s時達到自由場的1.2倍，其余周期段差異較小；大砌體觀測房的反應譜值在周期為0.025——0.07 s時小于自由場，周期為0.07——0.4 s時大于自由場，且周期為0.07——0.18 s時地震動反應譜的放大顯著，周期為0.1 s時達到自由場的1.21倍，其余周期段差異較小.

圖4 六類場地不同結構型式觀測室與自由場的地震動反應譜比（a） Ⅱ- 1類場地；（b） Ⅱ- 2類場地；（c） Ⅱ- 3類場地；（d） Ⅲ- 1類場地；（e） Ⅲ- 2類場地；（f） Ⅳ類場地Fig.4 Response spectra ratio curves of observation rooms with different structures to free field in different sites（a） Class Ⅱ- 1 site；（b） Class Ⅱ- 2 site；（c） Class Ⅱ- 3 site；（d） Class Ⅲ- 1 site；（e） Class Ⅲ- 2 site；（f） Class Ⅳ site；

在Ⅱ- 2類場地條件下（圖4b），玻璃鋼罩觀測室地震動反應譜值在周期為0.025——0.2 s時大于自由場，在周期0.1 s時達到自由場的1.07倍，其余周期段差異較小；半地下觀測室反應譜值在周期為0.025——0.33 s時小于自由場，在周期0.025——0.17 s時地震動反應譜減小尤為明顯，在周期為0.11 s時達到自由場的0.85倍，其余周期段差異較小；小砌體觀測房的反應譜值在周期為0.025——0.07 s時小于自由場，在周期為0.07——0.35 s時大于自由場，且在周期為0.08——0.16 s時的地震動反應譜放大尤為顯著，在周期0.09 s時達到自由場的1.5倍，其余周期段差異較小；大砌體觀測房反應譜值在周期為0.025——0.09 s時小于自由場，在周期為0.09——0.4 s時大于自由場，且在周期0.09——0.2 s時地震動反應譜放大尤為顯著，在周期0.11 s時達到自由場的1.72倍，其余周期段差異較小.

而在Ⅱ- 3類場地條件下（圖4c），玻璃鋼罩觀測室地震動反應譜值在周期為0.025——0.25 s時大于自由場，在周期為0.14 s時達到自由場的1.12倍，其余周期段差異較小；半地下觀測室的反應譜值在周期0.025——0.35 s時小于自由場，在周期0.025——0.25 s時地震動反應譜減小尤為明顯，在周期為0.14 s時達到自由場的0.78倍，其余周期段差異較??；小砌體觀測房的反應譜值在周期0.025——0.10 s時小于自由場，在周期0.10——0.4 s時大于自由場，且在周期為0.1——0.2 s時地震動反應譜的放大尤為顯著，在周期為0.14 s時達到自由場的1.77倍，其余周期段差異較??；大砌體觀測房反應譜值在周期0.025——0.11 s時小于自由場，在周期0.11——0.5 s時大于自由場，且在周期0.12——0.25 s地震動反應譜放大尤為顯著，周期為0.15 s時達到自由場的2.27倍，其余周期段差異較小.

在Ⅲ- 1類場地條件下（圖4d），玻璃鋼罩觀測室的地震動反應譜值在周期為0.025——0.2 s時大于自由場，在周期0.06 s時達到自由場的1.06倍，其余周期段差異較??；半地下觀測室的反應譜值在周期0.025——0.3 s時小于自由場，且在周期0.025——0.18 s時地震動反應譜減小尤為明顯，在周期0.05 s時達到自由場的0.88倍，其余周期段差異較??；小砌體觀測房的反應譜值在周期為0.025——0.35 s時大于自由場，且在周期為0.1——0.15 s時地震動反應譜的放大尤為顯著，在周期為0.13 s時達到自由場的1.06倍，其余周期段差異較??；大砌體觀測房的反應譜值在周期為0.025——0.1 s時小于自由場，在周期為0.1——0.4 s時大于自由場，且在周期為0.12——0.18 s時地震動反應譜放大尤為顯著，周期為0.1 s時達到自由場的1.13倍，其余周期段差異較小.

在Ⅲ- 2類場地條件下（圖4e），玻璃鋼罩觀測室的地震動反應譜值周期在0.025——0.25 s時大于自由場，在周期0.06 s時達到自由場的1.08倍，其余周期段差異較??；半地下觀測室的反應譜值在周期為0.025——0.35 s時小于自由場，且在周期0.025——0.25 s的地震動反應譜減小尤為明顯，在周期0.05 s時達到自由場的0.78倍，其余周期段差異較??；小砌體觀測房的反應譜值在周期為0.025——0.12 s時小于自由場，在周期為0.12——0.4 s時大于自由場，且在周期0.13——0.26 s時地震動反應譜放大顯著，在周期0.15 s時達到自由場的1.33倍，其余周期段差異較??；大砌體觀測房的反應譜值在周期為0.025——0.13 s時小于自由場，在周期為0.13——0.5 s時大于自由場，且在周期為0.14——0.28 s時地震動反應譜放大顯著，周期為0.17 s時達到自由場的1.34倍，其余周期段差異較小.

在Ⅳ類場地條件下（圖4f），玻璃鋼罩觀測室的地震動反應譜值在周期0.025——0.2 s時大于自由場，在周期0.06 s時達到自由場的1.08倍，其余周期段差異較??；半地下觀測室反應譜值在周期0.025——0.3 s時小于自由場，在周期為0.025——0.25 s時地震動反應譜減小尤為明顯，周期為0.05 s時達到自由場的0.78倍，其余周期段差異較??；小砌體觀測房的反應譜值在周期為0.025——0.11 s時小于自由場，在周期為0.11——0.4 s時大于自由場，且在周期為0.13——0.26 s時地震動反應譜放大顯著，在周期0.15 s時達到自由場的1.4倍，其余周期段差異較??；大砌體觀測房的反應譜值在周期0.025——0.13 s間小于自由場，在周期0.13——0.5 s時大于自由場，且在周期為0.14——0.28 s時地震動反應譜放大顯著，周期為0.16 s時達到自由場的1.31倍，其余周期段差異較小.

通過對不同結構型式觀測室地震動反應譜對比表明，觀測室結構型式對自振周期附近及短周期段內(nèi)的地震動反應譜具有不同程度的影響：大砌體觀測房自振周期附近周期段表現(xiàn)為放大作用，小于自振周期的短周期段表現(xiàn)為減小作用，且場地越軟其影響頻段越寬，影響程度愈顯著；對于中硬場地，小砌體觀測房表現(xiàn)為放大作用，對于中軟和軟弱場地，自振周期附近表現(xiàn)為放大作用，小于自振周期的短周期段表現(xiàn)為減小作用，且場地越軟其影響頻段越寬，影響程度愈顯著.分析的三種場地對地震動反應譜的影響，玻璃鋼罩觀測室和半地下觀測室的影響頻帶較窄，且玻璃鋼罩觀測室放大作用微小，半地下觀測室的減小作用明顯，且場地越軟其影響頻段越寬，影響程度愈顯著.

2 不同型式強震動臺并址觀測實驗

強震動觀測現(xiàn)場實驗可直接獲取現(xiàn)場環(huán)境下的強震動觀測數(shù)據(jù)，是強震動觀測相關研究的主要分析方法，也是驗證相關數(shù)值模擬分析的有效手段之一.為檢驗數(shù)值模擬結果及進一步分析觀測室結構類型對地震動的影響，在白家疃北京國家地球觀象臺院內(nèi)并址建設了4個不同結構型式觀測室（大、小砌體觀測房，半地下觀測室，玻璃鋼罩觀測室）的觀測點和1個自由場觀測點，各觀測點空間分布示意圖見圖5.大砌體觀測房外尺寸長寬高各為 4.5 m，4.5 m 和 4.5 m （含女兒墻高 0.5 m），小砌體觀測房外尺寸長寬高各為 3.5 m，3.5 m 和 3.5 m （含女兒墻高 0.5 m），半地下室外尺寸長寬高各為 2 m，2 m 和 2.6 m （埋入地下 1 m、高出地面 1.6 m （含入口高 0.4 m）），玻璃鋼罩平臺外尺寸長寬高各為2 m，2 m和0.25 m.并址觀測實驗5個觀測點均采用BASALT型強震儀，各觀測室和自由場觀測點照片及相應的儀器安裝照片如圖6所示.

圖5 并址觀測實驗各觀測點空間分布示意圖Fig.5 Spatial distribution of observation points in colocated observation test

圖6 觀測室及儀器安裝照片F(xiàn)ig.6 The photos of observation rooms and observation equipment

在并址實驗觀測中，獲取的數(shù)據(jù)包括脈動數(shù)據(jù)和兩次地震事件記錄，為便于后續(xù)分析，首先對獲取的脈動記錄和地震動記錄進行基線校正，計算得到脈動記錄的傅里葉振幅譜，地震記錄的峰值加速度、傅里葉振幅譜和加速度反應譜，并以此為基礎，分析了不同觀測室結構對地震動的影響.

2.1 地脈動數(shù)據(jù)分析

地脈動是具有豐富內(nèi)涵的地球物理信息，國內(nèi)外相關學者對其進行了廣泛的研究（Parolaiet al，2002；Boore，2004；席兆凱等，2017；劉宇實，師黎靜，2018），主要用于以場地卓越周期為指標的場地分類、卓越周期與震害關系、建筑物對場地地脈動影響等的研究及應用.地脈動時域信號并不能顯示場地的動力特性，分析時需對地脈動時域信號經(jīng)傅里葉變換轉換為頻域信號.本節(jié)通過對比分析5個并址觀測點的地脈動記錄傅里葉振幅譜，研究不同觀測室結構對地震動的影響.鑒于篇幅所限，僅展示各觀測點三分量脈動記錄的傅里葉振幅譜（圖7）.

圖7 并址觀測點地脈動東西（a）、南北（b）和豎向（c）記錄的傅里葉振幅譜Fig.7 Fourier amplitude spectrum at EW （a），NS （b） and vertical （c） components of co-located observation sites

由并址觀測地脈動記錄對比分析結果可知，并址觀測場地水平向卓越頻率約為3 Hz；不同觀測室結構對水平向地脈動均有不同程度的影響，且與頻率相關，而對豎向地脈動影響較?。徊Ａт撜钟^測室與半地下觀測室的影響頻帶約為15——18 Hz，且影響較??；小砌體觀測房對頻率在12——18 Hz間的地脈動影響顯著；大砌體觀測房對頻率在10——16 Hz間的地脈動具有明顯影響；比較而言，玻璃鋼罩和半地下觀測室對地脈動的影響較小，砌體觀測房對地脈動影響較大，且觀測房尺寸越大影響程度越大，這與觀測室結構的自振頻率和體量相關，該分析結果與前節(jié)中觀測室結構型式對地震動影響的數(shù)值模擬結果近似.

2.2 并址觀測實驗地震數(shù)據(jù)分析

并址觀測實驗共捕獲兩次地震事件的強震動記錄，分別為2019年4月7日北京市海淀區(qū)上莊鎮(zhèn)MS2.9地震，震源深度17 km，距離實驗場址約8 km；2019年4月14日北京市懷柔區(qū)MS3.0地震，震源深度19 km，距離實驗場約38 km，兩次地震事件的震中分布如圖8所示.并址觀測實驗在兩次地震事件中共捕獲了10組三分量強震動記錄，地震動記錄時程如圖9和10所示，其信噪比對比圖鑒于篇幅有限不再示出，峰值加速度（peak ground acceleration，縮寫為PGA）列于表4，其反應譜對比圖如圖11所示.

圖8 并址觀測實驗捕獲的兩次地震震中分布圖Fig.8 The distribution of two earthquake epicenter by co-located observation experiment

圖9 2019年 4月 7日上莊 MS2.9地震并址觀測強震動記錄（a） 自由場觀測點；（b） 玻璃鋼罩觀測室；（c） 半地下觀測室；（d） 小砌體觀測房；（e） 大砌體觀測房Fig.9 Strong ground motion records of the MS2.9 earthquake on April 7，2019 at co-located observation sites（a） Free field observation site； （b） Observation room with glass fiber reinforced plastic cover； （c） Semi-underground observation room； （d） Small masonry observation house； （e） Large masonry observation house

圖11 2019 年 4 月 7 日 MS2.9 （a）和 2019 年 4 月 14 日 MS3.0 （b）地震的強震動記錄反應譜對比Fig.11 Comparison of the strong ground motion response spectrum from the earthquakes of 2019-04-07 MS2.9 （a） and 2019-04-14 MS3.0 （b）

由表4可知，兩次地震事件中4種觀測場地東西向加速度記錄絕對峰值均高于自由場觀測點，其中小砌體觀測房與自由場觀測點的絕對峰值差最大，達1.97倍；南北向加速度記錄絕對峰值均高于自由場觀測點，其中玻璃鋼罩觀測室與自由場觀測點的絕對峰值差最大，達1.44倍；兩次地震事件中4種觀測室豎向上加速度絕對峰值與自由場絕對峰值均稍有差異.由此可知，四種觀測室對水平向地震動峰值均具有不同程度的放大作用，對豎向地震動峰值影響稍小，由于地震動記錄較少，其影響規(guī)律不明顯.

表4 兩次地震記錄的峰值加速度Table 4 Peak ground accelerations of the two earthquakes

由并址觀測實驗地震動記錄反應譜分析結果可知，四種觀測室對水平向地震動反應譜均具有不同程度的影響，其影響是頻率相關的，總體表現(xiàn)為對周期為在0.05——0.35 s時的地震動反應譜具有不同程度的放大（或減?。┳饔?，且在周期0.05——0.1 s影響稍大，其余周期段影響較小；玻璃鋼罩觀測室、半地下觀測室、小砌體觀測房和大砌體觀測房在周期0.2——0.35 s對水平向地震動反應譜的放大作用依次增大；四種觀測室結構對豎向地震動反應譜亦具有不同程度的影響，其影響是頻率相關的，總體表現(xiàn)為對周期0.05——0.15 s的地震動反應譜具有不同程度的放大（或減?。┳饔茫溆嘀芷诙蔚挠绊戄^?。凰姆N觀測室結構對地震動反應譜的影響中玻璃鋼罩的影響頻段較窄、影響程度最小，且觀測室尺寸越大影響頻帶變寬、影響程度增大，這與觀測室結構型式對地震動影響的數(shù)值模擬結果近似；四種觀測室結構對水平向地震動反應譜的放大（或減?。┳饔妹黠@大于其對豎向地震動反應譜的放大（或減?。┳饔?

圖10 2019 年 4 月 14 日 MS3.0 地震并址觀測強震動記錄（a） 自由場觀測點；（b） 玻璃鋼罩觀測室；（c） 半地下觀測室；（d） 小砌體觀測房；（e） 大砌體觀測房Fig.10 Strong ground motion records of the MS3.0 earthquake on April 14，2019 at co-located observation sites（a） Free field observation site；（b） Observation room with glass fiber reinforced plastic cover；（c） Semi-underground observation room；（d） Small masonry observation house；（e） Large masonry observation house

3 討論與結論

本文以強震動臺站結構類型作為控制因素，通過數(shù)值模擬分析和并址觀測實驗分析等方法，系統(tǒng)分析了不同場地條件下觀測室結構對地震動的影響，主要分析結論如下：

1） 觀測室結構型式對地震動具有不同程度的影響，相對觀測房對地震動的復雜影響，玻璃鋼罩觀測室和半地下觀測室的影響較簡單，表現(xiàn)為：玻璃鋼罩觀測室對地震動峰值具有一定的放大作用，半地下觀測室對地震動峰值具有一定的減小作用，且其影響均隨場地變軟而增大；四種觀測室結構中，玻璃鋼罩觀測室對地震動的影響最小.

2） 觀測室結構型式對自振周期附近及短周期段內(nèi)的地震動反應譜具有不同程度的影響，對于所分析的三種場地，大觀測房自振周期附近周期段表現(xiàn)為放大作用，小于自振周期的短周期段表現(xiàn)為減小作用，且場地越軟其影響頻段變寬、程度愈顯著；對于中硬場地，小觀測房表現(xiàn)為放大作用，對于中軟和軟弱場地，自振周期附近表現(xiàn)為放大作用，小于自振周期的短周期段表現(xiàn)為減小作用，且場地越軟其影響頻段變寬、程度愈顯著.對于所分析的三種場地對地震動反應譜的影響，玻璃鋼罩觀測室和半地下觀測室的影響頻帶較窄，且玻璃鋼罩觀測室表現(xiàn)為稍有放大作用，半地下觀測室表現(xiàn)為明顯的減小作用，且場地越軟其影響頻段變寬、程度稍顯著.

3） 不同設計觀測室結構對水平向地脈動頻譜均具有不同程度的影響，其影響是頻率相關的，且均對豎向地脈動影響較??；玻璃鋼罩與半地下觀測室的地脈動影響頻帶約為15——18 Hz，且影響程度較??；小砌體與大砌體觀測房對地震動的影響頻帶分別為12——18 Hz，10——16 Hz，大砌體房的影響較小砌體房明顯.相比較而言，玻璃鋼罩和半地下觀測室對地脈動頻譜的影響較小，砌體觀測房對地脈動頻譜影響較大，且觀測房尺寸越大影響程度越大，是由觀測室結構的自振頻率和體量控制的，這與觀測室結構型式對地震動影響的數(shù)值模擬結果近似.

4） 四種觀測室對短周期段的水平向地震動反應譜均具有不同程度的放大（或減?。┳饔茫Ａт撜?、半地下觀測室、小砌體觀測房和大砌體觀測房對水平向地震動反應譜影響程度依次增大；四種觀測室結構對短周期段的豎向地震動反應譜亦具有不同程度的影響，且其影響程度明顯較水平向??；四種觀測室結構對地震動反應譜的影響中玻璃鋼罩的影響頻帶較窄、影響程度最小，觀測房尺寸越大影響頻帶變寬、影響程度越大，這亦與觀測室結構型式對地震動影響的數(shù)值模擬結果近似.

綜合數(shù)值模擬結果和觀測實驗結果可知，觀測室結構對地震動的影響是客觀存在的，由于觀測室結構自振周期和體量的不同，不同觀測室對地震動反應譜的影響頻帶和影響程度亦存在差異，比較而言玻璃鋼罩的影響頻帶較窄、影響程度最小.因此，在開展實際強震動觀測臺站建設時應盡量選擇玻璃鋼罩觀測室，若采用砌體觀測房，應適當減小其結構尺寸.