不同的地震動輸入面對地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響1

李建亮 李福海 彭晉川 趙 晶 魯長江 亢川川 湯才成

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不同的地震動輸入面對地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響1

李建亮1）李福海2）彭晉川1）趙 晶1）魯長江1）亢川川1）湯才成3）

1）四川省地震局，成都 610041?2）西南交通大學(xué)，成都 610031?3）四川賽思特科技有限責(zé)任公司，成都 610041

利用目前工程抗震設(shè)防上廣泛應(yīng)用的土層地震反應(yīng)計算分析軟件，對成都某典型卵石場地剖面進(jìn)行了計算，得到了不同輸入地震強(qiáng)度下的地震反應(yīng)分析結(jié)果隨不同地震動輸入面的變化規(guī)律。結(jié)果表明，無論是地表加速度峰值，還是反應(yīng)譜特征周期，在相同的地震動強(qiáng)度輸入下，均是隨著地震動輸入面的變深而增大，其中加速度峰值最大增加20%以上，反應(yīng)譜特征周期最大增加10%以上。此結(jié)論可為工程抗震設(shè)計人員獲得科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

地震動輸入面 加速度峰值 特征周期

引言

場地地震動參數(shù)的確定是工程場地地震安全性評價的目標(biāo)，其結(jié)果可作為建設(shè)工程抗震設(shè)防的依據(jù)。場地地震動參數(shù)主要包括加速度峰值和反應(yīng)譜特征周期，因此如何合理地獲取地震動參數(shù)是工程抗震設(shè)計面對的關(guān)鍵問題。而提供合理的地震動輸入則是工程結(jié)構(gòu)抗震分析的基礎(chǔ)，是保證結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計結(jié)果可靠又經(jīng)濟(jì)的必要條件。

場地地震動參數(shù)與地震震源特性、地震波從震源傳播至場地的途徑，以及介質(zhì)特性、局部場地條件等有關(guān)。其中，前兩項因素在進(jìn)行地震危險性分析時，通過對工程場地區(qū)域和近場的地震活動性以及地震構(gòu)造背景的研究已予考慮；而后兩項因素可根據(jù)場地工程地質(zhì)資料條件，建立土層地震反應(yīng)分析模型，進(jìn)行土層地震反應(yīng)計算給予考慮。通過土層地震反應(yīng)的計算結(jié)果，即可得到加速度峰值和反應(yīng)譜特征周期。地震反應(yīng)分析模型參數(shù)的確定是土層地震反應(yīng)分析的關(guān)鍵問題。模型參數(shù)主要包括土層厚度、土體密度、剪切波速、土體動力非線性關(guān)系以及計算基底（地震動輸入面）。其中土層厚度、剪切波速和土體的動力非線性關(guān)系對地表設(shè)計地震動參數(shù)的影響已有較多的學(xué)者進(jìn)行了研究（薄景山等，2003a；2003b；曹均鋒等，2013；高玉峰等，2001；蘭景巖等，2007；2012；李建亮等，2011；劉紅帥等，2005；呂國軍等，2013；王紹博等，2001），但地震動輸入面的變化對地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響還鮮有學(xué)者研究（王沖等，2011）?；诖?，筆者選取了成都市某住宅項目工程場地的一個典型鉆孔剖面，分析了不同的地震動輸入面對地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響。

文中的地震動輸入面是指在進(jìn)行土層地震反應(yīng)計算時，計算模型中（假想）彈性均勻基巖空間與非均勻土層的交界面。該界面作為引起界面內(nèi)土體反應(yīng)的地震動輸入的（地震入射波）輸入界面（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005；胡聿賢，1999），從場地地層剖面圖或鉆孔柱狀圖中可以看出，該交界面即為一條線，而非整個計算基底層。

1 成都平原工程地質(zhì)條件

本文分析的住宅項目位于成都平原地區(qū)，該地區(qū)第四紀(jì)以來一直處于穩(wěn)定的下降狀態(tài)，第四系覆蓋層厚度呈北西厚、南東薄。在郫縣竹瓦鋪附近，第四系厚度達(dá)541m，向南東至郫縣縣城為200m左右，在郫縣犀浦鎮(zhèn)為110m左右，在成都市茶店子西側(cè)為100m左右。且在竹瓦鋪至茶店子間形成了中心斷陷區(qū)，該斷陷區(qū)兩側(cè)斷陷幅度急劇減小，第四系之下的白堊系灌口組（K2g）基巖形成了明顯的斷坎，如在竹瓦鋪西側(cè)的走石山，灌口組基巖直接出露地表，茶店子?xùn)|側(cè)的基巖埋深也只有35m，成都市區(qū)基巖面埋深為15—30m，而市區(qū)以東僅為幾米。根據(jù)鉆探資料顯示，北西側(cè)較厚處的地層按成因和年代從上至下依次主要為：第四系全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）（包括雜填土及素填土）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）（包括粉質(zhì)粘土、粉土、中細(xì)砂、松散-密實卵石）和基巖層；南東側(cè)較薄處的地層從上至下依次主要為：第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml）（包括雜填土及素填土）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）（包括粘性土、粉土、砂層）和基巖層，見圖1。到目前為止，還未見有學(xué)者對成都平原內(nèi)相差數(shù)百米的第四系覆蓋層進(jìn)行過土層地震反應(yīng)計算結(jié)果的研究，這也是筆者之所以選擇這一內(nèi)容進(jìn)行分析的原因，其目的是為了得到該平原內(nèi)幾米覆蓋層和上百米覆蓋層土層對土層地震反應(yīng)計算結(jié)果影響的不同之處。

2 土層地震反應(yīng)計算模型

本文采用《工程場地地震安全性評價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）所推薦使用的一維土層地震反應(yīng)的等效線性化波動方法（廖振鵬等，1989）進(jìn)行場地地震反應(yīng)計算，所使用的計算程序為中國地震局組織鑒定驗收的ESE軟件。根據(jù)該住宅項目的巖土工程勘察資料，鉆孔剖面鉆探揭露的地層從上至下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、中砂、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實卵石，為成都地區(qū)具有代表性的卵石場地剖面，其土層地震反應(yīng)計算模型參數(shù)見表1。計算所采用的粉質(zhì)粘土的動力非線性關(guān)系（動剪切模量比與阻尼比參數(shù)）由中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所測試，其他土類的動力非線性關(guān)系參考了“四川數(shù)字強(qiáng)震動觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)”和“土的動剪切模量和阻尼比”中的實驗結(jié)果（石兆吉，1989），見表2。

表1 鉆孔剖面的土層地震反應(yīng)計算模型參數(shù)

表2 各土層的動剪切模量比及阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系

續(xù)表

土類號土類參數(shù)剪應(yīng)變γ/10-40.050.10.5151050100 5稍密卵石G/Gmax0.97600.95600.85800.76300.61500.48800.32600.1430 ζ0.00700.01000.02700.05000.06600.08400.10600.1240 6中密卵石G/Gmax0.98100.96000.87700.79300.68500.52300.34600.1530 ζ0.00500.00800.02300.03500.06600.08600.10500.1220 7密實卵石G/Gmax0.99640.97200.90940.82430.66320.53840.34990.1263 ζ0.00430.00750.02130.03150.04660.06360.07420.0923

3 基巖輸入地震動

按照《工程場地地震安全性評價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）的規(guī)定，依據(jù)對成都某住宅項目工程區(qū)域及近場區(qū)域地震活動性和地震構(gòu)造背景的研究，筆者確定了對工程場地地震安全性有影響的地震帶、地震構(gòu)造區(qū)及潛在震源區(qū)劃分以及地震帶、地震構(gòu)造區(qū)和潛在震源區(qū)地震活動參數(shù)，并利用所確定的適合本區(qū)的地震動衰減關(guān)系，采用地震危險性的概率分析方法，用中國地震局推薦的地震危險性分析程序包和部分自編程序，計算得到了鉆孔剖面場地在50年超越概率63%（小震）、10%（中震）、2%（大震）水平下的基巖峰值加速度及基巖加速度反應(yīng)譜，計算結(jié)果見表3和圖2。

表3 地震危險性概率分析結(jié)果

以上面地震危險性分析得到的基巖加速度峰值和基巖加速度反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，采用隨機(jī)相位差和適合本地區(qū)的包絡(luò)函數(shù)，用人工數(shù)值模擬方法合成基巖地震波，作為土層地震反應(yīng)計算的基巖輸入地震動。在擬合地震動時程時，為了考慮相位隨機(jī)性的影響，對不同概率檔的目標(biāo)反應(yīng)譜（大震、中震、小震的目標(biāo)譜）分別合成3條地震動時程，作為同一剖面計算模型的地震動輸入?；鶐r地震動的合成以0.02s為時間間隔，共2048或4096個點。目標(biāo)譜控制點在0.04—6.0s內(nèi)插至78個點，以保證反應(yīng)譜的擬合精度。在合成過程中，利用逐步逼近目標(biāo)譜的方法，使合成的基巖地震波滿足基巖加速度峰值，并近似滿足基巖加速度反應(yīng)譜，控制相對誤差小于5%。

為檢驗上面各概率檔的各3條地震加速度時程間的相關(guān)性，用式（1）：

=（1）

定義相關(guān)系數(shù)，計算各個加速度時程兩兩之間的相關(guān)系數(shù)，使其均小于0.1，以保證各加速度時程在統(tǒng)計上互不相關(guān)。

4 研究方案

《工程場地地震安全性評價（GB 17741-2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）的規(guī)定，Ⅱ級工作（此住宅項目的工程場地地震安全性評價為Ⅱ級工作）在進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析計算選取地震動輸入界面時，應(yīng)采用下列三者之一：①鉆探確定的基巖面；②剪切波速不小于500m/s的土層頂面；③鉆探深度超過100m，且剪切波速有明顯躍升的土層分界面或由其他方法確定的界面。根據(jù)表1中計算模型的數(shù)據(jù)，筆者采用②規(guī)定確定密實卵石層頂面為地震動輸入界面。然而波速測試報告中提供的各土層的剪切波速值均為該土層的平均波速值，而非各土層頂面處的波速值，該平均波速值大于土層頂面處的波速值，這樣在進(jìn)行土層地震反應(yīng)計算時，輸入界面處的剪切波速值就變大了，這將會對土層地震反應(yīng)計算結(jié)果產(chǎn)生影響。另外，剪切波速測試方法的不同、儀器的精度和人為操作等各方面的原因，也會造成波速值的不確定，而且這種不確定性可達(dá)30%，甚至更高。為此，本文將通過改變地震動輸入界面，來研究地表處土層地震反應(yīng)計算結(jié)果的變化規(guī)律，將地震動輸入界面分別定為剪切波速為500m/s、600m/s、700m/s、800m/s的土層頂面。

5 計算結(jié)果及分析

利用人工合成的不同超越概率（大震、中震、小震）下的各3條基巖地震波，并將幅值縮小一半后作為輸入地震波，對場地剖面進(jìn)行地震反應(yīng)計算，筆者得到了在各個輸入界面下的地表處土層地震反應(yīng)計算結(jié)果。

5.1 地表加速度峰值

地表處的加速度峰值計算結(jié)果見表4，每次改變輸入界面后計算所得到的加速度峰值比初始用500m/s土層頂面作為輸入面所得到的加速度峰值增大的百分比見表5。

表4 地表處的加速度峰值/（cm/s2）

續(xù)表

地震動輸入面P50=63%（小震輸入）P50=10%（中震輸入）P50=2%（大震輸入）3條輸入地震波下的平均值3條輸入地震波下的平均值3條輸入地震波下的平均值 VS=600m/s土層頂面62.0172.0310.0 VS=700m/s土層頂面64.0197.0346.0 VS=800m/s土層頂面68.0201.0357.0

表5 地表加速度峰值比初始計算值增大的百分比

從表4、表5中可以得出，無論是大震、中震還是小震輸入，地表處的加速度峰值均是隨著地震動輸入面的變深而增大，最大增大20%以上，分別為25%、25%和24%。

5.2 反應(yīng)譜特征周期

圖3—圖5為各種工況下反應(yīng)譜的規(guī)準(zhǔn)情況。表6g給出了反應(yīng)譜特征周期，表7為每次改變輸入界面后所得到的特征周期比初始用500m/s土層頂面作為輸入面所得到的特征周期增大的百分比。

表6 反應(yīng)譜特征周期（s）

表7 反應(yīng)譜特征周期比初始計算值增大的百分比

從表6、表7中可以得出，無論是大震、中震還是小震輸入，反應(yīng)譜特征周期均是隨著地震動輸入面的變深而增大，最大增大10%以上，分別為10.8%、11.1%和13.2%。

從圖3—圖5可以看出，無論是大震、中震還是小震輸入，0.04—1.0s范圍內(nèi)的反應(yīng)譜均是隨著地震輸入面的逐漸變深而逐漸升高，1.0—6.0s范圍內(nèi)的反應(yīng)譜基本一致，這說明地震動輸入面的改變基本上未對1.0s以后的反應(yīng)譜造成影響。

6 結(jié)語

本文選取了成都地區(qū)有代表性的典型卵石場地剖面，建立了土層地震反應(yīng)分析計算模型，利用目前工程上廣泛應(yīng)用的土層地震反應(yīng)計算分析軟件，得到了不同輸入強(qiáng)度下的地表土層地震反應(yīng)計算結(jié)果隨不同輸入界面的變化規(guī)律。無論是地表加速度峰值，還是反應(yīng)譜特征周期，在相同的地震動強(qiáng)度輸入下，均是隨著地震動輸入面的變深而變大。當(dāng)?shù)卣饎虞斎朊鎻?00m/s的土層頂面變至800m/s的土層頂面時，在3種強(qiáng)度輸入下，加速度峰值均增大了20%以上；同時，特征周期也均增大了10%以上，這便使得用于抗震設(shè)計的水平地震影響系數(shù)值將進(jìn)一步變大，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）計算可知，當(dāng)反應(yīng)譜特征周期從0.34s增大至0.41s時，規(guī)范譜的曲線下降段約增大13%左右，直線下降段約增大3%左右。故若按800m/s的土層頂面作為輸入面的計算結(jié)果進(jìn)行工程抗震設(shè)計，便大大增加了工程建設(shè)項目的成本。因此，筆者建議《工程場地地震安全性評價（GB17741-2005）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2005）在規(guī)定地震動輸入界面處剪切波速下限值（最小值）的同時，也要根據(jù)安評項目的工作等級和工程特性規(guī)定其上限值（最大值），這樣才能得到合理可靠并兼顧經(jīng)濟(jì)性的工程抗震設(shè)計結(jié)果。

致謝：感謝審稿專家對本文初稿提出的寶貴意見和建議。

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The Effect of Different Seismic Wave Inputting Interfaces on the Soil Layer Seismic Response

Li Jianliang1), Li Fuhai2), Peng Jinchuan1), Zhao Jing1), Lu Changjiang1), Kang Chuanchuan1)and Tang Caicheng3)

1) Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China?2) Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China?3) Sichuan Seistech Corporation, Ltd., Chengdu 610041, China

Based on a practical engineering site profile of Chengdu area, we studied the effect of different seismic wave inputting interfaces on the results of the soil layer seismic response. We found that both the peak ground acceleration and the characteristic period increased with the increase of depth of seismic wave inputting interface. The peak acceleration was increased by more than 20%, the characteristic period was increased by more than 10%. This conclusion can provide reference for seismic design engineers.

Seismic wave inputting interface；Peak acceleration；Characteristic period

四川省地震局地震科技專項項目（LY1509、LY1308）、地震行業(yè)科研專項分項項目（201008006-3）資助

2014-10-25

李建亮，男，生于1979年。碩士，高級工程師，注冊地震安評師。主要研究方向：工程地震和地震現(xiàn)場（震害調(diào)查、科考與災(zāi)害損失評估）。E-mail：122529855@qq.com