許智星，孫穎，谷音，卓衛(wèi)東

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116)

0 引言

在現(xiàn)有的地震動記錄中，有兩類地震動被認(rèn)為是特殊長周期地震動，一類是近場長周期脈沖型地震動，另一類為遠(yuǎn)場長周期類諧和地震動［1］.這兩類地震動在近年的幾次大地震中都造成了工程結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞.目前我國抗震設(shè)計規(guī)范［2］并未對兩類地震作用進(jìn)行專門的規(guī)定.隨著數(shù)字強(qiáng)震儀技術(shù)水平的不斷提高，地震動記錄數(shù)據(jù)已越來越豐富，大量的近場、遠(yuǎn)場長周期記錄為該類型地震動的研究、抗震規(guī)范的修訂以及防災(zāi)規(guī)劃等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).周雍年［3］等利用國內(nèi)外多次強(qiáng)震記錄分析強(qiáng)震動長周期分量特征，建議規(guī)范設(shè)計譜長周期衰減曲線不分段，適當(dāng)加大各類場地設(shè)計譜特征周期值;徐龍軍［1，4］等分析了兩類長周期地震動的傅里葉譜和反應(yīng)譜特征，基于簡單的脈沖地震動模型給出考慮長周期脈沖影響的近斷層設(shè)計譜，并與我國規(guī)范設(shè)計譜進(jìn)行比較，認(rèn)為規(guī)范設(shè)計譜譜值明顯偏低;耿淑偉［5］等根據(jù)對實際強(qiáng)震記錄的統(tǒng)計分析，提出6種加速度反應(yīng)譜形狀進(jìn)行比選，建議設(shè)計反應(yīng)譜按T－1的下降速率延長到10 s.

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，基于更多的國內(nèi)外地震記錄，經(jīng)過篩選整理，將長周期地震動進(jìn)一步分為近場和遠(yuǎn)場兩類，比較分析其與普通地震動的參數(shù)特征以及各類反應(yīng)譜特性，并將統(tǒng)計反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計譜進(jìn)行對比分析，以期為工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析及抗震規(guī)范的修訂提供參考.

1 地震動參數(shù)特征分析

近場區(qū)域，通常是指距離斷層破裂面小于20 km的區(qū)域，由于近斷層方向性效應(yīng)和地面永久位移的影響，近場地震動經(jīng)常表現(xiàn)出長周期脈沖特征［6］，其時程記錄幅值較大，波形簡單，速度和位移脈沖明顯.

地震波由震源向外傳播時，高頻成分隨距離增大而衰減的速度較低頻成分快得多，因此，遠(yuǎn)場地震動的長周期成分較為豐富［7］.這些長周期分量若經(jīng)過深厚軟弱土層的放大，可使后期振動階段產(chǎn)生多個循環(huán)的長周期脈沖，類似于諧和振動，且持時較長，盡管幅值不大，仍可能引起長周期結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞.

結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)和地面運(yùn)動特征有很大關(guān)系，地震動的卓越周期、加速度幅值PGA、速度幅值PGV、位移幅值PGD及其比率PGV/PGA、PVD/PGV等是用以反映地震動特征的重要參數(shù).本研究收集了多年來國內(nèi)外的大量地震動記錄，分別來源于中國國家強(qiáng)震動臺網(wǎng)中心(CSMNC)強(qiáng)震觀測數(shù)據(jù)庫以及太平洋地震工程研究中心(PEER)數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站，在選擇時考慮以下幾點(diǎn)原則:近場記錄的斷層距小于20 km，遠(yuǎn)場記錄的斷層距大于50 km;峰值加速度不小于0.02g;具有較為明確的場地條件.采用傅里葉變換對時域內(nèi)的不規(guī)則波形信息進(jìn)行處理，獲取地震動的頻域信息，從而根據(jù)傅里葉譜分布形式對其進(jìn)行篩選分類，如圖1所示.將低頻成分豐富的地震記錄劃分為長周期地震動，其頻譜成分主要集中于0.1～2 Hz，而其余各頻段分布較為均勻的地震記錄則歸為普通地震動用于比較.進(jìn)而對三類地震動主要特征參數(shù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果列于表1.

圖1 地震動傅里葉譜Fig.1 Fourier amplitude spectra of ground motions

表1 地震動主要特征參數(shù)平均值統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results on the main characteristic parameters of ground motions

1)根據(jù)傅里葉譜篩選出的長周期地震動，無論近場還是遠(yuǎn)場，其卓越周期都明顯高于普通地震動.

2)近場長周期地震動具有較大的加速度、速度和位移幅值，約為普通地震動相應(yīng)幅值的2.0倍、6.4倍以及11.2倍;遠(yuǎn)場地震動由于斷層距的增大逐漸衰減，導(dǎo)致其峰值加速度僅為普通地震動的32%，但其峰值速度和位移卻依然大于普通地震動，約為普通地震動的1.3倍及2.7倍，可見面波激勵和場地土放大作用對遠(yuǎn)場地震動的影響不容忽視.

3)長周期地震動的幅值比率PGV/PGA、PGD/PGV均高于普通地震動.許多學(xué)者將PGV/PGA＞0.2作為識別長周期脈沖型地震動的一個指標(biāo)［8－9］，從表1的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，近場和遠(yuǎn)場長周期地震動的脈沖特征確實較為明顯.

2 地震動反應(yīng)譜比較分析

反應(yīng)譜可以反映出地震動頻譜特性對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響情況.采用上述篩選出的地震記錄(見表1統(tǒng)計)，利用地震波信號處理軟件Seismo spect分別計算了三類地震動阻尼比為0.05的平均彈性反應(yīng)譜以及對應(yīng)的規(guī)準(zhǔn)化反應(yīng)譜，進(jìn)行比較分析.如圖2所示，三類地震動的反應(yīng)譜存在以下特征.

1)由圖2(a)可見，近場長周期地震動的加速度反應(yīng)譜值整體高于其他兩類地震動，遠(yuǎn)場地震動隨距離而衰減，導(dǎo)致其譜值亦普遍偏低，然而在大于0.7 s的周期段，其譜值卻明顯高于普通地震動，可見長周期地震動對長周期結(jié)構(gòu)影響較大.圖2(d)中長周期地震動與普通地震動的加速度規(guī)準(zhǔn)譜峰值相近，但達(dá)到峰值的周期卻相差較大，普通地震動在0.16 s時即達(dá)到峰值，而近場與遠(yuǎn)場長周期地震動則分別在0.60、1.03 s時才達(dá)到該峰值.

2)圖2(b)中，在1 s以上的周期段，遠(yuǎn)場長周期地震動的速度反應(yīng)譜譜值約為普通地震動的2倍，近場長周期更是達(dá)到了其8倍以上.由圖2(e)可見，對于達(dá)到規(guī)準(zhǔn)速度反應(yīng)譜峰值的周期，長周期地震動明顯大于普通地震動.

3)由圖2(c)可見，對于普通地震動，譜值隨周期變化增幅不大，4 s以后基本趨于不變;長周期地震動的譜值則隨周期的增大而迅速增大，特別是近場長周期地震動.根據(jù)圖2(f)，在周期8 s附近，近場長周期地震動的規(guī)準(zhǔn)位移反應(yīng)譜達(dá)到峰值，為同周期下普通地震動譜值的4.4倍;而遠(yuǎn)場長周期地震動的譜值在4.7 s后也越過普通地震動，并繼續(xù)呈增大趨勢.

圖2 地震動平均反應(yīng)譜及平均規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜Fig.2 Average response spectra and average normalized response spectra of ground motions

3 規(guī)準(zhǔn)譜與規(guī)范設(shè)計譜的比較

我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范 GB 50011－2010》［2］及其他結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中，對長周期地震動的考慮較弱，一方面通過避讓距離對建于近場區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防，另一方面僅通過設(shè)計地震分組來考慮近場、遠(yuǎn)場地震動對設(shè)計反應(yīng)譜特征周期的影響.目前還未形成完善的適用于長周期地震動的設(shè)計規(guī)范譜.

規(guī)范(GB 50011－2010)給出的設(shè)計反應(yīng)譜以地震影響系數(shù)曲線表示，由四個分段組成，分別為直線上升段、水平段、曲線下降段以及直線下降段.而曲線下降段的起始點(diǎn)，即特征周期，是設(shè)計反應(yīng)譜的重要參數(shù)之一，不僅與設(shè)計地震分組有關(guān)，也與場地類型相關(guān).為了更好地與規(guī)范設(shè)計譜進(jìn)行比較，將收集到的地震動按場地類型進(jìn)一步劃分，以土層的等效剪切波速等于360 m·s－2為分界(即PEER記錄中A+B為一類，C+D為一類)，大致劃分為軟土與硬土兩類場地.

利用規(guī)范給出的設(shè)計譜曲線形式，并將直線下降段延長計算至10 s，即:分別對各類地震動的平均規(guī)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜進(jìn)行擬合，以均方誤差最小為原則，搜索譜參數(shù)(平臺值βmax及特征周期Tg)，進(jìn)而確定各類地震動的擬合反應(yīng)譜［3］，即令

其中:為統(tǒng)計平均反應(yīng)譜值.求βmax和Tg，使Q取最小值，即滿足方程:

圖3、圖4分別為硬土、軟土場地各類地震動平均規(guī)準(zhǔn)譜、擬合譜以及規(guī)范設(shè)計譜的比較，其中，硬土場地的規(guī)范譜對應(yīng)規(guī)范中的II類場地，軟土場地對應(yīng)IV類場地.結(jié)合圖3、圖4及表2，可得出以下幾個主要結(jié)論.

圖3 硬土場地平均規(guī)準(zhǔn)譜、擬合譜與規(guī)范設(shè)計譜Fig.3 Average normalized response spectra，fitting spectra and code design spectra on hard soil site

圖4 軟土場地平均規(guī)準(zhǔn)譜、擬合譜與規(guī)范設(shè)計譜Fig.4 Average normalized response spectra，fitting spectra and code design spectra on soft soil site

1)平臺值.普通地震動的平均規(guī)準(zhǔn)譜基本上可被規(guī)范譜所包絡(luò)，其擬合譜的平臺值僅為規(guī)范譜的75%左右;近場長周期地震動擬合譜平臺值處于2.0左右，接近規(guī)范譜平臺值;遠(yuǎn)場長周期擬合譜該值為2.17，達(dá)到規(guī)范譜的96%.因此，針對長周期地震動，規(guī)范譜的平臺值應(yīng)適當(dāng)增大，以提高安全儲備.

2)特征周期.普通地震動的擬合特征周期小于規(guī)范譜;而長周期地震動，無論硬土場地或是軟土場地，其擬合特征周期都超過了規(guī)范譜，特別是遠(yuǎn)場地震動，硬土場地上擬合特征周期為規(guī)范譜的近3倍，軟土場地上約為規(guī)范譜的1.5倍.因此，考慮到長周期地震動，規(guī)范譜的特征周期應(yīng)有所提高.

3)場地類型.對于近場長周期地震動，場地類型對其影響不大，而遠(yuǎn)場長周期地震動則主要發(fā)生于軟土場地上.軟土場地上，近場平均規(guī)準(zhǔn)譜與擬合譜的長周期段與規(guī)范譜較為接近，而遠(yuǎn)場的計算譜值仍然明顯高于規(guī)范譜.因此，在軟土場地上，特征周期的修正主要應(yīng)考慮遠(yuǎn)場長周期地震動的影響.

表2 各類擬合譜及規(guī)范設(shè)計譜的特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of fitting spectra and code design spectra

對于表2中近場長周期地震動的擬合特征周期，軟土場地上的值略小于硬土場地，其原因主要有:一方面，依據(jù)傅里葉譜的分布形式選取地震記錄，所選的長周期地震記錄都具有較為一致的頻譜分布，導(dǎo)致特征周期隨場地類型變化不大，場地類型的影響主要體現(xiàn)于樣本數(shù)量(如遠(yuǎn)場長周期地震動)，相關(guān)研究［3］不區(qū)分地震動的周期成分，僅選取具有較長事前記錄和基本場地資料的強(qiáng)震水平分量記錄，因此擬合的特征周期隨場地條件變化較為明顯，且大于本文中剔除了長周期記錄的普通地震動的擬合特征周期.另一方面，由于近場長周期記錄數(shù)量有限，硬土與軟土場地擬合特征周期的變異系數(shù)分別達(dá)到56%和58%，特征周期隨土層剪切波速的變化也存在較大離散性，不足以說明其隨場地類型變化的規(guī)律.

4 結(jié)語

1)相對于頻譜成分豐富的普通地震動，近場長周期地震動幅值大、脈沖周期長，遠(yuǎn)場長周期地震動盡管加速度幅值不大，但后期振動階段有多個循環(huán)的長周期脈沖，易激起較大的速度與位移脈沖.

2)長周期地震動反應(yīng)譜出現(xiàn)峰值的周期較大，可見該類地震動對長周期結(jié)構(gòu)的影響較大.

3)我國現(xiàn)行規(guī)范缺乏對長周期地震動的具體規(guī)定，針對長周期地震動，建議規(guī)范設(shè)計譜的平臺值以及特征周期應(yīng)有所提高.

4)由于數(shù)據(jù)有限，統(tǒng)計無法按我國規(guī)范的場地類型進(jìn)行具體分類，而只是粗略分為硬土、軟土兩類.今后可收集更多的數(shù)據(jù)對場地類型進(jìn)行補(bǔ)充，分析場地條件對長周期地震動的影響，并可針對不同的阻尼比進(jìn)行討論，進(jìn)一步為完善抗震規(guī)范提供參考.

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