陳 鵬， 耿淑偉， 席 遠(yuǎn)， 董 鋼

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

場(chǎng)地條件對(duì)豎向抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的影響

陳 鵬， 耿淑偉， 席 遠(yuǎn)， 董 鋼

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章采用294條豎向按我國(guó)相關(guān)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范劃分場(chǎng)地條件的強(qiáng)震記錄反應(yīng)譜，提出用有效峰值加速度（EPA）表示地震動(dòng)強(qiáng)度，按照Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地上EPA進(jìn)行分組，研究每個(gè)分組區(qū)間場(chǎng)地條件對(duì)豎向反應(yīng)譜最大值的影響。結(jié)果表明：同一地震動(dòng)強(qiáng)度下，隨著場(chǎng)地變軟，豎向場(chǎng)地系數(shù)隨之增大；同一場(chǎng)地條件下，隨著地震動(dòng)強(qiáng)度提高，豎向場(chǎng)地系數(shù)有減小的趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算與分析，給出了不同類(lèi)別場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的1組豎向場(chǎng)地系數(shù)建議值。

場(chǎng)地類(lèi)別；豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜；有效峰值加速度；場(chǎng)地系數(shù)

近年來(lái)，大跨結(jié)構(gòu)、高聳塔柱狀結(jié)構(gòu)、超高層建筑及一些新、奇、特等復(fù)雜結(jié)構(gòu)日益增多，使得豎向地震作用的破壞潛力愈來(lái)愈大，引起了人們對(duì)豎向地震動(dòng)反應(yīng)譜［1－4］研究的極大關(guān)注。文獻(xiàn)［5］規(guī)定豎向地震影響系數(shù)取為相應(yīng)水平向的65%，且兩者譜形一致。因此，影響水平地震影響系數(shù)的各種因素同樣也對(duì)豎向地震影響系數(shù)產(chǎn)生作用。

按2010年抗震規(guī)范［5］進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，特征周期Tg與場(chǎng)地類(lèi)別有關(guān)，但地震影響系數(shù)的最大值，即地震影響系數(shù)曲線(xiàn)的平臺(tái)值，僅由設(shè)防烈度確定，與場(chǎng)地類(lèi)別無(wú)關(guān)。大量的震害表明，烈度相同，場(chǎng)地類(lèi)型不同時(shí)，震害的差別很大，而我國(guó)現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中反應(yīng)譜最大值的規(guī)定并沒(méi)有反映這一點(diǎn)。這意味著可能會(huì)使一些場(chǎng)地上的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)偏大而導(dǎo)致浪費(fèi)，另一些場(chǎng)地上的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)偏小而不安全。許多研究［6－8］表明，地震影響系數(shù)的最大值與場(chǎng)地類(lèi)別相關(guān)，并得出了受場(chǎng)地類(lèi)別影響的反應(yīng)譜最大值的場(chǎng)地系數(shù)。本文利用一定數(shù)量豎向地震動(dòng)的強(qiáng)震記錄進(jìn)行豎向地震動(dòng)反應(yīng)譜統(tǒng)計(jì)分析，研究適合于我國(guó)場(chǎng)地類(lèi)別的豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的場(chǎng)地系數(shù)，以期為抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)資料

所用的地震記錄是美國(guó)西部加州地區(qū)的強(qiáng)震記錄，所用的有詳細(xì)鉆孔資料的臺(tái)站場(chǎng)地是引用文獻(xiàn)［9］搜集的，共289個(gè)臺(tái)站?？紤]到數(shù)據(jù)基礎(chǔ)對(duì)工程結(jié)構(gòu)抗震的影響，將其中壩、高層等建筑物上的記錄去除，將小于15cm／s2的記錄去除，得到了294條豎向強(qiáng)震記錄（考慮不同類(lèi)別場(chǎng)地對(duì)豎向地震影響系數(shù)最大值的調(diào)整，對(duì)于以上的地震記錄只取豎直方向，舍去水平方向）。按我國(guó)2010年建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［5］場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)將豎向記錄場(chǎng)地條件分為4類(lèi)，其中Ⅰ類(lèi)分為Ⅰ0、Ⅰ12個(gè)亞類(lèi)（由于所采用294條豎向強(qiáng)震記錄按文獻(xiàn)［5］場(chǎng)地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有滿(mǎn)足Ⅰ0類(lèi)場(chǎng)地條件記錄，所以本文將符合Ⅰ1類(lèi)場(chǎng)地條件按Ⅰ類(lèi)記錄）。

本文使用的記錄中Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地豎直向記錄有63條，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地豎向記錄有115條，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地116條。Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地只有2條豎向記錄，記錄太少?zèng)]有使用。記錄關(guān)于震級(jí)震中距的分布見(jiàn)表1所列，可以看出，除Ⅳ 類(lèi)場(chǎng)地外，記錄分布比較均勻。

表1 按GB 50011－2010規(guī)范劃分場(chǎng)地類(lèi)別的豎向強(qiáng)震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分布

2 計(jì)算過(guò)程

首先對(duì)294條豎向地震動(dòng)加速度記錄進(jìn)行反應(yīng)譜計(jì)算，阻尼比為5%。豎向加速度反應(yīng)譜形狀采用文獻(xiàn)［10］中的譜形，即

其中，Tg為特征周期；T為結(jié)構(gòu)自振周期；Smax為設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值。

震中距（R）只取0～120km范圍內(nèi)的豎向地震記錄，根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)際分布情況，震級(jí)（M）分3檔，分別為4.0≤M＜5.5、5.5≤M＜6.5、6.5≤M＜8.0；距離按震中距分4檔，分別為0～10km、10～30km、30～50km、50～120km；場(chǎng)地分3類(lèi)，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi)，Ⅳ類(lèi)數(shù)據(jù)太少，不考慮。統(tǒng)計(jì)各分組中有效峰值加速度（effective peak acceleration，簡(jiǎn)稱(chēng)EPA）平均值，見(jiàn)表2所列，括號(hào)中的數(shù)字表示記錄的數(shù)目。

表2 各種場(chǎng)地條件EPA平均值 cm／s2

中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖是針對(duì)Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件編制的，因此，豎向地震動(dòng)強(qiáng)度也是按Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地上EPA分類(lèi)，根據(jù)數(shù)據(jù)分布狀況，EPA分區(qū)值如下：0.05g（≤0.08g）、0.10g（0.08g～0.13g）、0.15g（0.13g～0.18g）、0.20g（0.18g～0.23g）、0.30g（0.23g～0.33g），0.40g（≥0.33g）。

本文按照上述分組法，考慮EPA隨震中距減少、震級(jí)增加應(yīng)隨之增加的一般規(guī)律并作適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)表2中Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地結(jié)果，最終的分區(qū)結(jié)果如下：

（1）R∈［10，50）、M∈［5.5，6.5），R∈［0，30）、M∈ ［6.5，8.0）的 分 組 歸 入 EPA 等于0.15g。

（2）R∈［0，10）、M∈［5.5，6.5）和R∈［30，50）、M∈ ［6.5，8.0） 的 分 組 歸 入 EPA 等于0.10g。

（3）R∈［0，120）、M∈［4，5.5），R∈［50，120）、M∈ ［5.5，8）的 分 組 歸 入 EPA 等于0.05g。

同樣，Ⅰ、Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地也是按照上面劃分方法分組，將各分組區(qū)間的5%阻尼比的豎向加速度反應(yīng)譜進(jìn)行算術(shù)平均，即得到各類(lèi)別場(chǎng)地在不同EPA區(qū)間的平均反應(yīng)譜曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 各EPA區(qū)間內(nèi)、各種場(chǎng)地豎向平均反應(yīng)譜的比較

圖1表現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性：① 在長(zhǎng)周期段，各種場(chǎng)地的反應(yīng)譜幅值較為接近，多數(shù)情況下Ⅲ類(lèi)反應(yīng)譜幅值最大，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地次之，Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地最??；② 在短周期段，反應(yīng)譜幅值隨場(chǎng)地類(lèi)別Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的順序增大。

3 不同場(chǎng)地類(lèi)別的豎向場(chǎng)地系數(shù)

為得到不同類(lèi)別場(chǎng)地下各種地震動(dòng)強(qiáng)度的豎向場(chǎng)地系數(shù)，將各類(lèi)場(chǎng)地的豎向有效峰值加速度均值除以Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地EPA的均值，結(jié)果見(jiàn)表3所列。從表3中可以看出，不同類(lèi)別場(chǎng)地的豎向場(chǎng)地系數(shù)值有顯著的差別，同一地震動(dòng)強(qiáng)度下，隨著場(chǎng)地變軟豎向場(chǎng)地系數(shù)隨之增大；同一場(chǎng)地條件下，隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的提高豎向場(chǎng)地系數(shù)有減小的趨勢(shì)，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地系數(shù)均大于1，Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地在大多數(shù)情況下均小于1，這反映了土的非線(xiàn)性性質(zhì)。

表3 豎向場(chǎng)地系數(shù)擬合結(jié)果

根據(jù)上述規(guī)律，參考文獻(xiàn)［11］的規(guī)定及文獻(xiàn)［7］、文獻(xiàn)［10］研究成果，將豎向場(chǎng)地系數(shù)做一些調(diào)整，并推導(dǎo)至有效峰值加速度為0.2g、0.3g、0.4g3種情況，得到本文建議的豎向場(chǎng)地系數(shù)值見(jiàn)表4所列。

表4 豎向場(chǎng)地系數(shù)的建議值

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用按文獻(xiàn)［5］劃分場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)研究場(chǎng)地條件對(duì)豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的影響，得出了不同類(lèi)別場(chǎng)地的豎向場(chǎng)地系數(shù)值有一定的差別，豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值應(yīng)考慮場(chǎng)地條件的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算與分析，給出了不同場(chǎng)地條件下的豎向場(chǎng)地系數(shù)的建議值，可為抗震設(shè)計(jì)規(guī)范修訂提供一定的參考。

［1］徐龍軍，謝禮立.豎向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特性［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2007，27（6）：17－23.

［2］高躍春，林 淋.房屋抗震設(shè)計(jì)的豎向地震動(dòng)反應(yīng)譜研究［J］.黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)：自 然 科 學(xué) 版，2006，20（3）：23－25.

［3］Wang Guoquan，Zhou Xiyuan，Ma Zongjin，et al.A preliminary study on the randomness of response spectra of the 1999Chi－Chi，Taiwan，Earthquake［J］.BSSA，2001，91（5）：1358－1369.

［4］周正華，周雍年，盧 滔，等.豎向地震動(dòng)特征研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2003，23（3）：25－29.

［5］GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］郭 峰.抗震設(shè)計(jì)中有關(guān)場(chǎng)地的若干問(wèn)題研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2010.

［7］趙 艷，郭明珠，李化明，等.對(duì)比分析中國(guó)有關(guān)場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì) 反 應(yīng) 譜 最 大 值 的 影 響 ［J］.地 震 地 質(zhì)，2009，31（1）：186－196.

［8］耿淑偉，席 遠(yuǎn).基于現(xiàn)行規(guī)范場(chǎng)地劃分標(biāo)準(zhǔn)的地震動(dòng)反應(yīng)譜衰減關(guān)系［J］.世界地震工程，2010，26（Z1）：138－141.

［9］席 遠(yuǎn)，耿淑偉，董滿(mǎn)生，等.基于現(xiàn)行規(guī)范場(chǎng)地劃分標(biāo)準(zhǔn)的地震動(dòng)峰值加速度衰減關(guān)系研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，35（9）：1264－1268.

［10］耿淑偉.抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中地震作用的規(guī)定［D］.哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2005.

［11］NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures：1997edition［Z］.Washington DC：Building Seismic Safety Council，1998.

Effect of site condition on maximum value of vertical seismic design response spectrum

CHEN Peng， GENG Shu－wei， XI Yuan， DONG Gang
（School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

The records of 294vertical strips of actual strong earthquake response spectrum are classified by the current site categorization criteria of the related code for seismic design of building in China.The ground motion intensity is represented by the effective peak acceleration（EPA）and classified by EPA on the site of ClassⅡ，and then the effect of site condition on the maximum value of vertical response spectrum at each site is studied.The results show that in the same ground motion intensity，the vertical site coefficient increases with the increase of weakness of the site，while in the same site condition，the vertical site coefficient has a tendency to decrease with the increase of the ground motion intensity.By the analysis of numerical results，agroup of vertical site coefficient corresponding to the maximum value of vertical design response spectrum at various sites is proposed.

site category；vertical design response spectrum；effective peak acceleration（EPA）；site coefficient

P315.91

A

1003－5060（2014）06－0710－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2014.06.015

2013－08－08；

2013－10－14

陳 鵬（1984－），男，安徽阜陽(yáng)人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

耿淑偉（1965－），女，遼寧撫順人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 馬國(guó)鋒）