齊玉妍　孫麗娜　張　合　彭遠(yuǎn)黔（河北省地震局，石家莊　050021）

唐山地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)記錄的應(yīng)用研究初探1

齊玉妍孫麗娜張合彭遠(yuǎn)黔
（河北省地震局，石家莊050021）

齊玉妍，孫麗娜，張合，彭遠(yuǎn)黔，2016.唐山地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)記錄的應(yīng)用研究初探.震災(zāi)防御技術(shù)，11（2）：342—348. doi：10.11899/zzfy20160217

本文給出了唐山地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)記錄應(yīng)用研究的兩個(gè)實(shí)例，提出了建筑結(jié)構(gòu)采用時(shí)程分析時(shí)選用強(qiáng)震動(dòng)記錄的原則和方法，通過(guò)對(duì)唐山地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)記錄的分析處理，得到了其峰值加速度及加速度反應(yīng)譜，確定了本地區(qū)進(jìn)行彈性時(shí)程分析時(shí)選用的強(qiáng)震動(dòng)記錄；研究了局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響的唐山響堂三維強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣，以唐山響堂臺(tái)陣2號(hào)測(cè)井（地下32m）的基巖強(qiáng)震動(dòng)作為輸入，通過(guò)2號(hào)測(cè)井的土層剖面，利用2個(gè)一維土層地震反應(yīng)分析程序，分別計(jì)算得到地表的峰值加速度和加速度反應(yīng)譜，并把計(jì)算結(jié)果與同次地震相應(yīng)的地表強(qiáng)震動(dòng)記錄峰值加速度與加速度反應(yīng)譜進(jìn)行了對(duì)比分析。

強(qiáng)震動(dòng)記錄時(shí)程分析三維臺(tái)陣土層地震反應(yīng)

引言

強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的目的在于通過(guò)對(duì)強(qiáng)震動(dòng)記錄的分析，了解地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，以便研究結(jié)構(gòu)物抗震問(wèn)題（胡聿賢等，1998）。自強(qiáng)震儀問(wèn)世以來(lái)，強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)記錄除了推動(dòng)地震工程學(xué)的理論研究之外，在實(shí)際應(yīng)用上，如工程抗震設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析等方面也發(fā)揮了重要作用（曲哲等，2011；郭和等，2009；王國(guó)新等，2012）。

唐山毗鄰京津，地處華北地區(qū)，是我國(guó)大陸板內(nèi)地震的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，1976年7月28日唐山7.8級(jí)大地震造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)從此發(fā)展起來(lái)?！熬盼濉逼陂g建成的首都圈烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)、唐山響堂三維強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣以及后續(xù)新建和完善的京津冀強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)等，都獲得了大量強(qiáng)震動(dòng)記錄。這些記錄震相完整，波形清楚，計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，為建筑結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用、研究局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響等領(lǐng)域提供了寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文收集整理了1976年以來(lái)京津冀地區(qū)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)記錄到的唐山地區(qū)地震的強(qiáng)震動(dòng)記錄，確定了本地區(qū)進(jìn)行彈性時(shí)程分析可以選用的強(qiáng)震動(dòng)記錄，并研究了唐山響堂三維強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣基巖地震動(dòng)輸入的土層反應(yīng)計(jì)算與該地區(qū)的實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄對(duì)比。

1　強(qiáng)震動(dòng)記錄應(yīng)用于本地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

如何對(duì)地震動(dòng)記錄進(jìn)行合理的選取與分析，并在建筑結(jié)構(gòu)時(shí)程分析中如何選擇實(shí)際的強(qiáng)震動(dòng)記錄，是強(qiáng)震動(dòng)記錄應(yīng)用的一個(gè)方向。隨著時(shí)代的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，如今的建筑物越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)這些建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析法計(jì)算是抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠的科學(xué)基礎(chǔ)。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）對(duì)于特別不規(guī)則建筑、甲類建筑和超過(guò)一定高度的高層建筑地震動(dòng)時(shí)程反應(yīng)分析有明確的要求（中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2001），然而規(guī)范對(duì)于如何選取地震動(dòng)方面卻未做詳細(xì)說(shuō)明，實(shí)際工作中工程設(shè)計(jì)人員往往忽略了對(duì)強(qiáng)震動(dòng)記錄適用性的判別。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸入不同的地震動(dòng)進(jìn)行時(shí)程分析會(huì)得到不同的結(jié)果，甚至差別很大（楊溥等，2000；李英民等，2003）。因此，要保證時(shí)程分析結(jié)果的合理性，必須合理地選擇輸入強(qiáng)震動(dòng)記錄。

1.1進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄的選擇

選用實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)要滿足地震動(dòng)三要素的要求，即峰值、頻譜特征和持時(shí)，并使地震動(dòng)三要素和選擇的強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)量滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定。盡管很難選擇到完全符合設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)震動(dòng)記錄，但進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，應(yīng)盡量選取地質(zhì)條件相似，頻率大致一致的地震記錄。

1.1.1根據(jù)建筑物抗震設(shè)防參數(shù)調(diào)整峰值加速度

強(qiáng)震動(dòng)的峰值加速度可以從實(shí)際記錄中直接得到，它是一條記錄中最大的絕對(duì)峰值，通常用水平分量的記錄。在一定程度上，強(qiáng)震動(dòng)記錄的峰值反映地震的強(qiáng)度，因此要求輸入結(jié)構(gòu)的地震加速度時(shí)程應(yīng)與設(shè)防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的地震加速度時(shí)程相當(dāng)，為此在選取實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄時(shí)，峰值加速度過(guò)大或過(guò)小的記錄不應(yīng)考慮進(jìn)來(lái)。在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，需要對(duì)地震記錄進(jìn)行調(diào)幅，使其峰值加速度達(dá)到規(guī)范要求。

1.1.2地震動(dòng)持時(shí)

地震動(dòng)持時(shí)是建筑結(jié)構(gòu)受損、破壞、倒塌的重要因素之一（尤宇星等，2011）。地震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間不同，地震能量損耗便不同，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)也因此不同。時(shí)程分析法選用地震動(dòng)持時(shí)的原則是：①地震動(dòng)持時(shí)應(yīng)包括地震記錄最強(qiáng)烈部分；②若僅對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性最大地震反應(yīng)分析，持續(xù)時(shí)間可取短些；若對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性最大地震反應(yīng)分析或耗能過(guò)程分析，持續(xù)時(shí)間可取長(zhǎng)些；③一般可考慮取持續(xù)時(shí)間為結(jié)構(gòu)基本周期的5—10倍。

1.1.3根據(jù)工程特性選擇反應(yīng)譜頻段

經(jīng)大量地震記錄統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)譜整個(gè)頻率段上進(jìn)行控制是很難的。因而，將反應(yīng)譜劃分為若干個(gè)頻率段，如：［0s，0.1s］、［0.1s，Tg（s）］、［Tg（s），5Tg（s）］、［5Tg（s），6s］等（Tg為建筑所在場(chǎng)地的特征周期），分別在每一段上進(jìn)行控制，找出擬合條件最好的地震記錄，這比在整個(gè)頻段及在其他頻段進(jìn)行控制所選地震記錄的計(jì)算結(jié)果要好得多。

1.1.4唐山地區(qū)現(xiàn)有強(qiáng)震動(dòng)記錄的應(yīng)用

本文從1976年以來(lái)京津冀地區(qū)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)強(qiáng)震儀的加速度型記錄中，篩選出唐山地區(qū)3.3級(jí)以上地震48個(gè)，在不同類型（土層、基巖）的臺(tái)基上記錄到的172組加速度記錄，這些強(qiáng)震動(dòng)水平向峰值加速度范圍為2.6—55.2gal，采樣率均為0.004s，時(shí)程范圍為19.456—28.672s。通過(guò)對(duì)強(qiáng)震動(dòng)記錄的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算了其加速度反應(yīng)譜，圖1給出了3.3級(jí)以上唐山響堂三維強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣記錄到的7次地震地表水平向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜。7次地震的反應(yīng)譜譜型相似，但峰值差異較大。比較兩次震級(jí)較大的地震發(fā)現(xiàn)，雖然灤縣ML4.0地震峰值加速度比陡河?xùn)|ML5.9地震大，但是在0.04s之后陡河?xùn)|地震加速度反應(yīng)譜值明顯高于灤縣地震，另外考慮到唐山地區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，多遇地震時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程的最大值為70gal（中華人民共和國(guó)建設(shè)部，2001），故選擇陡河?xùn)|ML5.9地震強(qiáng)震動(dòng)記錄作為唐山地區(qū)工程場(chǎng)地進(jìn)行多遇地震時(shí)程分析，即彈性時(shí)程分析的地震動(dòng)輸入。

圖1　7次地震地表水平向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜Fig.1　Response spectrum of ground motion acceleration of seven earthquakes horizontaly

2　局部場(chǎng)地條件對(duì)唐山響堂三維強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣地震動(dòng)的影響

唐山響堂三維強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣是1994年7月中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所在唐山余震區(qū)建成的我國(guó)首個(gè)三維場(chǎng)地影響觀測(cè)臺(tái)陣。該臺(tái)陣建成時(shí)有四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別布設(shè)在基巖地表、土層地表、地下17m（1號(hào)測(cè)井）和地下32m（2號(hào)測(cè)井）處，目的在于獲取中、強(qiáng)地震記錄，研究局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的影響（謝禮立等，1999）。2001年為了使臺(tái)陣更為完整，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所對(duì)該臺(tái)陣進(jìn)行了擴(kuò)建和改造，在地下47m處布設(shè)了新鉆井（3號(hào)測(cè)井），在地面和地下47m處基巖上布設(shè)了兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)測(cè)井進(jìn)行了土層剪切波速測(cè)量，并對(duì)土樣進(jìn)行了動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)（周雍年等，2005；齊文浩等，2005）。

為了研究局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的影響，收集到了響堂井下臺(tái)陣1994年12月29日—1999 年12月31日44次地震共390條強(qiáng)震動(dòng)記錄，本文采用響堂2號(hào)測(cè)井的土層剖面作為計(jì)算剖面（謝禮立等，1999），以實(shí)際記錄到的井下32m處（2號(hào)測(cè)井）的強(qiáng)震動(dòng)記錄作為地震動(dòng)輸入，采用一維土層剪切動(dòng)力反應(yīng)分析的等效線性化方法程序進(jìn)行計(jì)算，為了對(duì)比分析，本文采用基于廖振鵬開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序LSSRLI-1的升級(jí)版ESE軟件和SHAKE91的升級(jí)版EERA2000軟件進(jìn)行土層反應(yīng)分析計(jì)算。各層土的容重、剪切模量比和阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系采用3號(hào)測(cè)井的結(jié)果近似取值（齊文浩等，2005），計(jì)算得出地表峰值加速度和加速度反應(yīng)譜，并把這些計(jì)算結(jié)果與同次地震相應(yīng)的地面強(qiáng)震動(dòng)記錄相比較，用強(qiáng)震動(dòng)記錄檢驗(yàn)一維土層地震反應(yīng)分析程序。

本文采用的3次強(qiáng)震動(dòng)記錄分別為1995年10月6日陡河?xùn)|地震（ML5.9）、1996年4月8日灤縣地震（ML4.0）、1999年1月9日灤縣地震（ML3.9），詳細(xì)情況見(jiàn)表1，對(duì)應(yīng)每1次地震都有井下32m處和地表處的強(qiáng)震動(dòng)記錄。輸入地震動(dòng)、地表記錄及程序計(jì)算所得加速度的峰值加速度如表2所示。從表2可以看出，無(wú)論是ESE軟件還是EERA2000軟件，計(jì)算得到的峰值加速度與地表土層實(shí)際記錄峰值加速度值均有較大差異，計(jì)算值均較實(shí)際記錄值小。土層地震反應(yīng)分析程序計(jì)算所得的反應(yīng)譜與地表強(qiáng)震動(dòng)記錄反應(yīng)譜的比較如圖2至圖4所示?？傮w上2個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果與強(qiáng)震動(dòng)記錄走向一致，只是在高頻部分，ESE軟件與EERA2000軟件計(jì)算得到的反應(yīng)譜值較實(shí)際記錄地表加速度所得的反應(yīng)譜值?。欢陂L(zhǎng)周期部分，程序計(jì)算得的反應(yīng)譜均較實(shí)際記錄地表加速度所得到的反應(yīng)譜寬。如果僅比較ESE軟件與EERA2000軟件計(jì)算的結(jié)果，EERA2000軟件計(jì)算得到的峰值加速度要大一點(diǎn)，反應(yīng)譜寬度要窄一些，與實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄更接近。

分析導(dǎo)致一維土層地震反應(yīng)計(jì)算結(jié)果較地表實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄峰值小、譜型寬的原因可能與臺(tái)陣場(chǎng)地的地質(zhì)條件有關(guān)。臺(tái)陣場(chǎng)地的土質(zhì)柱狀圖顯示（謝禮立等，1999），場(chǎng)地土質(zhì)松散，故對(duì)地震波的放大作用較弱，因此會(huì)使得土層地震反應(yīng)分析得到的加速度反應(yīng)譜較地表實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄峰值小，同時(shí)譜型更寬。

表1　強(qiáng)震動(dòng)記錄一覽表Table 1　List of the Storng motion records

表2　輸入地震動(dòng)（基巖記錄）、地表記錄及程序計(jì)算所得峰值加速度（gal）Table 2　Peak ground acceleration of the input（bedrock records），ground records and the computed results by the program

圖2　陡河?xùn)|ML5.9地震強(qiáng)震動(dòng)記錄與程序計(jì)算反應(yīng)譜比較圖Fig.2　The comparison of strong motion record and program response spectrum in the Douhedong ML5.9 earthquake

圖3　灤縣ML4.0地震強(qiáng)震動(dòng)記錄與程序計(jì)算反應(yīng)譜比較圖Fig.3　The comparison between strong motion record and program response spectrum in the Luanxian ML4.0 earthquake

圖4　灤縣ML3.9地震強(qiáng)震動(dòng)記錄與程序計(jì)算反應(yīng)譜比較圖Fig.4　The comparison between strong motion record and program response spectrum in the Luanxian ML3.9 earthquake

3　結(jié)論與討論

本文初步研究了唐山地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)應(yīng)用的兩個(gè)實(shí)例。提出了建筑結(jié)構(gòu)時(shí)程分析選用實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄的原則和方法，整理分析了唐山地區(qū)3.3級(jí)以上地震48個(gè)、172組強(qiáng)震動(dòng)記錄，通過(guò)對(duì)強(qiáng)震動(dòng)記錄的分析處理，計(jì)算了其加速度及加速度反應(yīng)譜，確定了陡河?xùn)|ML5.9地震強(qiáng)震動(dòng)記錄作為唐山地區(qū)工程場(chǎng)地進(jìn)行多遇地震時(shí)程分析，即彈性時(shí)程分析的地震動(dòng)輸入。

以唐山響堂臺(tái)陣2號(hào)測(cè)井（地下32m）的強(qiáng)震動(dòng)作為輸入，通過(guò)2號(hào)測(cè)井的土層剖面，利用2個(gè)一維土層地震反應(yīng)分析程序，計(jì)算得到地表的峰值加速度和加速度反應(yīng)譜，并把這些計(jì)算結(jié)果與同次地震相應(yīng)的地面強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行了對(duì)比。峰值加速度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ESE軟件與EERA2000軟件計(jì)算得到的峰值加速度與地表土層實(shí)際記錄峰值加速度值有較大差異，計(jì)算值均較實(shí)際記錄值小。反應(yīng)譜的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在高頻部分，ESE軟件與EERA2000軟件計(jì)算得到的反應(yīng)譜值較實(shí)際記錄地表加速度所得的反應(yīng)譜值小，而在長(zhǎng)周期部分，程序計(jì)算得的反應(yīng)譜均較實(shí)際記錄地表加速度所得到的反應(yīng)譜寬。比較兩個(gè)一維土層地震反應(yīng)分析軟件計(jì)算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)EERA2000軟件計(jì)算得到的峰值加速度要大一點(diǎn)，反應(yīng)譜寬度要窄一些，與實(shí)際強(qiáng)震動(dòng)記錄更接近，但是在目前的計(jì)算水平下，考慮到兩個(gè)程序計(jì)算結(jié)果差異不大，都可滿足工程上的計(jì)算需要。

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The PreliminaryApplication of Strong Motion Record in the Tangshan Region

Qi Yuyan，Sun Lina，Zhang He and Peng Yuanqian
（Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

Two examples of application on strong motion record in the Tangshan region was performed in this paper.We propose principles and methods on how to select strong motion records in time history analysis of building structures.And then the ground acceleration and acceleration response spectrum are obtained by analyzing strong motion records of Tangshan region，the applicative ground motion record is selected to be used in elastic time history analysis.We study the effects of surface soil conditions on seismic motion of Xiangtang three dimensional array，the bedrock strong motions of the 2ndwell-logging bedrock as ground motion input.With the soil profile data，we obtain the ground acceleration time history and acceleration response spectrum by two one-dimensional soil layer seismic response programs.Finally，the comparative analysis of peak ground acceleration and acceleration response spectrum from soil layer seismic response analysis and strong motion records of the same earthquake are carried out.

Strong motion record；Time history analysis；Three-dimensional strong-motion array；Soil seismic response

河北省地震科技星火計(jì)劃重點(diǎn)課題（DZ20140711036）和國(guó)家自然科學(xué)基金（41274113）資助

2015-05-06

齊玉妍，女，生于1981年。工程師，碩士。主要從事地震活動(dòng)性與工程地震研究。E-mail：15383018383@163.com