齊玉妍　孫麗娜　張　合　彭遠黔（河北省地震局，石家莊　050021）

唐山地區(qū)強震動記錄的應(yīng)用研究初探1

齊玉妍孫麗娜張合彭遠黔
（河北省地震局，石家莊050021）

齊玉妍，孫麗娜，張合，彭遠黔，2016.唐山地區(qū)強震動記錄的應(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)強震動記錄應(yīng)用研究的兩個實例，提出了建筑結(jié)構(gòu)采用時程分析時選用強震動記錄的原則和方法，通過對唐山地區(qū)強震動記錄的分析處理，得到了其峰值加速度及加速度反應(yīng)譜，確定了本地區(qū)進行彈性時程分析時選用的強震動記錄；研究了局部場地條件對地震動影響的唐山響堂三維強震動觀測臺陣，以唐山響堂臺陣2號測井（地下32m）的基巖強震動作為輸入，通過2號測井的土層剖面，利用2個一維土層地震反應(yīng)分析程序，分別計算得到地表的峰值加速度和加速度反應(yīng)譜，并把計算結(jié)果與同次地震相應(yīng)的地表強震動記錄峰值加速度與加速度反應(yīng)譜進行了對比分析。

強震動記錄時程分析三維臺陣土層地震反應(yīng)

引言

強震動觀測的目的在于通過對強震動記錄的分析，了解地震動與結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，以便研究結(jié)構(gòu)物抗震問題（胡聿賢等，1998）。自強震儀問世以來，強震動觀測記錄除了推動地震工程學(xué)的理論研究之外，在實際應(yīng)用上，如工程抗震設(shè)計、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；王國新等，2012）。

唐山毗鄰京津，地處華北地區(qū)，是我國大陸板內(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級大地震造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，強震動觀測從此發(fā)展起來?！熬盼濉逼陂g建成的首都圈烈度速報臺網(wǎng)、唐山響堂三維強震動觀測臺陣以及后續(xù)新建和完善的京津冀強震臺網(wǎng)等，都獲得了大量強震動記錄。這些記錄震相完整，波形清楚，計時準(zhǔn)確，為建筑結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用、研究局部場地條件對地震動影響等領(lǐng)域提供了寶貴的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文收集整理了1976年以來京津冀地區(qū)數(shù)字強震動臺網(wǎng)記錄到的唐山地區(qū)地震的強震動記錄，確定了本地區(qū)進行彈性時程分析可以選用的強震動記錄，并研究了唐山響堂三維強震動觀測臺陣基巖地震動輸入的土層反應(yīng)計算與該地區(qū)的實際強震動記錄對比。

1　強震動記錄應(yīng)用于本地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)時程分析

如何對地震動記錄進行合理的選取與分析，并在建筑結(jié)構(gòu)時程分析中如何選擇實際的強震動記錄，是強震動記錄應(yīng)用的一個方向。隨著時代的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，如今的建筑物越來越高，結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜，對這些建筑結(jié)構(gòu)進行時程分析法計算是抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠的科學(xué)基礎(chǔ)。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）對于特別不規(guī)則建筑、甲類建筑和超過一定高度的高層建筑地震動時程反應(yīng)分析有明確的要求（中華人民共和國建設(shè)部，2001），然而規(guī)范對于如何選取地震動方面卻未做詳細說明，實際工作中工程設(shè)計人員往往忽略了對強震動記錄適用性的判別。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，輸入不同的地震動進行時程分析會得到不同的結(jié)果，甚至差別很大（楊溥等，2000；李英民等，2003）。因此，要保證時程分析結(jié)果的合理性，必須合理地選擇輸入強震動記錄。

1.1進行時程分析時實際強震動記錄的選擇

選用實際強震動記錄進行時程分析時要滿足地震動三要素的要求，即峰值、頻譜特征和持時，并使地震動三要素和選擇的強震動記錄數(shù)量滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定。盡管很難選擇到完全符合設(shè)計要求的強震動記錄，但進行時程分析時，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

強震動的峰值加速度可以從實際記錄中直接得到，它是一條記錄中最大的絕對峰值，通常用水平分量的記錄。在一定程度上，強震動記錄的峰值反映地震的強度，因此要求輸入結(jié)構(gòu)的地震加速度時程應(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程相當(dāng)，為此在選取實際強震動記錄時，峰值加速度過大或過小的記錄不應(yīng)考慮進來。在進行時程分析時，需要對地震記錄進行調(diào)幅，使其峰值加速度達到規(guī)范要求。

1.1.2地震動持時

地震動持時是建筑結(jié)構(gòu)受損、破壞、倒塌的重要因素之一（尤宇星等，2011）。地震動的持續(xù)時間不同，地震能量損耗便不同，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)也因此不同。時程分析法選用地震動持時的原則是：①地震動持時應(yīng)包括地震記錄最強烈部分；②若僅對結(jié)構(gòu)進行彈性最大地震反應(yīng)分析，持續(xù)時間可取短些；若對結(jié)構(gòu)進行彈塑性最大地震反應(yīng)分析或耗能過程分析，持續(xù)時間可取長些；③一般可考慮取持續(xù)時間為結(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)計分析發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)譜整個頻率段上進行控制是很難的。因而，將反應(yīng)譜劃分為若干個頻率段，如：［0s，0.1s］、［0.1s，Tg（s）］、［Tg（s），5Tg（s）］、［5Tg（s），6s］等（Tg為建筑所在場地的特征周期），分別在每一段上進行控制，找出擬合條件最好的地震記錄，這比在整個頻段及在其他頻段進行控制所選地震記錄的計算結(jié)果要好得多。

1.1.4唐山地區(qū)現(xiàn)有強震動記錄的應(yīng)用

本文從1976年以來京津冀地區(qū)數(shù)字強震動臺網(wǎng)強震儀的加速度型記錄中，篩選出唐山地區(qū)3.3級以上地震48個，在不同類型（土層、基巖）的臺基上記錄到的172組加速度記錄，這些強震動水平向峰值加速度范圍為2.6—55.2gal，采樣率均為0.004s，時程范圍為19.456—28.672s。通過對強震動記錄的數(shù)據(jù)處理，計算了其加速度反應(yīng)譜，圖1給出了3.3級以上唐山響堂三維強震動觀測臺陣記錄到的7次地震地表水平向地震動加速度反應(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，多遇地震時程分析所用地震加速度時程的最大值為70gal（中華人民共和國建設(shè)部，2001），故選擇陡河?xùn)|ML5.9地震強震動記錄作為唐山地區(qū)工程場地進行多遇地震時程分析，即彈性時程分析的地震動輸入。

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

2　局部場地條件對唐山響堂三維強震動觀測臺陣地震動的影響

唐山響堂三維強震動觀測臺陣是1994年7月中國地震局工程力學(xué)研究所在唐山余震區(qū)建成的我國首個三維場地影響觀測臺陣。該臺陣建成時有四個觀測點，分別布設(shè)在基巖地表、土層地表、地下17m（1號測井）和地下32m（2號測井）處，目的在于獲取中、強地震記錄，研究局部場地條件對地震動的影響（謝禮立等，1999）。2001年為了使臺陣更為完整，中國地震局工程力學(xué)研究所對該臺陣進行了擴建和改造，在地下47m處布設(shè)了新鉆井（3號測井），在地面和地下47m處基巖上布設(shè)了兩個測點，同時對測井進行了土層剪切波速測量，并對土樣進行了動力特性實驗（周雍年等，2005；齊文浩等，2005）。

為了研究局部場地條件對地震動的影響，收集到了響堂井下臺陣1994年12月29日—1999 年12月31日44次地震共390條強震動記錄，本文采用響堂2號測井的土層剖面作為計算剖面（謝禮立等，1999），以實際記錄到的井下32m處（2號測井）的強震動記錄作為地震動輸入，采用一維土層剪切動力反應(yīng)分析的等效線性化方法程序進行計算，為了對比分析，本文采用基于廖振鵬開發(fā)的應(yīng)用程序LSSRLI-1的升級版ESE軟件和SHAKE91的升級版EERA2000軟件進行土層反應(yīng)分析計算。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號測井的結(jié)果近似取值（齊文浩等，2005），計算得出地表峰值加速度和加速度反應(yīng)譜，并把這些計算結(jié)果與同次地震相應(yīng)的地面強震動記錄相比較，用強震動記錄檢驗一維土層地震反應(yīng)分析程序。

本文采用的3次強震動記錄分別為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），詳細情況見表1，對應(yīng)每1次地震都有井下32m處和地表處的強震動記錄。輸入地震動、地表記錄及程序計算所得加速度的峰值加速度如表2所示。從表2可以看出，無論是ESE軟件還是EERA2000軟件，計算得到的峰值加速度與地表土層實際記錄峰值加速度值均有較大差異，計算值均較實際記錄值小。土層地震反應(yīng)分析程序計算所得的反應(yīng)譜與地表強震動記錄反應(yīng)譜的比較如圖2至圖4所示?？傮w上2個程序的計算結(jié)果與強震動記錄走向一致，只是在高頻部分，ESE軟件與EERA2000軟件計算得到的反應(yīng)譜值較實際記錄地表加速度所得的反應(yīng)譜值?。欢陂L周期部分，程序計算得的反應(yīng)譜均較實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軟件計算的結(jié)果，EERA2000軟件計算得到的峰值加速度要大一點，反應(yīng)譜寬度要窄一些，與實際強震動記錄更接近。

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

表1　強震動記錄一覽表Table 1　List of the Storng motion records

表2　輸入地震動（基巖記錄）、地表記錄及程序計算所得峰值加速度（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地震強震動記錄與程序計算反應(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地震強震動記錄與程序計算反應(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地震強震動記錄與程序計算反應(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)強震動觀測應(yīng)用的兩個實例。提出了建筑結(jié)構(gòu)時程分析選用實際強震動記錄的原則和方法，整理分析了唐山地區(qū)3.3級以上地震48個、172組強震動記錄，通過對強震動記錄的分析處理，計算了其加速度及加速度反應(yīng)譜，確定了陡河?xùn)|ML5.9地震強震動記錄作為唐山地區(qū)工程場地進行多遇地震時程分析，即彈性時程分析的地震動輸入。

以唐山響堂臺陣2號測井（地下32m）的強震動作為輸入，通過2號測井的土層剖面，利用2個一維土層地震反應(yīng)分析程序，計算得到地表的峰值加速度和加速度反應(yīng)譜，并把這些計算結(jié)果與同次地震相應(yīng)的地面強震動記錄進行了對比。峰值加速度的對比發(fā)現(xiàn)，ESE軟件與EERA2000軟件計算得到的峰值加速度與地表土層實際記錄峰值加速度值有較大差異，計算值均較實際記錄值小。反應(yīng)譜的對比發(fā)現(xiàn)，在高頻部分，ESE軟件與EERA2000軟件計算得到的反應(yīng)譜值較實際記錄地表加速度所得的反應(yīng)譜值小，而在長周期部分，程序計算得的反應(yīng)譜均較實際記錄地表加速度所得到的反應(yīng)譜寬。比較兩個一維土層地震反應(yīng)分析軟件計算的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)EERA2000軟件計算得到的峰值加速度要大一點，反應(yīng)譜寬度要窄一些，與實際強震動記錄更接近，但是在目前的計算水平下，考慮到兩個程序計算結(jié)果差異不大，都可滿足工程上的計算需要。

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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劃重點課題（DZ20140711036）和國家自然科學(xué)基金（41274113）資助

2015-05-06

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