張狀狀,甘彬宏

(1. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州 542899)

地震反應(yīng)分析是巖土地震工程研究的重要內(nèi)容，是地震小區(qū)劃的核心技術(shù)之一，可為工程抗震設(shè)計提供地震動參數(shù)[1]。土層地震反應(yīng)分析方法經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、由粗略到精細(xì)的發(fā)展過程。最先出現(xiàn)的是一維地震動模型，隨后發(fā)展出二維、三維的地震動模型。但在工程上，一維土層地震反應(yīng)分析方法依然是最簡單、應(yīng)用最廣泛的計算方法，主要包括頻域等效線性化和時域非線性分析兩大算法[2]。

新型等效線性化方法(SOILQUAKE)，由中國地震局工程力學(xué)研究所袁曉銘團(tuán)隊研發(fā)[3]，雖然仍采用了等效線性化方法模擬土體的非線性特性，但其提出了新的剪應(yīng)變求解技術(shù)，即采用直接頻率的方法計算動剪切模量阻尼比。例如，在濮陽市黃河公路大橋的Ⅲ類場地抗震設(shè)計中，應(yīng)用SOILQUAKE程序，成功解決了SHAKE2000計算的加速度反應(yīng)譜出現(xiàn)的“矮粗胖”問題[4]。時域非線性分析方法(NERA)是一種時域非線性地震反應(yīng)分析程序的典型代表，由南哥倫比亞大學(xué)開發(fā)而成，利用Fortran90與Excel編制。該程序以Iwan-Mroz模型為基礎(chǔ)，用一系列具有不同剪切剛度和抗滑阻力的彈塑性元件模擬土體的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

由于軟土場地具有含水量高、孔隙比大、抗剪強度低等特性，軟土覆蓋地區(qū)的工程建設(shè)和抗震設(shè)防存在潛在危險。尤其在強震作用下，軟土?xí)a(chǎn)生大應(yīng)變從而導(dǎo)致非線性，加劇震害，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，分析一維土層地震反應(yīng)分析方法在軟土場地的可靠性和適應(yīng)性顯得尤為重要。為分析NERA和SOILQUAKE 2種地震動計算方法在軟土場地的適應(yīng)性，本文采用日本地球科學(xué)與防災(zāi)研究成立的強震動觀測網(wǎng)(K-NET)公布的數(shù)據(jù)，對這2種典型的一維地震反應(yīng)分析方法進(jìn)行了比較研究。

1 土層參數(shù)

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)將Ⅲ、Ⅳ類場地定義為軟土場地。目前，日本強震觀測網(wǎng)公布的臺站共698個，其中軟土場地臺站共24個。

日本強震觀測網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)中包括了土體的剪切波速、土層厚度和剖面土類等信息，但沒有提供計算需要的土體密度和非線性參數(shù)。根據(jù)其對剖面土層的描述，不同深度、不同土類的土體非線性參數(shù)采用袁曉銘給出的推薦值[3]，土體密度采用Gardner等[5]給出的土體密度和土體剪切波速之間的統(tǒng)計關(guān)系進(jìn)行計算。

本文選取參加計算的臺站共10個，場地基本信息見表1。

表1 場地基本信息

2 強震記錄

日本強震觀測網(wǎng)的每個臺站設(shè)有2個地震儀，分別埋置于井上、井下，每個地震儀可以記錄UD，WE和NS方向的加速度時程。本文采用井下水平向的任一方向強震記錄作為輸入加速度時程，將各程序的計算結(jié)果與對應(yīng)的井上強震記錄比較。為滿足七度以上的強震動要求，選擇10個臺站中地表峰值加速度(PGA)在0.09 g以上的強震記錄共28條，其中，Ⅶ類場地強震記錄有16個，Ⅷ類場地強震記錄有8個，Ⅳ類場地強震記錄有3個，Ⅹ類場地強震記錄有1個。選取的軟土場地地表PGA分布情況見表2。

表2 選取的軟土場地地表PGA分布情況

3 結(jié)果與討論

3.1 地表峰值加速度的對比

2種程序在軟土場地上計算的地表峰值加速度與實測值的比較如圖1所示。其橫坐標(biāo)為實測地表峰值加速度，縱坐標(biāo)為程序計算的地表峰值加速度，斜率代表峰值加速度與實測地表峰值加速度相等的情況，計算點位于直線以上說明計算的PGA比實測PGA大，計算點在直線以下則說明比實測PGA小。由圖1可知，NERA計算的PGA總體上處于偏小的態(tài)勢，尤其在高烈度(Ⅷ度及以上)地震時表現(xiàn)更加明顯。SOILQUAKE計算PGA較均勻地分布在直線兩側(cè)，且隨著地震動強度增加呈線性增長，更接近實測結(jié)果。

NERA，SOILQUAKE和實測地表峰值加速度的表現(xiàn)如圖2所示。其橫坐標(biāo)表示井下加速度峰值，縱坐標(biāo)表示地表加速度峰值。由圖2可以看出，無論是程序計算的地表峰值加速度，還是實測的地表峰值加速度，都有隨井下峰值加速度增加而不斷增長的趨勢。為了體現(xiàn)這種趨勢，對圖2中散點進(jìn)行線性回歸。考慮到場地放大系數(shù)的定義，用擬合的直線斜率表示平均意義上的放大系數(shù)，以反應(yīng)強震作用下軟土場地的放大效應(yīng)。實測地表峰值加速度的平均放大系數(shù)為3.8，NERA計算的平均放大系數(shù)趨近于2.5，遠(yuǎn)小于實測結(jié)果，偏差達(dá)到34%。需要指出的是：在28次工況計算中，NERA程序出現(xiàn)4次計算的放大系數(shù)小于1，即無法反應(yīng)軟土場地放大效應(yīng)的不合理現(xiàn)象。SOILQUAKE計算的地表峰值加速度平均放大系數(shù)為4.3，略高于實測結(jié)果，偏差為13%。場地放大效應(yīng)方面，SOILQUAKE計算結(jié)果偏差更小。

(a) NERA計算 (b) SOILQUAKE計算

(a) 實測結(jié)果 (b) NERA計算 (c) SOILQUAKE計算

3.2 地表加速度反應(yīng)譜的對比

以臺站TCGH16 和AOMH13 2種典型的Ⅲ、Ⅳ類場地土層剖面為例，對2種程序計算的地表加速度反應(yīng)譜進(jìn)行分析比較。臺站TCGH16和AOMH13的土層剖面參數(shù)分別見表3和表4。

表3 TCGH16臺站土層剖面參數(shù)

表4 AOMH13臺站土層剖面參數(shù)

Ⅲ類場地上2種程序計算的地表加速度反應(yīng)譜與實測結(jié)果的對比如圖3所示。由圖3可知，在中強地震動(七度，地表PGA為0.09～0.18 g)作用下，2種程序計算的地表峰值加速度和實測值相差不大，反應(yīng)譜也較為吻合。在高強地震動(八度及以上,地表PGA大于0.18 g)作用下，實測地表PGA為1.197 g，SOILQUAKE計算的PGA為1.07 g，小于實測值，偏差為10%，反應(yīng)譜略低于實測結(jié)果；NERA計算的PGA為0.491 g，遠(yuǎn)小于實測PGA。

(a) TCGH16(七度) (b) TCGH16(十度)

Ⅳ類場地上2種程序計算的地表加速度反應(yīng)譜與實測結(jié)果的對比如圖4所示。由圖4可知，在中強地震動作用下，實測地表PGA為0.1 g，SOILQUAKE計算的PGA為0.07 g，NERA計算的PGA為0.053 g。在PGA表現(xiàn)上，SOILQUAKE計算PGA更接近實測值；在反應(yīng)譜方面，SOILQUAKE更接近實測曲線，NERA在中高頻部分小于實測，在低頻部分吻合較好。在高強地震動作用下，實測地表PGA為0.198 g，井下峰值加速度為0.043 g。SOILQUAKE計算的PGA為0.17 g，在PGA和反應(yīng)譜表現(xiàn)上都與實際較吻合；NERA計算地表PGA為0.038 g，遠(yuǎn)小于實測地表PGA甚至不大于實測井下峰值加速度的情況，未能體現(xiàn)出軟土場地應(yīng)有的放大效應(yīng)。

(a) AOMH13(七度) (b) AOMH13(八度)

4 結(jié)論

等效線性化分析方法作為一種過渡性地震反應(yīng)分析方法，出現(xiàn)較早，在眾多學(xué)者的不斷改進(jìn)下，目前來看依然是較可靠的一維土層地震反應(yīng)分析方法。通過與實測記錄的比較研究，其應(yīng)用于軟土場地的計算結(jié)果也是可靠的。從PGA的表現(xiàn)上看，SOILQUAKE的計算結(jié)果更接近實測值，且結(jié)果更加穩(wěn)定；NERA的計算結(jié)果與實測值偏差較大，尤其在軟土場地強地震動作用下，會出現(xiàn)計算值偏小甚至不能反應(yīng)軟土場地放大效應(yīng)的情況。在反應(yīng)譜方面，SOILQUAKE計算結(jié)果和實測反應(yīng)譜吻合較好；NERA在中高頻部分低于實測反應(yīng)譜，尤其在高強地震動(八度及以上)作用下表現(xiàn)更加明顯。