王 康

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215009)

0 前 言

大量震害資料也證實了土壤層對地震波的傳播有放大效應(yīng)[1]，相同的地震在不同的場地條件下輸入會產(chǎn)生的地震動反應(yīng)也會不同，這是因為不同的場地土介質(zhì)對地震波的放大效應(yīng)不同?，F(xiàn)有理論成果基于峰值加速度PGA和有效峰值加速度EPA的場地放大系數(shù)研究成果較多，但實際應(yīng)用中沒有統(tǒng)一的標準而使研究失去了意義，本文基于兩種標準采用反演基巖的方法對場地放大系數(shù)進行比較研究。

1 地震動記錄來源和數(shù)據(jù)整理

1.1 數(shù)據(jù)來源

很多地震研究的數(shù)據(jù)來源于日本強震觀測臺網(wǎng)KiK-net(https://www.kyoshin.bosai.go.jp)，KiK-net數(shù)據(jù)庫臺陣在全日本分布了700多個觀測站點，大約每20 km就1個臺站，每個臺站都在地表和孔底位置配備了加速度傳感器，能記錄三分量的加速度時程(南北，東西，上下)，同時還提供了各土層部分參數(shù)，這為研究土層對地震波的放大效應(yīng)提供極大的方便。

本文從KiK-net強震觀測臺網(wǎng)中選取62個臺站和對應(yīng)記錄的212條地表地震動記錄為研究對象。為避免地震動其他不確定參數(shù)的影響，所選地震記錄均符合淺源(震源深度不大于50 km)、強震(地表的加速度峰值不小于0.018 g且震級不小于5級)、近場(震中距不大于100 km)三項要求。

1.2 地震動數(shù)據(jù)分組

依據(jù)我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]中埋深和等效剪切波波速兩項條件將選取的62個臺站進行場地分類，分為7個Ⅰ類場地、46個Ⅱ類場地和9個Ⅲ類場地。參照《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[3]中的地震動峰值加速度分區(qū)的劃分標準對212條記錄的地表峰值加速度的數(shù)值進行分組，最終分布具體情況見表2。

表1 地震記錄數(shù)據(jù)分布表

2 土層參數(shù)的確定和場地模型建立

根據(jù)我國抗震規(guī)范，選取剪切波速大于500 m/s的土層作為輸入界面,定義剪切波速大于500 m/s的土層為基巖層。

由于KiK-net提供的數(shù)據(jù)資料并不包含土體的容重、動剪切量比和阻尼比的相關(guān)信息。土的剪切模量和阻尼比是研究土層反應(yīng)中重要的兩個參數(shù)，本文采用李曉飛處理土的非線性的辦法，依據(jù)常規(guī)土類動剪切模量比和阻尼比隨剪應(yīng)變變化非線性關(guān)系[4]，為了方便計算僅采用其均值非線性條件作為土動參數(shù)的計算依據(jù)。將KiK-net臺站剖面土參數(shù)中所涉及的土類根據(jù)特性、剪切波速vs等歸集分類為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土五大類。

KiK-net也沒有給出相關(guān)種類的土的容重，本文采用Garnder等[5]總結(jié)出的P波波速vp與土體容重ρ的相關(guān)性公式容易得到各層土的容重：

ρ=0.31·vp0.25

(1)

式中，容重單位為g/cm3，P波波速單位為m/s。

3 反演露頭基巖輸入

露頭基巖的反演采用一維等效線性波動法，一維等效線性化波動法是目前應(yīng)用較為廣泛便捷且相對合理的，也是《工程場地地震安全性評價》(GB 17741—2005)中推薦的方法，具體的反演方法參見文獻[6]。

基于收集的212個地表強震記錄和對應(yīng)的一維土層模型、參數(shù)，以一維等效線性化地震反應(yīng)分析方法，使用SHAKE91軟件進行反演計算，可得到露頭基巖加速度。

4 分析方法和結(jié)果統(tǒng)計

4.1 以峰值加速度PGA為標準

采用地表地震動記錄與附近露頭基巖的強震記錄最為合理，因為露頭基巖的地震動響應(yīng)不受任何土層反射波的影響，實際中露頭基巖強震記錄獲取并不容易，本文則是利用SHAKE91軟件反演得到露頭基巖地震動加速度，定義PGA場地放大系數(shù)FPGA：

(2)

利用式(2)，依據(jù)212個地表強震記錄的峰值加速度和反演露頭基巖的峰值加速度得到PGA場地放大系數(shù)FPGA，并對各類場地不同加速度強度分檔的結(jié)果進行算術(shù)平均，得到統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 分組各區(qū)間PGA場地放大系數(shù)

4.2 以有效峰值加速度EPA為標準

由于少數(shù)髙頻脈沖的峰值會使地震動加速度時程變高，而對長周期結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響較小，有效峰值加速度EPA的概念的提出很有必要。本文采用美國ATC3.06(1978)對EPA的定義：以5%阻尼比的單自由度體系，在周期范圍0.1～0.5 s的譜加速度反應(yīng)的平均值除以2.5。而定義EPA場地放大系數(shù)FEPA公式為：

(3)

利用式(3)，依據(jù)地表峰值加速度和反演露頭基巖的峰值加速度計算得到EPA場地放大系數(shù)FEPA，并對各類場地不同加速度強度分檔的結(jié)果進行算術(shù)平均，得到統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 分組各區(qū)間EPA場地放大系數(shù)

4.3 兩種表中的結(jié)果對比

將各類場地的PGA場地放大系數(shù)FPGA與EPA場地放大系數(shù)FEPA結(jié)果進行比較，如圖1所示。

圖1 各場地EPA放大倍數(shù)和PGA放大系數(shù)比較

對比結(jié)果：Ⅰ類場地的PGA放大系數(shù)在7個加速度強度分檔均大于EPA放大系數(shù)；Ⅱ類場地的PGA放大系數(shù)在除0.1 g加速度強度分檔外均大于EPA放大系數(shù)；Ⅲ類場地的PGA放大系數(shù)僅在0.1 g和0.40 g兩個加速度強度分檔大于EPA放大系數(shù)。

5 分析與結(jié)論

本文從KiK-net強震臺陣網(wǎng)中選取了7個Ⅰ類場地、46個Ⅱ類場地和9個Ⅲ類場地，利用其所記錄的212條地震記錄，依據(jù)地震動峰值加速度分區(qū)標準和場地分類方法分為21組?；诘乇淼牡卣饎蛹铀俣扔涗洠囱莸玫铰额^基巖加速度，進而分別計算了各組的PGA場地放大系數(shù)和EPA場地放大系數(shù)。結(jié)果表明。

1)統(tǒng)計的212個模型對應(yīng)的PGA場地放大系數(shù)和EPA場地大系數(shù)均有或大或小的差異。但總的來說，Ⅱ類場地的放大系數(shù)最大，其次是Ⅲ類，Ⅰ類場地最小。

2)不同場地類別的PGA和EPA放大系數(shù)比較結(jié)果總的趨勢是：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地的PGA放大系數(shù)大于EPA放大系數(shù)的程度依次降低，Ⅰ、Ⅱ場地的PGA放大系數(shù)總體大于EPA放大系數(shù)，Ⅲ類場的EPA放大系數(shù)總體大于PGA放大系數(shù)。

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