季 靜,梁曉敏, 付 豪, 韓小雷

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

0 引言

新疆是我國(guó)多震省區(qū)之一,自1996年以來(lái),喀什—阿圖什等地連續(xù)發(fā)生10余次6級(jí)以上地震,引起國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家的關(guān)注。新疆屬中國(guó)邊遠(yuǎn)貧困地區(qū),城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)情況較差,每次震級(jí)較高的地震均導(dǎo)致房屋、構(gòu)筑物等基礎(chǔ)設(shè)施損壞,造成一定的人員傷亡和較大經(jīng)濟(jì)損失[1-4]。

2020年1月19日,新疆喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生6.4級(jí)的地震,震中位于39.83°N,77.21°E,震源深度16 km。震中距伽師縣56 km、距阿圖什市90 km、距克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?0 km。此次地震造成1人死亡、2人受傷及15.26億元經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。2020年2月21日,該地區(qū)再次發(fā)生MS5.1地震,震中位于39.87°N,77.47°E,震源深度10 km。雖然并未造成人員傷亡,但仍然造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。MS6.4和MS5.1兩次地震發(fā)生時(shí)間相近,震中距相隔僅23 km,距喀什市區(qū)約100 km?？κ驳貐^(qū)土質(zhì)以黏土、粉土、粉砂、礫砂為主,地層結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,變化不大,屬于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地土[7-8]。因此,對(duì)此地震動(dòng)記錄進(jìn)行研究分析,可以為新疆喀什地區(qū)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 喀什原場(chǎng)地地震動(dòng)的收集

本次地震動(dòng)均從新疆強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)收集,從43個(gè)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站獲取MS6.4地震,其中21個(gè)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站獲取MS5.1地震,觀測(cè)臺(tái)站分布如圖1所示。

圖1 觀測(cè)臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution map of observation stations

43個(gè)臺(tái)站與地震中心的距離在13.7～491.7 km,其中21個(gè)臺(tái)站的震中距在100 km以?xún)?nèi),其余大部分臺(tái)站在100～200 km,僅有一個(gè)臺(tái)站的震中距接近500 km。兩次地震動(dòng)加速度記錄分別列于表1、表2。

表1 MS6.4臺(tái)站信息及地震峰值加速度Table 1 Information of MS6.4 stations and peak acceleration of earthquakes

表2 MS5.1臺(tái)站信息及地震峰值加速度Table 2 Information of MS5.1 stations and peak acceleration of earthquakes

本研究?jī)H考慮水平地震作用,共獲得地震波128條,其中MS6.4地震波86條(A1-EW～A43-EW、A1-NS～ A43-NS),MS5.1地震波42條(B1-EW～ B21-EW、B1-NS～B21-NS),A1-EW、A1-NS分別代表某臺(tái)站測(cè)得的東西向和南北向地震波,A1～A43按照震中距大小進(jìn)行排序。并對(duì)上述128條地震動(dòng)的峰值加速度按式(1)統(tǒng)一調(diào)幅到1.0g,以此來(lái)研究地震波特性。

(1)

2 地震波反應(yīng)譜

2.1 兩次不同震級(jí)地震反應(yīng)譜對(duì)比

地震波反應(yīng)譜是在給定的地震加速度作用時(shí)間內(nèi),單自由度彈性體系的最大位移反應(yīng)、速度反應(yīng)和加速度反應(yīng)隨體系自振周期變化的曲線。單自由度體系在地震作用下最大絕對(duì)加速度反應(yīng)Sa為:

(2)

在給定的地震波作用下,最大加速度反應(yīng)量與自振周期T的關(guān)系即為加速度反應(yīng)譜,對(duì)各地震波反應(yīng)譜進(jìn)行算術(shù)平均得到相應(yīng)的平均譜。MS6.4與MS5.1兩次地震的各個(gè)地震波加速度反應(yīng)譜及其平均譜如圖2所示,阻尼比取5%。其中,黑色粗線代表平均譜曲線,其余顏色細(xì)線代表每條地震波反應(yīng)譜曲線?？梢?jiàn),不同測(cè)點(diǎn)的地震波反應(yīng)譜曲線有較大差別。

圖2 兩次地震的地震波反應(yīng)譜Fig.2 Seismic response spectrum of two earthquakes

同一震級(jí)下震中距小于100 km和大于100 km地震波的反應(yīng)譜對(duì)比如圖3所示,同一次地震隨著監(jiān)測(cè)臺(tái)站與震中距離的不同,地震波反應(yīng)譜顯示出不同的特性。無(wú)論對(duì)于MS6.4還是MS5.1地震,在0～0.6 s和3～10 s周期段,震中距小于100 km、大于100 km地震波反應(yīng)譜與平均譜相差很小;在0.6～3 s周期段,震中距小于100 km的地震波反應(yīng)譜偏大,震中距大于100 km的地震波反應(yīng)譜衰減速度快。

圖3 同一震級(jí)下震中距小于100 km和大于100 km地震波反應(yīng)譜對(duì)比Fig.3 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and more than 100 km under the same magnitude

不同震級(jí)下震中距小于100 km和大于100 km地震波的反應(yīng)譜對(duì)比如圖4所示,震中距相同時(shí),震級(jí)越大地震波反應(yīng)譜越大,在短周期段內(nèi)MS5.1比MS6.4地震波反應(yīng)譜衰減快。

圖4 不同震級(jí)下震中距小于100 km和大于100 km地震波反應(yīng)譜對(duì)比Fig.4 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and more than 100 km under different magnitudes

不同震級(jí)下地震波反應(yīng)譜對(duì)比如圖5所示,MS6.4和MS5.1地震的反應(yīng)譜峰值周期均在0.3 s以?xún)?nèi),卓越平臺(tái)窄,MS5.1比MS6.4地震波反應(yīng)譜小,MS5.1比MS6.4地震波反應(yīng)譜衰減速度快。從形狀看,兩次地震的平均反應(yīng)譜曲線相近。

圖5 不同震級(jí)下地震波反應(yīng)譜對(duì)比Fig.5 Comparison between seismic response spectra under different magnitudes

2.2 與規(guī)范反應(yīng)譜對(duì)比

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》,(下文均簡(jiǎn)稱(chēng)《抗規(guī)》)[9]按照?qǐng)龅赝练诸?lèi)、地震分組等,給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加速度譜,廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)程(DBJ/T 15-151—2019)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《性能規(guī)程》)[10]根據(jù)近5萬(wàn)條世界各國(guó)強(qiáng)震記錄統(tǒng)計(jì)分析,提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加速度譜。新疆喀什地區(qū)的設(shè)防烈度為8.5度,場(chǎng)地土類(lèi)型為Ⅱ類(lèi),在此基礎(chǔ)上,《抗規(guī)》和《性能規(guī)程》中水平地震影響系數(shù)最大值均為0.24,特征周期在不同地震分組下的取值如表3所列。其中,近震(震中距<100 km),中震(100 km<震中距<1 000 km),遠(yuǎn)震(震中距>1 000 km)分別相當(dāng)于設(shè)計(jì)分組的第一、二、三組[11-12]。

表3 特征周期值(單位:s)Table 3 Characteristic period value (Unit: s)

震中距小于100 km的地震波反應(yīng)譜與第一地震分組下的規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)比如圖6所示。在0～0.5 s周期段,《抗規(guī)》《性能規(guī)程》設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與當(dāng)?shù)匦∮?00 km地震波的平均反應(yīng)譜很接近;在0.5～2 s周期段,當(dāng)?shù)仄骄磻?yīng)譜比兩個(gè)規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜都要大,且《抗規(guī)》設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與當(dāng)?shù)仄骄磻?yīng)譜更為接近;大于2 s周期段,《性能規(guī)程》設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與當(dāng)?shù)仄骄磻?yīng)譜較為接近,而《抗規(guī)》設(shè)計(jì)反應(yīng)譜誤差較大。

圖6 震中距<100 km的地震波反應(yīng)譜與第一 地震分組下規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)比Fig.6 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and the design response spectra of codes in accordance with the first earthquake grouping

震中距大于100 km的地震波反應(yīng)譜與第二地震分組下的規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)比如圖7所示。在0～0.5 s周期段,《抗規(guī)》《性能規(guī)程》設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與當(dāng)?shù)氐卣鸩ǖ钠骄磻?yīng)譜很接近;周期大于0.5 s時(shí),兩個(gè)規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相比當(dāng)?shù)仄骄磻?yīng)譜而言都偏大,隨著周期增大《性能規(guī)程》設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與當(dāng)?shù)仄骄磻?yīng)譜更為接近。

圖7 震中距>100 km的地震波反應(yīng)譜與第二地震分組下規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)比Fig.7 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance more than 100 km and the design response spectra of codes in accordance with the second earthquake grouping

可見(jiàn),根據(jù)新疆喀什地區(qū)強(qiáng)震下記錄的128條地震動(dòng)分析統(tǒng)計(jì)得到的反應(yīng)譜,與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范根據(jù)世界各國(guó)強(qiáng)震記錄得到的反應(yīng)譜相比,在大量普通建筑結(jié)構(gòu)基本周期0.5～2 s范圍內(nèi),相差很大,故建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)采用當(dāng)?shù)赜涗浀降膹?qiáng)震記錄為依據(jù)。

3 同一臺(tái)站不同地震波頻譜分析

地震動(dòng)主要特性可以通過(guò)三個(gè)基本要素來(lái)描述,即地震動(dòng)幅值、頻譜和持時(shí),我國(guó)規(guī)范要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析時(shí),將選取的地震波加速度時(shí)程最大值調(diào)幅到規(guī)范規(guī)定的各設(shè)防烈度所對(duì)應(yīng)的取值。因此在設(shè)防烈度確定之后,各條地震波的PGA峰值是相同的,此時(shí)頻譜特性的不同和持時(shí)的長(zhǎng)短是導(dǎo)致各條地震波作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)差別的最主要原因[13]。

反應(yīng)譜是地震動(dòng)頻譜特性最常見(jiàn)的表達(dá)形式,是工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),可以分為加速度反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜及位移反應(yīng)譜。由表1、2可知,有21個(gè)臺(tái)站同時(shí)記錄到MS6.4和MS5.1地震動(dòng),共獲得84條地震波。計(jì)算出各地震波的加速度譜、速度譜及位移譜,大部分的地震波都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。限于篇幅,此處僅給出MS6.4和MS5.1地震東西向、南北向的加速度譜、速度譜及位移譜平均值,如圖8～10所示。

圖8 加速度平均譜Fig.8 Average acceleration spectrum

圖9 速度平均譜Fig.9 Average velocity spectrum

圖10 位移平均譜Fig.10 Average displacement spectrum

可知,MS6.4地震波的加速度譜、速度譜和位移譜譜值均比MS5.1大,即在地震動(dòng)加速度時(shí)程最大值相同的情況下,震級(jí)越大反應(yīng)譜值越大,結(jié)構(gòu)響應(yīng)也將越大。因此,對(duì)于地震烈度高、地震發(fā)生頻繁等危險(xiǎn)性很高的地區(qū)或者特別重要的建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí),盡量選用原始震級(jí)較大的地震動(dòng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算。

4 結(jié)論

通過(guò)新疆喀什地區(qū)強(qiáng)震記錄的研究分析,得到以下結(jié)論:

(1) 震級(jí)相同時(shí),震中距越小加速度反應(yīng)譜越大,且加速度反應(yīng)譜衰減速度越慢;震中距相同時(shí),震級(jí)越大加速度反應(yīng)譜越大,且加速度反應(yīng)譜衰減速度越慢。

(2) 震級(jí)越大加速度譜值、速度譜值、位移譜值越大。

(3)MS6.4、MS5.1地震波加速度反應(yīng)譜及其平均值曲線相近,與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范加速度反應(yīng)譜相比差別很大,建議采用建筑當(dāng)?shù)赜涗浀膹?qiáng)震地震波統(tǒng)計(jì)的反應(yīng)譜作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)依據(jù)。

致謝：特別感謝中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所為本研究提供了地震動(dòng)記錄。