余 松 吳建超 胡 慶 楊 鋼

1 中國(guó)地震局地震研究所,武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071

2 武漢地震工程研究院有限公司,武漢市洪山側(cè)路40號(hào), 430071

基于50 a超越概率水平10%(475 a一遇)的地震動(dòng)峰值加速度和加速度反應(yīng)譜特征周期,《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖:GB 18306-2015》給出全國(guó)國(guó)土面積上的地震動(dòng)參數(shù)分區(qū)結(jié)果,供一般新建、擴(kuò)建和改建建設(shè)工程的抗震設(shè)防取值[1]。然而,不同行業(yè)在不同設(shè)計(jì)階段會(huì)使用不同概率水平的地震動(dòng)峰值加速度[2-4]。為滿足各抗震設(shè)計(jì)需求,對(duì)不同超越概率水平的地震動(dòng)峰值加速度進(jìn)行合理取值,成為工程抗震設(shè)計(jì)中非常重要和實(shí)際的問(wèn)題。許多學(xué)者通過(guò)對(duì)不同超越概率水平的地震動(dòng)參數(shù)關(guān)系進(jìn)行研究,取得了相應(yīng)成果[5-12],但這些研究多集中于我國(guó)西部及西北部高烈度區(qū),未見(jiàn)有學(xué)者對(duì)低烈度區(qū)不同超越概率水平下的地震動(dòng)峰值加速度比例關(guān)系進(jìn)行研究。

湖北地處我國(guó)中部,是重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地和綜合交通通信樞紐,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綜合水平在中部地區(qū)居領(lǐng)先地位,對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著不可替代的重要作用,其中90%省域的地震基本設(shè)防烈度為0.05g區(qū)(Ⅵ度區(qū))。本文以第一次全國(guó)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查工作成果為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)分析湖北省域不同超越概率水平下地震動(dòng)峰值加速度比值,通過(guò)對(duì)比《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50011-2010》和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中的取值,指出湖北省域高烈度區(qū)多遇地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果偏小的問(wèn)題,并初步分析可能的原因及解決方法,以期為研究低烈度區(qū)地震動(dòng)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和思路。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算方法

1.1 潛在震源區(qū)劃分

本文采用《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中提出的Ⅲ級(jí)潛在震源區(qū)劃分技術(shù)方案,即底層為地震帶、中間層為地震構(gòu)造區(qū)、上層為潛在震源區(qū)[13]。依據(jù)該方案,湖北省域主要涉及長(zhǎng)江中游地震帶、華北平原地震帶、郯廬地震帶和長(zhǎng)江下游-南黃海地震帶,在此基礎(chǔ)上劃分了32個(gè)潛在震源區(qū),其中5.5級(jí)潛在震源區(qū)5個(gè),6.0級(jí)潛在震源區(qū)21個(gè),6.5級(jí)潛在震源區(qū)4個(gè),7.0級(jí)潛在震源區(qū)2個(gè)(圖1)。潛在震源區(qū)活動(dòng)性參數(shù)以第5代區(qū)劃圖潛源參數(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合湖北省域最新地震活動(dòng)性及地震構(gòu)造認(rèn)識(shí),增加部分潛在震源區(qū),并對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖1 湖北省域地震帶和潛在震源區(qū)劃分Fig.1 Division of seismic zone and potential source area in Hubei province

1.2 地震活動(dòng)性參數(shù)

地震活動(dòng)性參數(shù)的研究主要分為地震帶地震活動(dòng)性參數(shù)和潛在震源區(qū)地震活動(dòng)性參數(shù),其中地震帶地震活動(dòng)性參數(shù)主要包括地震帶的震級(jí)上限、震級(jí)下限、地震活動(dòng)的指數(shù)分布系數(shù)b值及年平均發(fā)生率v4值,潛在震源區(qū)地震活動(dòng)性參數(shù)主要包括震級(jí)上限、空間分布函數(shù)及地震破裂方向概率分布函數(shù)。地震活動(dòng)性參數(shù)直接采用《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,表1為湖北省域地震帶的地震活動(dòng)性參數(shù)。

表1 湖北省域地震帶的地震活動(dòng)性參數(shù)

1.3 地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程

本文采用《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中適用于中強(qiáng)地震區(qū)和東部強(qiáng)震區(qū)的地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程[14]。該方程是采用中線映射原則轉(zhuǎn)換方法,將美國(guó)西部作為參考區(qū),利用新近資料補(bǔ)充重新回歸得到的我國(guó)分區(qū)地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程,以新回歸的美國(guó)西部基巖場(chǎng)地自由地表水平向地震動(dòng)參數(shù)及加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系作為地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程,得到適合我國(guó)的分區(qū)地震動(dòng)參數(shù)、加速度反應(yīng)譜預(yù)測(cè)方程式。具體形式為:

lgY=A+BM+Clg(R+DeEM)

(1)

式中,Y為地震動(dòng)峰值加速度,M為面波震級(jí),R為震中距,A、B、C、D、E為回歸系數(shù)。各分區(qū)峰值加速度衰減關(guān)系回歸系數(shù)取值如表2所示。

表2 分區(qū)峰值加速度衰減關(guān)系回歸系數(shù)

該地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程作為中國(guó)地震局的最新研究成果,使用美國(guó)NGA數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)震資料,采用能較好反映地震動(dòng)飽和特性的分段線性地震動(dòng)衰減模型,利用使結(jié)果更加穩(wěn)定的分步回歸方法,在地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程分區(qū)時(shí)考慮地震活動(dòng)性特征[15-16]。方程的適用范圍為:M=4.5～8.0(中強(qiáng)地震區(qū)M=4.5～7.0),R=0～200 km。

1.4 計(jì)算方法

根據(jù)確定的地震帶、潛在震源區(qū)劃分﹑地震活動(dòng)性參數(shù)和地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程,對(duì)湖北省域按照30 s間隔選取計(jì)算控制點(diǎn),共得到253 771個(gè)控制點(diǎn),采用概率性地震危險(xiǎn)性分析方法和自編MATLAB程序,分別對(duì)各控制點(diǎn)50 a超越概率63%、10%和2%的基巖峰值加速度進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 基巖的地震動(dòng)峰值加速度比例關(guān)系

將50 a超越概率63%、10%、2%的基巖峰值加速度分別記為R63、R10和R2,表3(單位cm/s2)為湖北省域不同超越概率水平下的基巖峰值加速度數(shù)值范圍。由表可知,R63值為7.4～28.3 cm/s2,R10值為24.2～135.3 cm/s2,R2值為45.8～302.2 cm/s2,說(shuō)明湖北省域不同地區(qū)不同超越概率的基巖地震動(dòng)峰值加速度差異較大。

表3 湖北省基巖峰值加速度值

表4為湖北省域50 a超越概率63%、2%的基巖峰值加速度分別與10%的基巖峰值加速度的比值分布,可見(jiàn)R63/R10、R2/R10的均值分別為0.31、1.86,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.038、0.139。

表4 湖北省不同超越概率水平下基巖峰值加速度比例分布

圖2為R63/R10、R2/R10在不同比值分區(qū)中的比值分布,可以看出,R63/R10主要分布在0.27～0.35,占比74.0%;R2/R10主要分布在1.70～2.00,占比86.4%。

圖2 不同超越概率水平下基巖峰值加速度比例分布Fig.2 Histograms of the proportional distribution of bedrock peak acceleration at different levels of exceedance probability

圖3為湖北省域50 a超越概率63%、2%的基巖峰值加速度分別與10%的基巖峰值加速度的比值隨R10的變化分布。由圖可知,隨著R10的增大,R63/R10整體變小,而R2/R10則有整體變大的趨勢(shì),但比例變化較離散,特別當(dāng)R10為24～90 cm/s2時(shí),離散更加明顯。由此可知,湖北省域50 a超越概率63%、10%和2%的基巖峰值加速度的比值與該地區(qū)50 a超越概率10%的基巖峰值加速值并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

圖3 R63/R10、R2/R10比值隨R10的變化規(guī)律Fig.3 The variation of R63/R10 andR2/R10 ratios with R10

圖4為湖北省域不同超越概率水平下基巖峰值加速度比值空間分布。由圖4(a)可見(jiàn),在6.0級(jí)及以上高震級(jí)上限潛在震源區(qū)內(nèi)部及附近(竹山、竹溪、恩施等)地區(qū),R63/R10比值較小,低震級(jí)上限潛在震源區(qū)內(nèi)部和附近地區(qū)比值較大,R63/R10隨與高震級(jí)上限潛在震源區(qū)距離的加大而逐漸增大。由圖4(b)可以看出,在高震級(jí)上限潛在震源區(qū)內(nèi)部和附近R2/R10的比值較大,低震級(jí)上限潛在震源區(qū)內(nèi)部和附近的比值較小,R2/R10隨與高震級(jí)上限潛源距離的加大而逐漸增小,這與R63/R10的變化規(guī)律相反。

圖4 湖北省域不同超越概率水平下基巖峰值加速度比值空間分布Fig.4 Ratios spatial distribution of bedrock peak acceleration at different levels of exceedance probability in Hubei province

通過(guò)分析湖北省域基巖峰值加速度比值的空間展布情況可知,湖北省域基巖峰值加速度比值的分布與潛在震源區(qū)的劃分密切相關(guān),而湖北省域地震活動(dòng)和地質(zhì)構(gòu)造特征是劃分潛在震源區(qū)的主要依據(jù)。由此可見(jiàn),湖北省域不同超越概率水平下基巖峰值加速度之間的比例關(guān)系與該地區(qū)地震構(gòu)造環(huán)境息息相關(guān)[12]。

2.2 場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度的比例關(guān)系

依據(jù)湖北省地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查項(xiàng)目共享得到的省域宏觀場(chǎng)地類(lèi)別數(shù)據(jù),按照《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中基于Ⅰ1類(lèi)場(chǎng)地的場(chǎng)地調(diào)整系數(shù)取值,計(jì)算得到湖北省域50 a超越概率63%、10%和2%的地震動(dòng)峰值加速度值。為方便敘述,將研究區(qū)50 a超越概率63%、10%、2%的地震動(dòng)峰值加速度分別記為A63、A10和A2。

表5為湖北省域不同加速度分區(qū)的A63、A10和A2數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表可知,A10為24.2～168.2 cm/s2,即湖北省域50 a超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度跨越0.05g、0.10g和0.15g三個(gè)加速度分區(qū),其中0.05g加速度分區(qū)中,A63、A10和A2均值分別為20.3 cm/s2、65.1 cm/s2和117.7 cm/s2;0.10g加速度分區(qū)中,A63、A10和A2均值分別為29.8 cm/s2、101.5 cm/s2和183.1 cm/s2;0.15g加速度分區(qū)中,A63、A10和A2均值分別為26.1 cm/s2、151.4 cm/s2和299.0 cm/s2。在不同加速度分檔中,A63/A10分別為0.31、0.30、0.17,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.033、0.050、0.008;A2/A10分別為1.81、1.80、1.98,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.125、0.196、0.032。

表5 湖北省域不同加速度分區(qū)不同超越概率水平下地震動(dòng)峰值加速度及比例關(guān)系

3 討 論

3.1 與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的比較

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》均對(duì)不同加速度分區(qū)內(nèi)多遇地震、基本地震和罕遇地震的地表峰值加速度的取值和比例關(guān)系給出了相應(yīng)參數(shù)。表6為《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》及本文在多遇地震、基本地震、罕遇地震作用下地震動(dòng)峰值加速度和比例的對(duì)比,圖5為3種規(guī)范的A63/A10和A2/A10比值分布。結(jié)合表6和圖5可以看出,0.05g加速度分區(qū)中,建筑規(guī)范的罕遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值都大于區(qū)劃圖的推薦值及本文計(jì)算值,基本地震的取值與區(qū)劃圖的推薦值一致,但小于本文計(jì)算值,對(duì)于多遇地震的取值三者相差不大;0.10g加速度分區(qū)中,建筑規(guī)范的罕遇地震及多遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值大于區(qū)劃圖的推薦值及本文計(jì)算值,對(duì)于基本地震的取值三者基本相同;0.15g加速度分區(qū)中,建筑規(guī)范的罕遇地震及多遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值也大于區(qū)劃圖的推薦值及本文計(jì)算值,基本地震的取值三者也基本相同。綜上可知,建筑規(guī)范對(duì)于罕遇地震的地震動(dòng)峰值加速度取值和A63/A10、A2/A10比值均大于區(qū)劃圖的推薦值及本文計(jì)算值,說(shuō)明在湖北省域采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的取值對(duì)建筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),考慮的地震作用是保守且安全的,能夠?qū)崿F(xiàn)大地震抗倒塌的目標(biāo)。

表6 3種規(guī)范中不同地震作用下地震動(dòng)峰值加速度和比例關(guān)系

圖5 3種規(guī)范下A63/A10和A2/A10比值分布Fig.5 Ratio distribution of A63/A10 andA2/A10 under three specifications

3.2 存在的問(wèn)題

需要注意的是,在湖北省域0.15g分區(qū)中,多遇地震作用下地震動(dòng)峰值加速度均值僅為26 cm/s2,對(duì)應(yīng)的A63/A10比值僅為0.17,明顯小于《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中給出的0.37和0.33,且湖北省域0.15g分區(qū)主要分布于鄂西北竹山-竹溪7.0級(jí)地震潛在震源區(qū)。造成這一問(wèn)題的原因可能與采用的概率地震危險(xiǎn)性分析方法有關(guān)。目前,我國(guó)使用的地震危險(xiǎn)性概率分析方法是在概率地震危險(xiǎn)性分析方法理論框架基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)地震活動(dòng)時(shí)空不均勻性,吸收地震中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的大量科研成果,經(jīng)過(guò)一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)改進(jìn)形成的。該方法首先統(tǒng)計(jì)地震區(qū)、帶的地震活動(dòng)性參數(shù),然后將各震級(jí)檔的地震年平均發(fā)生率分配給區(qū)、帶內(nèi)的潛在震源區(qū),從而造成由于多個(gè)潛在震源區(qū)在較低震級(jí)檔參與分配,較高震級(jí)上限潛在震源區(qū)地震發(fā)生率變小,使不同加速度分區(qū)內(nèi)的工程場(chǎng)地多遇地震的地震動(dòng)參數(shù)略有變化,基本地震和罕遇地震的地震動(dòng)參數(shù)發(fā)生較大變化[17]。針對(duì)這種情況,在抗震設(shè)計(jì)中直接使用地震安全性評(píng)價(jià)得到的多遇地震的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行承載力驗(yàn)算而不加以控制,可能存在較大的風(fēng)險(xiǎn)?！吨袊?guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中以不低于基本地震地震動(dòng)峰值加速度的1/3進(jìn)行折算的方法對(duì)多遇地震進(jìn)行控制,很好地保證了小震不壞的設(shè)防目標(biāo)。

綜上所述,在湖北省域高烈度區(qū)進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析和地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí),宜參照《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》進(jìn)行調(diào)整,即多遇地震的地震動(dòng)峰值加速度值應(yīng)按不低于基本地震的地震動(dòng)峰值加速度的1/3進(jìn)行確定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)湖北省域不同超越概率水平下峰值加速度之間的比例關(guān)系進(jìn)行研究,得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)湖北省域50 a超越概率63%、2%的基巖峰值加速度與10%的基巖峰值加速度比值的均值分別為0.31、1.86,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.038、0.139。

2)湖北省域基巖峰值加速度R63/R10比值隨R10的增大總體變小,R2/R10則隨R10的增大總體變大,但R63/R10及R2/R10的比值與R10的線性關(guān)系不明顯,R63/R10、R2/R10的比例關(guān)系與湖北省域地震構(gòu)造環(huán)境相關(guān)。

3)在0.05g加速度分區(qū)中,湖北省域50 a超越概率63%與10%的峰值加速度比值(R63/R10)的均值為0.31,標(biāo)準(zhǔn)差為0.033,2%與10%的峰值加速度比例(R2/R10)的均值為1.81,標(biāo)準(zhǔn)差為0.125;在0.10g加速度分區(qū)中,R63/R10的均值為0.30,標(biāo)準(zhǔn)差為0.050,R2/R10的均值為1.80,標(biāo)準(zhǔn)差為0.196;在0.15g加速度分區(qū)中,R63/R10的均值為0.17,標(biāo)準(zhǔn)差為0.008,R2/R10的均值為1.98,標(biāo)準(zhǔn)差為0.032。

4)湖北省域參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)建筑物進(jìn)行抗震作用計(jì)算,所考慮的地震作用是合理且安全的,能夠?qū)崿F(xiàn)大地震抗倒塌的目標(biāo)。

5)在湖北省域高烈度區(qū)進(jìn)行工程場(chǎng)地地震危險(xiǎn)性分析時(shí),多遇地震的地震動(dòng)峰值加速度值應(yīng)按不低于基本地震的地震動(dòng)峰值加速度的1/3進(jìn)行調(diào)整。