基于地震作用和場地影響確定廣東省設計地震動參數1

姜 慧 黃劍濤 盧幫華 王立新 李小華

（廣東省地震局，廣州 510070）

基于地震作用和場地影響確定廣東省設計地震動參數1

姜 慧 黃劍濤 盧幫華 王立新 李小華

（廣東省地震局，廣州 510070）

在對《建筑抗震設計規范（GB50011-2001）》和《建筑工程抗震性態設計通則（試用，CECS 160：2004）》研究的基礎上，根據廣東地區的場地和地震作用特點，確定出了廣東省甲、乙、丙類建筑不同設防水準的地震動峰值加速度，以及廣東省91個城鎮的特征周期分區值，為廣東省建筑物抗震設計提供了更加可靠的地震動參數。

廣東省 抗震設計規范 場地 地震作用

引言

廣東沿海地區的場地和地震作用特點，與全國《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）中場地和地震作用規定不相符合，已對廣東省這一地區的建筑物抗震設計造成了潛在隱患。如規范中規定的廣東省這一地區的場地設計反應譜的特征周期值偏低，特別是對沿海地區的軟土場地，甚至相差一半。《建筑工程抗震性態設計通則（試用，CECS 160：2004）》（中國工程建設標準化協會標準，2004），在考慮場地和地震作用方面有了一定的改進，但由于通則是基于全國各地的平均情況，也不能客觀反映廣東省的場地和地震作用特點。為了解決以上規范和通則的不適用問題，本研究計算了91個城鎮3個概率水平的基巖峰值加速度，分析了大震（罕遇地震）和小震（常遇地震）峰值加速度的比例關系，在此基礎上較為客觀地確定出廣東省甲、乙、丙類建筑不同設防水準的地震動峰值加速度。同時，還編制了廣東省工程地質分區圖；用地形資料估計了全省91個城鎮地表30m地層的平均剪切波速；利用數百個地震鉆孔波速資料，統計了場地覆蓋層厚度、平均剪切波速和場地特征周期的關系。在此基礎上，確定了廣東省91個城鎮的特征周期分區值。本文研究確定的地震動峰值加速度和地震動反應譜特征周期，能較為客觀地反應廣東地區的場地和地震動特點，為廣東省建筑物抗震設計提供了更加可靠的依據。

1 廣東地區地震動峰值加速度的確定

規范采用的地震動峰值加速度，通常依據最新版的全國地震區劃圖結果確定，當前正在使用的地震區劃圖為《中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001），該區劃圖只提供了50年超越概率10%的地震動峰值加速度（a10）結果，供一般民用建筑物抗震設防使用，小震（常遇地震）對應的峰值加速度常取a10的1/3，大震（罕遇地震）對應的峰值加速度常取a10的2倍，大震峰值加速度為小震峰值加速度的6倍。該比例關系為全國的平均值，與廣東地區的實際情況有一定偏差。通過對廣東省 91個城鎮50年對應的大震和小震地震動峰值加速度比值研究，廣東地區大致可以分出3個地震危險性特征分區。另外，廣東地區的經濟發展水平高于全國的平均水平，對建筑物的抗震設防水平要求應適當高于全國的平均水平。為此，本文根據《建筑抗震設防分類標準（GB 50223-2008）》（中華人民共和國國家標準，2008），同時考慮到甲、乙、丙三類建筑物對設防要求的等級不同，分別按100年、70年、50年使用期，確定本地區甲、乙、丙三類建筑小震、中震和大震對應的地震動峰值加速度參數。

1.1 廣東地區地震危險性特征分區

由于廣東地區大震和小震峰值加速度之比差異較大，故本文采用第四代地震區劃圖潛在震源區劃分更新方案（內部資料）和華南地區的地震動衰減關系1俞言祥，2005. 地震動參數衰減關系研究. 地震安全性評價研究與結構抗震研究. 中國地震局“十五”重點科研課題研究報告.，對廣東省91個城鎮進行地震危險性分析計算，并對罕遇地震峰值加速度（a02）和多遇地震峰值加速度（a63）的比值KLS進行了分析研究，在廣東地區大致劃分出3個地震危險性特征分區（圖1）。

圖1 廣東省地震危險性特征分區圖Fig. 1 Zoning map of seismic risk characteristics of Guangdong Province

Ⅰ區為罕遇地震和多遇地震的地震動峰值加速度比值KLS＜7的地區，該區域有28個城鎮，多遇地震和抗震設防地震峰值加速度的比值KSD（a63/a10）= 0.32，罕遇地震和抗震設防地震的地震動峰值加速度的比值KLD（a02/a10）= 1.81；

Ⅱ區為7＜KLS＜10的地區，該區域有32個城鎮，多遇地震和抗震設防地震的地震動峰值加速度的比值KSD（a63/a10）= 0.24，罕遇地震和抗震設防地震的地震動峰值加速度的比值KLD（a02/a10）= 2.06；

Ⅲ區為KLS＞10的地區，該區域有31個城鎮，多遇地震和抗震設防地震的地震動峰值加速度的比值KSD（a63/a10）= 0.19，罕遇地震和抗震設防地震的地震動峰值加速度的比值KLD（a02/a10）= 2.22。

1.2 地震動峰值加速度參數的確定

考慮到廣東省的經濟承受能力高于全國的平均水平，甲、乙、丙三類建筑物分別可按100年、70年、50年使用期設防。丁類建筑參照丙類建筑物的地震動峰值加速度，抗震措施可適當降低要求，但設防峰值加速度為0.05g時不應再降低。

1.2.1 廣東地區丙類建筑地震動峰值加速度參數的確定

（1）設防地震（50年超越概率為10%）的a值，應按地震動參數區劃圖對建筑所在地點給出的地震動峰值加速度值a10（50年超越概率為10%的地震動峰值加速度）取值。

（2）多遇地震（50年超越概率為63%）和罕遇地震（50年超越概率為2%）的a值可根據建筑場地所在地點地震動參數區劃圖的a10值及地震危險性特征分區由表1取值。

表1 丙類建筑不同設防水準的地震動峰值加速度Table 1 Peak ground accelerations corresponding to different seismic fortification levels of the 3rd-class building

1.2.2 廣東地區乙類建筑地震動峰值加速度參數的確定

（1）對于乙類建筑，其70年設防地震設計加速度，由50年設防地震設計加速度乘以對應的修正系數（K70）得到，K70為70年設防地震地震動峰值加速度a70和50年設防地震峰值加速度值a50的比值，即K70=a70/a50。在本文的研究中，a70、a50分別為廣東省91個城鎮70年超越概率10%和50年超越概率10%的平均峰值加速度，由此得到對應的修正系數（K70）為1.18。

（2）乙類建筑其建筑場地的多遇地震（70年超越概率為63%）、抗震設防地震（70年超越概率為10%）和罕遇地震（70年超越概率為2%）的a值，可根據建筑所在地點地震動參數區劃圖的a10值及地震危險性特征分區由表2取值。

表2 乙類建筑不同設防水準的地震動峰值加速度Table 2 Peak ground accelerations corresponding to different seismic fortification levels of the 2nd-class building

1.2.3 廣東地區甲類建筑地震動峰值加速度參數的確定

（1）對于甲類建筑，其100年設防地震設計加速度，由50年設防地震設計加速度乘以對應的修正系數（K100）得到，K100為100年設防地震地震動峰值加速度a100和50年設防地震峰值加速度值a50的比值，即K70=a70/a50。在本文的研究中，a100為廣東省91個城鎮100年超越概率10%的平均峰值加速度，由此得到對應的修正系數（K100）為1.37。

（2）甲類建筑其建筑場地的多遇地震（100年超越概率為63%）、抗震設防地震（100年超越概率為10%）和罕遇地震（100年超越概率為2%）的a值，可根據建筑所在地點地震動參數區劃圖的a10值及地震危險性特征分區由表3取值。

表3 甲類建筑不同設防水準的地震動峰值加速度Table 3 Peak ground accelerations corresponding to different seismic fortification levels of the 1st-class building

2 廣東地區的場地特點和地震動反應譜特征周期的確定

地處東南沿海的廣東省，北面和東面環山，地勢北高南低，江河發育，軟土場地分布廣泛，特別是在沿海經濟發達地區，大部分新建工程處于江河流域軟土場地或沿海填土場地。而規范規定的設計地震動參數，偏離本地區實際的場地和地震作用特點。由于對本地區特征周期的相關研究較少，在《建筑抗震設計規范（GB 51100-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）中，廣東省城鎮的特征周期全都被列入設計地震分組的第一組，即Ⅱ類建筑場地的加速度反應譜特征周期值為0.35；Ⅲ類建筑場地的加速度反應譜特征周期值為0.45。而根據廣東省的實際情況，大部分Ⅱ、Ⅲ類建筑場地的地震動反應譜特征周期都會超過第一組的規范值，沿海地區部分軟土場地甚至相差一倍。因此，確定出適合本地區特點的地震動反應譜特征周期很有必要。

2.1 廣東部分沿海地區場地加速度反應譜特征周期分析

通過對廣東部分沿海地區1200多個剪切波速鉆孔剖面的土層反應統計分析，可得到Tg值與覆蓋層厚度Dov、等效剪切波速Vse的關系（圖2）（姜慧等，2008）。圖2直觀地反映了Tg值與覆蓋層厚度Dov、等效剪切波速Vse的關系，從圖中可以看出：①無論是Ⅱ場地還是Ⅲ場地，地震動反應譜特征周期都遠遠超過規范第一組的取值；②無論場地是否有淤泥層，場地覆蓋層厚度越厚，剪切波速越大，Tg值就越大；③有淤泥層的場地，與同類型的無淤泥層場地相比，其特征周期Tg值又大得多，平均相差0.2s左右。

圖2 廣東地區Ⅱ、Ⅲ類場地特征周期與覆蓋層厚度及等效剪切波速的關系Fig. 2 Relation between site characteristic periods, cover layer thicknesses and equivalent shear wave speeds of sites II and III of Guangdong region

廣東部分沿海地區場地加速度反應譜特征周期的這一特點具有一定的代表性，但主要集中在珠三角地區，不能反映整個廣東省覆蓋層厚度Dov、等效剪切波速Vse和特征周期之間的關系。本文在廣東省工程場地分區和30m地層的平均剪切波速（VS30）估計的基礎上，確定出了適合廣東地區的地震動反應譜特征周期分區方案。

2.2 廣東省的工程場地分區

在中國東南沿海地區百萬分之一工程地質圖及說明書、廣東省1∶50萬數字地質圖和廣東省1∶25萬地形圖和大量鉆孔資料的基礎上，依據地形地貌、巖土特性、場地土成因和覆蓋土層厚度等因素，本文對廣東地區的工程場地，按Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類建筑類別進行了粗略分區（圖3），以作為估計場地特征周期的一個依據。

2.3 廣東地區地表30m地層的平均剪切波速（VS30）估計

根據David等（2007）提出的方法以及地形坡角可以粗略估計地表30m地層的平均剪切波速（VS30），同時依據廣東地區地形數據，本文獲得了廣東省各城鎮所在地地表30m地層的平均剪切波速（VS30）估計結果，圖4給出了示意圖，其中B、C、D、E為美國場地條件分類符號，分別對應不同的剪切波速值。從圖4可以查出豐順、潮州、揭陽、普寧、惠來、潮陽、汕頭、澄海、饒平和南澳等城鎮的地表30m地層的平均剪切波速（VS30）估計值。同理，可得到其他城鎮VS30估計值。表4列出了廣東省91個城鎮的地表30m地層的平均剪切波速（VS30）值。

2.4 廣東地區場地設計加速度反應譜特征周期的估計

圖3 廣東省工程場地分區圖Fig. 3 Engineering sites zoning map of Guangdong Province

圖4 用地形數據估計地表30m地層的平均剪切波速（VS30）示意圖Fig. 4 Sketch of mean shear wave speeds (VS30) of surface 30m layer estimated using topographic data

表4 廣東省主要城鎮的特征周期分區表Table 4 Characteristic periods of major towns of Guangdong Province

續表

在完成上述的研究后，綜合考慮工程場地類別、是否存在淤泥質軟土底層和30m地層的平均剪切波速（VS30）估計（表4），可得到廣東地區91個城鎮的地震動反應譜特征周期分區結果（表4）。其分區原則為：①場地類別為I類的城鎮，全部劃為特征周期1分區；②場地類別為Ⅲ、Ⅳ類的城鎮，全部劃為特征周期3分區；③場地類別為Ⅱ類的城鎮，參考平均剪切波速（VS30）中值進行分區，劃為特征周期1分區，210 m/s劃為特征周期2分區，劃為特征周期3分區。然后，參照《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）給出的設計反應譜形式，根據建筑所在場地的工程地質勘察結果，依據《建筑工程抗震性態設計通則（試用，CECS 160：2004）》（中國工程建設標準化協會標準，2004）附錄B（圖5）的一區特征周期值，以及表4給出的廣東省主要城鎮的特征周期分區值，按通則條文4.2.4可估計出場地設計反應譜的特征周期Tg。具體步驟如下：

（1）對于處在特征周期一區的建筑場地，其特征周期直接根據工程場地勘察獲得的等效剪切波速度或地表30m地層剪切波速（VS30）的中值（表4中）和覆蓋層厚度，直接由圖5取值，圖5未列數值取相近數值間的插值。

（2）對于處在特征周期二區的建筑場地，特征周期應取一區相同場地的7/6倍。

（3）對于處在特征周期三區的建筑場地，特征周期應取一區相同場地的4/3倍。

（4）當設計地震加速度a≥0.2g，計算相應的罕遇地震作用時，特征周期增加0.05s。

3 結語和討論

在對廣東地區地震危險性特征和場地土特點研究的基礎上，本文確定出了適合廣東地區甲、乙、丙類及丁類建筑的常遇、設防和罕遇地震對應的峰值加速度，及設計反應譜特征周期分區方案和取值方法，修正了現行規范和試用通則與本地區場地和地震作用的某些不適應之處，在一定程度上改進了本地區的設計地震動參數。但對各城鎮場地條件的判定仍然是一個區域性的平均估計，不能很好地反映具體建筑場地與局部場地條件的差異。有現場勘測資料（如覆蓋層厚度和剪切波速資料）的場地，應采用實測資料，重大工程的場地設計地震動參數確定，應在工程場地詳勘的基礎上做專門研究。

圖5 場地設計反應譜特征周期值和覆蓋土層厚度、等效剪切波速的關系圖Fig. 5 Relation between characteristic periods of site design response spectrum and cover layer thicknesses,equivalent shear wave speeds

姜慧，余演波，王立新，2008. 澳門地區建筑物設計地震動參數研究. 華南地震，28（2）：27—35.

中華人民共和國國家標準，2001. 建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）.北京：中國建筑工業出版社.

中國工程建設標準化協會標準，2004. 建筑工程抗震形態設計通則（試用，CECS 160：2004）.北京：中國計劃出版社.

中華人民共和國國家標準，2008. 建筑抗震設防分類標準（GB 50223-2008）.北京：中國建筑工業出版社.

中華人民共和國國家標準，2001. 中國地震動參數區劃圖（GB 18306-2001）.北京：地震出版社.

David J.W. and Trevor I.A., 2007. Review article：topographic slope as a proxy for seismic site conditions and amplification. BSSA, 97（5）：1379—1395.

Determination of Seismic Design Parameters Based on Site and Earthquake Action in Code of Guangdong Province

Jiang Hui, Huang Jiantao, Lu Banghua, Wang Lixin and Li Xiaohua
(Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou 510070, China)

Through analyses on Code for Seismic Design of Buildings (GB50011-2001) and General Rules for Performance Based Seismic Design of Buildings (Tentative standard, CECS 160∶2004), peak ground accelerations corresponding to different seismic fortification levels of the three classes of building and zoning values of characteristic periods of 91 major towns of Guangdong Province are determined according to characteristics of sites and earthquake actions of Guangdong region. Our results provide more reliable ground motion parameters for seismic design of buildings of Guangdong Province.

Guangdong Province; Code for seismic design; Site; Earthquake action

姜慧，黃劍濤，盧幫華，王立新，李小華，2010. 基于地震作用和場地影響確定廣東省設計地震動參數. 震災防御技術，5（4）：398—408.

廣東省教育部產學研結合項目（項目編號2008B090500245）

2010-05-13

姜慧，男，生于1964年。博士，研究員，主要從事地震工程、結構抗震研究工作。E-mail：jianghui@cea-igp.ac.cn