關于天然設計地震波的研究

龐群英 肖 遙 李大華 1，

1）天津市地震局，天津 300201

2）中國地震災害防御中心，北京 100029

關于天然設計地震波的研究

龐群英1）肖 遙2）李大華1，2）

1）天津市地震局，天津 300201

2）中國地震災害防御中心，北京 100029

本文討論了天然設計地震波的調整問題。通過給出的工程計算實例，研究了產生天然設計地震波所采用技術的可行性和合理性。文中對塔吉克斯坦共和國杜尚別市鳥巢大廈結構隔震設計所需要的天然設計地震波進行了較為詳細的研究，提供的結果可滿足設計需求。同時文中還對天然設計地震波調整技術存在的問題進行了初步的討論。

地震動 強震記錄 天然設計地震波 人工地震波

引言

《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）和《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）均強制性地提出了采用設計地震波進行結構抗震設計的要求，如：《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）》強制性要求采用時程法設計時，需采用2條天然設計地震波和1條人工設計地震波。盡管工程抗震設計不可避免地要使用天然設計地震波，但對天然設計地震波選用的標準細則目前還研究甚少，以至于把天然設計地震波和人工設計地震波經常混為一談，為此有必要通過研究澄清該問題，以便使工程地震災害防御工作更加科學合理。為此，本文將以工程場地地震安全性評價為例，對這一問題進行分析研究。

1 天然設計地震波的調整問題

天然地震波就是在天然地震時，數字地震臺網記錄到的地震波，這些數據顯然是科學給出設計地震波的依據和數據基礎。所謂天然地震波，一定不包含地震臺網得到的人工爆破作業、塌陷、滑坡等振動產生的波形記錄。而這些干擾記錄的識別是專業人員通過實踐經驗來判別的，也就是說，天然地震波需要專業人員來目測判別。

天然地震波能夠直接作為天然設計地震波的很少，一般必須通過對一定的儀器記錄天然地震波進行調整，才能達到設計參數控制要求而作為天然設計地震波使用。因此，如何將天然地震波調整為合理的天然設計地震波就成了技術的關鍵所在。通常的調整方法為：

（1）僅調整加速度峰值，這是最原始的天然設計地震波調整的方法。做法是把地震動絕對加速度時間過程的每個數字點除以原始記錄的加速度峰值歸一化，然后再都乘以滿足設計需要的加速度峰值。這種方法顯然很不合理和完善，因為還有許多設計地震動參數未能得到滿足。

（2）以挑選的天然地震波數據為基礎，同時調整加速度峰值和相位的方法，以設計地震動反應譜為目標譜進行擬合得到天然設計地震波。這是近10年來美國、日本等發達國家較為通用的做法。顯然，這種方法相對合理些。

（3）考慮地震危險性分析場地相關性的影響調整產生天然設計地震波，該方法仍以挑選的天然地震波數據為基礎，根據地震危險性分析給出的場地相關加速度反應譜數據進行擬合，并考慮了場地時間過程曲線包絡函數的方法，也有需要擬和場地相關設計地震動速度峰值的要求。該方法已在我國工程場地地震安全性評價中開始得到具體應用1天津湯姆防震減災工程設計中心，吉林省地震局地震工程研究院，2009. 吉林省地震局辦公樓工程場地地震安全性評價報告.，顯然這種新方法值得提倡和推廣應用。

天然設計地震波和人工設計地震波具有密切關系，通過天然地震波數據調整出的天然設計地震波顯然屬于天然地震波性質；人工設計地震波也可以擬合目標設計反應譜成為滿足工程需要的設計地震動時間過程，但它是人工地震波，而不是天然地震波，人工地震波和天然地震波的差別明顯在于人工地震波的相位是人工隨機數發生器產生的均勻分布相位的波形。因為過去人工地震波具有較強的場地相關性，而天然地震波由于距離場地太遠，與場地之間的關系不緊密，所以工程場地地震安全性評價多采用人工地震波方法。

目前，已經可由強震記錄或地震記錄數字化時間過程數據調整擬合設計地震動參數，給出天然設計地震波，即在場地半徑150km范圍內，選取4級以上的強震記錄或地震記錄，用此作為天然設計地震波基本數據，同時擬合工程場地設計反應譜、加速度峰值和速度峰值，該方法在工程場地地震安全性評價工作中已經開始得到初步的應用。然而，在結構抗震設計中采用該方法的例子尚不多見，為此，本文以杜尚別市鳥巢大廈為例進行了下述研究。而人工地震波由于其相位非平穩的局限性和非真實性，隨著已有大量數字化測震記錄基本可以滿足天然設計地震波合成的需要，人工地震波有可能很快被天然地震波所逐漸取代。

2 杜尚別市鳥巢大廈天然設計地震波評定

本文以塔吉克斯坦共和國杜尚別市鳥巢大廈結構隔震設計所需要的天然設計地震波為例進行研究，研究工作分2部分：第1部分是依據《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）》（中華人民共和國國家標準，2001）地震烈度Ⅸ度的設計反應譜，采用天然地震記錄的相位，將地震記錄的反應譜調整到與該抗震規范反應譜基本一致；第2部分是依據《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），將天然地震記錄調整到與該通則設計反應譜基本一致。

2.1 建筑抗震設計規范反應譜參數

依據《建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）》，地震烈度Ⅸ度對應的設計反應譜如圖 1和表1所示。

2.2 建筑工程抗震性態設計通則反應譜參數

依據《建筑工程抗震性態設計通則（試用，CECS 160：2004）》，地震烈度Ⅸ度對應的設計反應譜如圖2和表1所示，與圖1不同的是圖2無直線下降段。

圖1 建筑抗震設計規范反應譜Fig. 1 Code for seismic design of buildings response spectrum

圖2 建筑工程抗震性態設計通則反應譜Fig. 2 General rule for performance-based seismic design of buildings response spectrum

表1 GB50011-2001和CECS 160：2004 規范烈度Ⅸ度設計地震動參數Table 1 Design seismic parameters for GB50011-2001 and CECS 160: 2004 Code intensity Ⅸ

2.3 調整天然設計地震波要求

本文分別擬合上述2種設計地震反應譜、加速度峰值和速度峰值，調整出天然設計地震波，其中反應譜擬合精度為相對誤差在5%之內，擬合設計反應譜的控制點在0.04—6s范圍內控制40個點以上，加速度峰值和速度峰值要求完全精確擬合。同時，要求以表2所示著名天然地震波為基礎，進行天然設計地震波調整。

表2 調整天然設計地震波的數字化記錄主要參數Table 2 Primary parameters for adjusting natural design seismic wave digital records

2.4 計算結果

本文對上述調整天然設計地震波需求進行了研究，計算所采用的方法為“非平穩人造地震動反應譜擬合技術”（李勇哲，2009），由于篇幅所限，本文僅給出前4個強震記錄為基礎的多遇地震部分示意，以及適宜性計算結果圖形（見圖3）。

圖3 4個強震記錄多遇地震天然設計地震波示例圖Fig. 3 Frequent seismic natural design seismic wave for four strong ground motion records

同時，本文還采用了2008年10月5日塔吉克斯坦 7.0級地震，并以該地震在新疆喀什地震臺獲得的數字化地震記錄為基礎，分別調整出擬合圖1和圖2設計反應譜的天然設計地震波，圖4為給出的多遇地震天然設計地震波以及反應譜擬合示例圖。

圖4 采用塔吉克斯坦地震記錄調整多遇地震天然設計地震波及反應譜擬合示例圖Fig. 4 Frequent seismic natural design seismic wave and response spectrum simulations of Tajikistan ground motions records

3 討論與結語

本文討論了天然設計地震波的調整問題，也就是基于強震記錄或地震記錄進行調整，由于從擬合的設計地震動參數得到的設計地震波統稱為天然設計地震波，因此，只有明確界定了天然設計地震波，才可能奠定結構抗震設計的基礎。

通過給出的工程計算實例，本文闡述了產生天然設計地震波所采用的同時擬合設計反應譜、加速度峰值和速度峰值的計算技術是可行的，也是較為合理的。這一技術有必要通過修正完善納入有關技術法規和要求，并使之能夠得到推廣應用。工程實踐表明，調整地震波擬合設計地震動參數時，未擬合的地震波速度峰值存在較大的缺陷，應該盡量避免失控。同時計算經驗也表明，天然設計地震波之所以非常重要，是因為它往往計算結構的反應要比人工設計地震波大些，也就是說人工地震波輸入的計算結果可能偏于不安全，對此，作者將另文進行深入系統的研究。

本文對塔吉克斯坦共和國杜尚別市鳥巢大廈結構隔震設計所需要的天然設計地震波進行了較為詳細的研究計算，提供的結果已可滿足設計需求。對于文中圖1和圖2兩個目標設計反應譜和表1需要擬合的參數，本文均做了大量計算分析，并得到以下一些新的認識：

（1）考慮到場地相關性的要求，圖4給出的天然設計地震波不僅可行，而且最為合理，因為實際地震記錄表現出場地相關性地震動特征在于持續時間明顯成倍增長，采用其他的天然設計地震波將明顯低估該工程場地地震動持續時間要素。

（2）本文對天然設計地震波擬合了速度峰值，計算表明實現這一復雜的擬合并不困難，應該推廣此項技術對速度峰值進行按規范要求的控制。

（3）研究結果再次表明，多遇地震設計地震波及罕遇地震設計地震波，不應該具有嚴格的線性比例關系，其主要原因是對速度峰值擬合要求否定了這一線性關系，因此，不同概率水平的天然設計地震波調整應該分別進行。

盡管本研究還是初步的、旨在明確天然設計地震波可行的調整方法，完成現有工程所需場地相關天然設計地震波的任務，加強工程應用與強震記錄、測震記錄的密切聯系，但作者仍希望本文能對天然設計地震波的應用研究起到一定的借鑒作用。

李勇哲，2009. 非平穩人造地震動反應譜擬合技術研究. 天津城市建設學院.

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. 建筑工程抗震性態設計通則（試用，CECS 160：2004）.北京：中國計劃出版社.

Study of Natural Design Seismic Wave

Pang Qunying1）, Xiao Yao2）and Li Dahua1，2）
1) Tianjin Seismological Bureau, Tianjin 300201, China
2) China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China

In this paper, we discuss the product problem of natural designed seismic wave and study the technical feasibility and rationality of generating the natural designed seismic wave by the actual engineering calculation.Detailed study is given to the natural designed seismic wave used in seismic isolation structure design of the Nest Building in Dushanbe of the Republic of Tajikistan. The results can meet the design requirements well. We also discuss some problems in the modulating technique of natural design seismic wave in the paper.

Earthquake ground motion；Strong ground motion record；Natural designed seismic wave；Artificial seismic wave

龐群英，肖遙，李大華，2011. 關于天然設計地震波的研究. 震災防御技術，6（1）：85—90.

2010-08-12

龐群英，女，生于1973年。工程師。主要從事地震監測和預報工作。E-mail: pqunying@sina.com