北京盆地結構對長周期地震動加速度反應譜的影響

付長華

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

（作者電子信箱，付長華：fuchanghua＠eyou．com）

由于城市人口的快速增多以及地價飛漲等原因，高層建筑已經大量涌現于各個城市之中，并且數量仍在繼續攀升。另一方面，許多城市均建造于盆地內部，同時具有發生大地震的構造背景，如我國的北京、銀川、西安、呼和浩特等。歷史上多次大地震中的建筑震害特征表明，盆地對地震動的長周期成分有顯著的放大效應，可以對城市中的高層建筑產生很強的破壞作用。因此，盆地內高層建筑的抗震設防問題日顯重要。然而，在我國現行的建筑抗震設計規范以及地震安全性評價技術規范中，還尚未就盆地對地震動的放大效應做出明確解釋和規定，這給城市的震害防御以及合理的未來規劃埋下了隱患。

北京市作為我國的政治、經濟和文化中心，其地位的重要性毋庸置疑。同時，從科學研究角度來看，一則北京市坐落于典型盆地構造的范圍內，且具有發生大地震的構造背景；二則數千棟25層以上的高層住宅和100m以上的超高層商用建筑已經建成，并有加速建造的趨勢。這些建筑的自振周期通常在3s以上，有的甚至可長達10s。地震時，它們易與3～10s長周期地震動形成共振而產生巨大的地震破壞。此外，強烈的地面晃動也可引發火災等次生災害。這些都將導致大量人員傷亡和財產損失，也加大了地震應急救援的難度。因此，研究北京盆地結構對3～10s長周期地震動加速度反應譜的放大效應，可以明確北京盆地內高層建筑合理的抗震設防要求，給盆地內城市的未來規劃、新建高層建筑抗震設計、高層建筑的震害防御、應急救援提供科學的依據。

針對北京盆地內強地面運動記錄嚴重不足的現狀，本文采用并行有限差分地震動數值模擬方法，研究了北京三維盆地結構對3～10s長周期地震動加速度反應譜的放大效應。主要內容和結論有：

（1）闡述了有限差分模擬長周期地震動的基本原理及其并行化計算的實施方案，介紹了用于地震動模擬的并行計算平臺。

（2）通過對地震勘探資料、地質資料、鉆孔資料、波速測試資料及其他調查資料的收集與整理，在現有北京盆地模型的基礎上疊加了地形條件，建立了含起伏地形的盆地地下介質三維速度結構模型。通過對北京盆地內5級以上歷史地震和活動斷層活動特征的分析，建立了符合北京盆地地震構造背景的強震震源模型，為有限差分地震動模擬提供了正確的震源參數。

（3）通過對7個震源輸入下的地震動模擬，分析了北京盆地結構對地震動加速度反應譜的放大特征，指出雖然不同震源參數會在一定程度上造成盆地放大效應的差異，但盆地結構一直是控制3～10s長周期地震動加速度反應譜放大的主導因素。盆地對加速度反應譜的放大系數與盆地內沉積物的厚度之間關系密切，近地表的第四系和第三系的厚度都對盆地放大效應有很大的影響，其中第四系的影響程度更為突出。

（4）提出了“盆地等效沉積物厚度”的概念，給出了盆地結構對3～10s長周期地震動加速度反應譜的平均放大系數與盆地等效沉積物厚度之間的相關函數。結果表明，盆地放大效應不能簡單地用乘以某一系數來表征，它與盆地內等效沉積物厚度有很強的相關性，隨著等效沉積物厚度增加而增加，相關性函數可回歸為清晰的二項式方程。

（5）當等效沉積物厚度大于200m時，在3～10s周期范圍內，盆地結構對3s周期地震動加速度反應譜的放大作用最為顯著，隨著周期增大，放大作用逐漸減弱；當等效沉積物厚度和反應譜周期一定時，盆地結構對水平分量加速度反應譜的平均放大系數大于豎向分量，而在兩個水平分量中，盆地結構對平行斷層分量加速度反應譜的平均放大系數要大于垂直斷層分量。

（6）對比了盆地放大效應與地表土層放大效應。當盆地等效沉積物厚度不大于500m時，盆地對周期T≥3s的加速度反應譜的放大系數與地表土層放大率大致相當；但在盆地等效沉積物厚度較大的區域，盆地放大效應明顯大于地表土層放大效應。

（7）基于回歸統計結果，將北京盆地結構對地震動加速度反應譜的平均放大系數進行了分區，為北京市的震害防御和未來規劃等提供了科學的參考。

（8）統計了北京市25層以上高層住宅和100m以上超高層商用建筑的分布、層數及高度等信息，計算了這些建筑結構的自振周期。根據不同周期時盆地對加速度反應譜的放大系數的分區結果：① 探討了現有這些高層建筑的地震致災風險水平與盆地結構的關系。指出城市東部CBD及以東地區的大部分建筑、西二環到西三環之間南半段內的建筑、以及北五環以北地區的部分建筑受到盆地放大效應的影響最為突出，在大地震中可能產生較為嚴重的地震災害，是今后地震應急準備和地震救援工作中應著重考慮的對象；② 指出順義凹陷、大廠凹陷的中心區域，盆地放大效應非常明顯。在城市未來規劃時，該區域應盡量避免建造同類高層建筑；③ 在盆地放大系數較小的其他地區建造同類高層建筑時，建議參考本論文的研究結果，根據建筑結構自振周期的大小，適當提高建筑物的抗震設防標準。