設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)中的幾個(gè)問(wèn)題探討★

李紅光

(中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市建設(shè)和交通建設(shè)工程越來(lái)越多，建設(shè)場(chǎng)地條件也越來(lái)越不利，尤其是汶川地震以后，隨著人們對(duì)地震災(zāi)害認(rèn)識(shí)的提高，建筑物(構(gòu)筑物)的抗震設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。防震減災(zāi)法中也明確規(guī)定:重要建筑物的選址、設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須進(jìn)行地震安全性評(píng)價(jià)工作。地方防震減災(zāi)法里對(duì)地震安全性評(píng)價(jià)的建筑進(jìn)行了明確規(guī)定，很多地區(qū)已經(jīng)把設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)納入建設(shè)審批程序。

地震安全性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)技術(shù)含量非常高的科學(xué)工程，很多技術(shù)手段還處于快速發(fā)展階段，而且在設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)過(guò)程中還存在很多問(wèn)題，比如潛源劃分、時(shí)程擬合、土層地震反應(yīng)等問(wèn)題［1，2］。本文主要介紹作者多年來(lái)在地震安全性評(píng)價(jià)工作中遇到的問(wèn)題和總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，從理論計(jì)算和實(shí)例方面進(jìn)行討論，為從事地震安全性評(píng)價(jià)工作的技術(shù)人員提供參考。

1 地震危險(xiǎn)性分析

目前在一般建筑場(chǎng)地的地震安全性評(píng)價(jià)工程中使用的地震危險(xiǎn)性分析方法都是采用概率方法［3］，這個(gè)方法也是國(guó)家區(qū)劃圖中使用的方法。地震局推薦的計(jì)算軟件是中國(guó)地震局地球物理研究所研制的ese程序，該程序使用的計(jì)算方法已經(jīng)很成熟，被大部分地震安全性評(píng)價(jià)單位使用。用該程序計(jì)算基巖某超越概率下地震動(dòng)參數(shù)時(shí)，往往得到的基巖反應(yīng)譜不平滑，某些點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀條紋，這很明顯與實(shí)際情況不符。這是由于在計(jì)算某一超越概率下的地震動(dòng)參數(shù)時(shí)，只能靠“試射法”，ese程序要求提供10個(gè)加速度值，計(jì)算這10個(gè)加速度值的超越概率，然后用線性插值法求取所要求的概率下的加速度值。

表1 ese程序計(jì)算時(shí)提供的兩組加速度值

表1是我們給的兩組加速度值，用這兩組加速度值分別對(duì)某弱震區(qū)進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析，圖1是計(jì)算得到基巖反應(yīng)譜值，情況1給出的加速度值不合適，周期1 s～2 s以后峰值加速度相對(duì)較小，而2 s后峰值加速度不變，這與實(shí)際嚴(yán)重不符，對(duì)建筑設(shè)防非常不利。我們建議應(yīng)該根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)這10個(gè)加速度值，首先要估計(jì)所要計(jì)算的加速度值，然后估算一個(gè)可能區(qū)間，最后在這個(gè)估計(jì)區(qū)間中盡量平均的取10個(gè)值，最后通過(guò)試算來(lái)找一個(gè)比較平滑合理的值。

圖1 兩種情況下地震基巖反應(yīng)譜比較

2 人工合成時(shí)程

人工合成時(shí)程方法比較多，但目前由于天然地震波比較少，而且分布也不均勻，一般在地震安全性評(píng)價(jià)工作中普遍使用三角級(jí)數(shù)擬合法［3］，該方法能夠簡(jiǎn)潔方便的求取任一反應(yīng)譜的時(shí)程曲線，但由于該方法沒(méi)有考慮地震波的方位角(隨機(jī)給出)，所以對(duì)應(yīng)一個(gè)反應(yīng)譜，能擬合出無(wú)數(shù)個(gè)人工時(shí)程，這些時(shí)程在土層反應(yīng)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出明顯的不同。即使地震安評(píng)規(guī)范中要求人工時(shí)程不少于3條，但根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，我們要合成盡量多的時(shí)程曲線(一般至少50條)，歸準(zhǔn)反應(yīng)譜時(shí)要綜合考慮人工合成時(shí)程帶來(lái)的誤差。

另外，在時(shí)程合成時(shí)一定要給出適合當(dāng)?shù)氐卣瓠h(huán)境的擬合參數(shù)。對(duì)于弱震區(qū)，由于主要是受遠(yuǎn)震的影響，所以擬合中上升段的截止時(shí)間應(yīng)該稍微大一些;對(duì)于強(qiáng)震區(qū)，上升段截止時(shí)間應(yīng)該稍微小點(diǎn)。

3 場(chǎng)地地震工程條件勘測(cè)

3.1 鉆孔數(shù)量應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況確定

地震安全性評(píng)價(jià)工作不僅考慮了場(chǎng)地周邊的地震環(huán)境，還要對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行勘測(cè)，為進(jìn)行地震土層反應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)規(guī)范要求，一個(gè)場(chǎng)地鉆孔數(shù)不能少于兩個(gè)，以致目前大部分工程都是直接打兩個(gè)孔，然后進(jìn)行土層反應(yīng)計(jì)算。這樣做是非常不科學(xué)的，場(chǎng)地地震工程條件勘測(cè)的目的是探測(cè)場(chǎng)地下土層的變化情況，如果場(chǎng)地下土層變化非常平緩，用兩個(gè)鉆孔基本就能反映場(chǎng)地的地下情況;如果場(chǎng)地地形變化很大，那么兩個(gè)孔肯定不能反映所有地下情況，應(yīng)該打盡量多的鉆孔來(lái)控制場(chǎng)地地層，從而更能合理的建立地震反應(yīng)計(jì)算模型。

3.2 土動(dòng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)使用更合理的擬合公式

對(duì)土體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的描述，工程界普遍使用剪切模量比和阻尼比與剪切應(yīng)變的關(guān)系。試驗(yàn)研究表明，飽和軟土的動(dòng)剪切模量(G)與動(dòng)剪應(yīng)變(γ)基本符合雙曲線關(guān)系，Hardin等提出了預(yù)測(cè)動(dòng)剪切模量與動(dòng)剪應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，稱之為Hardin-Drnevich模型，隨后Martin等提出了采用3個(gè)參數(shù)A，B，γ0擬合G/Gmax—γ曲線的方法，該模型稱為Davidenkov模型。土的阻尼比隨剪應(yīng)變變化的規(guī)律比較復(fù)雜，工程上通常根據(jù)試驗(yàn)的阻尼比結(jié)果采用如式(1)所示的經(jīng)驗(yàn)公式。

其中，n為阻尼比曲線的形狀系數(shù);Dmax為土的最大阻尼比。

陳國(guó)興等［4，5］通過(guò)對(duì)江蘇長(zhǎng)江以南地區(qū)大量土體試驗(yàn)結(jié)果的研究，對(duì)Davidenkov模型進(jìn)行了修正，對(duì)于土體阻尼比與應(yīng)力關(guān)系建議采用如式(2)所示的經(jīng)驗(yàn)公式。榮棉水等［6］使用陳國(guó)興改進(jìn)的土動(dòng)力參數(shù)模型對(duì)海域軟土進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)上述模型能更好的擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

其中，n和D0均為土體的擬合參數(shù);Dmin為與土體初始動(dòng)剪切模量Gmax相對(duì)應(yīng)的土的最小阻尼比，它與土的性質(zhì)、固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。

在土動(dòng)力實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用上述擬合公式，不僅能更好的反映土的動(dòng)力學(xué)特性，還會(huì)在計(jì)算土層反應(yīng)時(shí)得到更合理的計(jì)算結(jié)果。

4 土層反應(yīng)分析

在確定土層場(chǎng)地地表及其以下不同土層層位處設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的程序時(shí)大多采用等效線性化方法［2］。等效線性化方法作為一種權(quán)宜方法在工程中獲得廣泛應(yīng)用，尤其在中國(guó)，這一方法幾乎是唯一的選擇。大量實(shí)踐證明，在大震作用時(shí)，地震安全性評(píng)價(jià)中普遍使用的等效線性化方法計(jì)算土層反應(yīng)程序不再適用。特別是近年來(lái)，探討軟弱土工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)的相關(guān)技術(shù)和方法成為當(dāng)今和未來(lái)地震學(xué)和工程地震應(yīng)用研究中非常重要的課題［1］。考慮到等效線性化方法只能粗略地估計(jì)土體的非線性影響，對(duì)于土體反應(yīng)將進(jìn)入大非線性范圍及對(duì)土體非線性物理過(guò)程較為關(guān)心的情況，等效線性化方法的應(yīng)用受到較大的限制［3］，因此針對(duì)強(qiáng)震區(qū)的工程場(chǎng)地，在計(jì)算大震的土層反應(yīng)時(shí)不能使用等效線性化方法，可以使用直接時(shí)域積分方法［8］等。

5 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)是地震安全性評(píng)價(jià)工程最重要的一步，也是提供給設(shè)計(jì)單位唯一的一組數(shù)據(jù)，地震動(dòng)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)成了最關(guān)鍵的一項(xiàng)工作。

大多數(shù)人直接根據(jù)ese程序計(jì)算的峰值加速度作為場(chǎng)地的峰值加速度，然后根據(jù)實(shí)際反應(yīng)譜曲線進(jìn)行歸準(zhǔn)，得出反應(yīng)譜的放大系數(shù)。為了歸準(zhǔn)反應(yīng)譜，一般會(huì)把放大系數(shù)任意的放大或者縮小以達(dá)到與反應(yīng)譜曲線適合的目的。這明顯是不合理的，放大系數(shù)一般是一個(gè)工程定量，盡量不要去改變，我們應(yīng)該先在反應(yīng)譜曲線的合適位置畫(huà)出平臺(tái)值，然后根據(jù)放大系數(shù)來(lái)求峰值加速度值。

致謝:感謝中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所榮棉水副研究員對(duì)本次工作的技術(shù)支持;感謝防災(zāi)科技學(xué)院張鶴翔副教授為這次工作搜集了大量基礎(chǔ)資料。

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［3］胡聿賢.地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)教程［M］.北京:地震出版社，1999:363-364.

［4］陳國(guó)興，劉雪珠.江蘇長(zhǎng)江以南地區(qū)新近沉積土動(dòng)剪切試驗(yàn)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(4):745-750.

［5］陳國(guó)興，劉雪珠.南京新近沉積土動(dòng)剪切模量比與阻尼比的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(8):1023-1027.

［6］榮棉水，李紅光.Davidenkov模型對(duì)海域軟土的適用性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35(S2):596-598.

［7］盧 滔，周正華，霍敬妍.土層非線性地震反應(yīng)一維時(shí)域分析［J］.巖土力學(xué)，2008，29(8):2170-2176.

［8］榮棉水.對(duì)含厚軟表層海域工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的一點(diǎn)建議［J］.地震學(xué)報(bào)，2013，35(2):1-10.