設計地震動參數中的幾個問題探討★

李紅光

(中國地震應急搜救中心，北京 100049)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的發展，城市建設和交通建設工程越來越多，建設場地條件也越來越不利，尤其是汶川地震以后，隨著人們對地震災害認識的提高，建筑物(構筑物)的抗震設計越來越重要。防震減災法中也明確規定:重要建筑物的選址、設計過程中，必須進行地震安全性評價工作。地方防震減災法里對地震安全性評價的建筑進行了明確規定，很多地區已經把設計地震動參數納入建設審批程序。

地震安全性評價是一項技術含量非常高的科學工程，很多技術手段還處于快速發展階段，而且在設計地震動參數過程中還存在很多問題，比如潛源劃分、時程擬合、土層地震反應等問題［1，2］。本文主要介紹作者多年來在地震安全性評價工作中遇到的問題和總結的經驗，從理論計算和實例方面進行討論，為從事地震安全性評價工作的技術人員提供參考。

1 地震危險性分析

目前在一般建筑場地的地震安全性評價工程中使用的地震危險性分析方法都是采用概率方法［3］，這個方法也是國家區劃圖中使用的方法。地震局推薦的計算軟件是中國地震局地球物理研究所研制的ese程序，該程序使用的計算方法已經很成熟，被大部分地震安全性評價單位使用。用該程序計算基巖某超越概率下地震動參數時，往往得到的基巖反應譜不平滑，某些點會出現鋸齒狀條紋，這很明顯與實際情況不符。這是由于在計算某一超越概率下的地震動參數時，只能靠“試射法”，ese程序要求提供10個加速度值，計算這10個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程序計算時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某弱震區進行地震危險性分析，圖1是計算得到基巖反應譜值，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較小，而2 s后峰值加速度不變，這與實際嚴重不符，對建筑設防非常不利。我們建議應該根據實際經驗來調節這10個加速度值，首先要估計所要計算的加速度值，然后估算一個可能區間，最后在這個估計區間中盡量平均的取10個值，最后通過試算來找一個比較平滑合理的值。

圖1 兩種情況下地震基巖反應譜比較

2 人工合成時程

人工合成時程方法比較多，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價工作中普遍使用三角級數擬合法［3］，該方法能夠簡潔方便的求取任一反應譜的時程曲線，但由于該方法沒有考慮地震波的方位角(隨機給出)，所以對應一個反應譜，能擬合出無數個人工時程，這些時程在土層反應時會表現出明顯的不同。即使地震安評規范中要求人工時程不少于3條，但根據我們的經驗，我們要合成盡量多的時程曲線(一般至少50條)，歸準反應譜時要綜合考慮人工合成時程帶來的誤差。

另外，在時程合成時一定要給出適合當地地震環境的擬合參數。對于弱震區，由于主要是受遠震的影響，所以擬合中上升段的截止時間應該稍微大一些;對于強震區，上升段截止時間應該稍微小點。

3 場地地震工程條件勘測

3.1 鉆孔數量應根據場地實際情況確定

地震安全性評價工作不僅考慮了場地周邊的地震環境，還要對工程場地進行勘測，為進行地震土層反應提供基礎數據。根據規范要求，一個場地鉆孔數不能少于兩個，以致目前大部分工程都是直接打兩個孔，然后進行土層反應計算。這樣做是非常不科學的，場地地震工程條件勘測的目的是探測場地下土層的變化情況，如果場地下土層變化非常平緩，用兩個鉆孔基本就能反映場地的地下情況;如果場地地形變化很大，那么兩個孔肯定不能反映所有地下情況，應該打盡量多的鉆孔來控制場地地層，從而更能合理的建立地震反應計算模型。

3.2 土動力實驗結果應使用更合理的擬合公式

對土體動力學參數的描述，工程界普遍使用剪切模量比和阻尼比與剪切應變的關系。試驗研究表明，飽和軟土的動剪切模量(G)與動剪應變(γ)基本符合雙曲線關系，Hardin等提出了預測動剪切模量與動剪應變的經驗關系，稱之為Hardin-Drnevich模型，隨后Martin等提出了采用3個參數A，B，γ0擬合G/Gmax—γ曲線的方法，該模型稱為Davidenkov模型。土的阻尼比隨剪應變變化的規律比較復雜，工程上通常根據試驗的阻尼比結果采用如式(1)所示的經驗公式。

其中，n為阻尼比曲線的形狀系數;Dmax為土的最大阻尼比。

陳國興等［4，5］通過對江蘇長江以南地區大量土體試驗結果的研究，對Davidenkov模型進行了修正，對于土體阻尼比與應力關系建議采用如式(2)所示的經驗公式。榮棉水等［6］使用陳國興改進的土動力參數模型對海域軟土進行了擬合，發現上述模型能更好的擬合實驗數據。

其中，n和D0均為土體的擬合參數;Dmin為與土體初始動剪切模量Gmax相對應的土的最小阻尼比，它與土的性質、固結狀態有關。

在土動力實驗時，使用上述擬合公式，不僅能更好的反映土的動力學特性，還會在計算土層反應時得到更合理的計算結果。

4 土層反應分析

在確定土層場地地表及其以下不同土層層位處設計地震動參數的程序時大多采用等效線性化方法［2］。等效線性化方法作為一種權宜方法在工程中獲得廣泛應用，尤其在中國，這一方法幾乎是唯一的選擇。大量實踐證明，在大震作用時，地震安全性評價中普遍使用的等效線性化方法計算土層反應程序不再適用。特別是近年來，探討軟弱土工程場地地震安全性評價的相關技術和方法成為當今和未來地震學和工程地震應用研究中非常重要的課題［1］?？紤]到等效線性化方法只能粗略地估計土體的非線性影響，對于土體反應將進入大非線性范圍及對土體非線性物理過程較為關心的情況，等效線性化方法的應用受到較大的限制［3］，因此針對強震區的工程場地，在計算大震的土層反應時不能使用等效線性化方法，可以使用直接時域積分方法［8］等。

5 設計參數的確定

設計地震動參數是地震安全性評價工程最重要的一步，也是提供給設計單位唯一的一組數據，地震動參數的合理設計成了最關鍵的一項工作。

大多數人直接根據ese程序計算的峰值加速度作為場地的峰值加速度，然后根據實際反應譜曲線進行歸準，得出反應譜的放大系數。為了歸準反應譜，一般會把放大系數任意的放大或者縮小以達到與反應譜曲線適合的目的。這明顯是不合理的，放大系數一般是一個工程定量，盡量不要去改變，我們應該先在反應譜曲線的合適位置畫出平臺值，然后根據放大系數來求峰值加速度值。

致謝:感謝中國地震局地殼應力研究所榮棉水副研究員對本次工作的技術支持;感謝防災科技學院張鶴翔副教授為這次工作搜集了大量基礎資料。

［1］李小軍.海域工程場地地震安全性評價的特殊問題［J］.震災防御技術，2006，1(2):97-104.

［2］廖振鵬，李小軍.地表土層地震反應的等效線性化解法［M］.北京:地震出版社，1989:141-153.

［3］胡聿賢.地震安全性評價技術教程［M］.北京:地震出版社，1999:363-364.

［4］陳國興，劉雪珠.江蘇長江以南地區新近沉積土動剪切試驗研究［J］.地下空間與工程學報，2007，3(4):745-750.

［5］陳國興，劉雪珠.南京新近沉積土動剪切模量比與阻尼比的試驗研究［J］.巖土工程學報，2006，28(8):1023-1027.

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

［7］盧 滔，周正華，霍敬妍.土層非線性地震反應一維時域分析［J］.巖土力學，2008，29(8):2170-2176.

［8］榮棉水.對含厚軟表層海域工程場地設計地震動參數的一點建議［J］.地震學報，2013，35(2):1-10.