遠場長周期地震動選取及界定

趙 藝 于建杰

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

遠場長周期地震動(Far-field and Long-term Earthquake)具有持續(xù)時間長、強度低、位移較大的特點，表現(xiàn)出明顯的長周期特性[1-3]。東京時間2011年3月11日下午2點46分，發(fā)生的M9.0級東日本地震就包含大量具有明顯遠場特性且數(shù)量充足的地震動。

本文基于日本防災科技研究所(NIED)公布的臺站強震記錄，進行了遠場地震動特性研究。其中分析的97組數(shù)據(jù)來源于K-NET，是隸屬于NIED的強震觀測臺網(wǎng)，也是日本最主要的全國性強震觀測臺網(wǎng)之一[1,2]。

目前國內(nèi)外對長周期近遠場地震動概念的界定還不明確，本文擬采用FEMA P695中提出的標準，震中距大于10 km的定義為遠場地震動，小于10 km的為近場地震動[3]。

李雪紅等[4]通過采取β譜曲線平滑段(2 s～10 s)的譜值計算出周期的平方加權值βL，以此參數(shù)來界定長周期地震動，本文利用東日本地震動的部分數(shù)據(jù)驗證了該方法的合理性。

1 地震動選取方法

1.1 基于設計反應譜的規(guī)范法

我們把設計反應譜曲線α—T作為設計的依據(jù)。其中縱坐標代表地震影響系數(shù),含義為單質(zhì)點在相對重力加速度下的絕對最大加速度,用來代替Sa/g;橫坐標指的是結構體系的自振周期，二者構成設計反應譜[5]。

王亞勇[6]提出，選取的地震波應與設計反應譜在統(tǒng)計意義上相一致，比如相應的反應譜的特征以及地震波的數(shù)量。大量的研究結果表明，按雙指標選波較為合理，包括結構第一周期T1和地震加速度記錄反應譜特征周期Tg，在工程上實用性較好。

1.2 基于臺站與地震信息的選取方法

本文采取的是第二種方法,適于研究不同結構類型和不同動力特性建筑結構的抗震性能?；谠摲椒ㄟx擇地震波時，PGA>0.2g，PGV>15 cm/s。日本311東北地震，數(shù)據(jù)記錄于NIED的兩個強震臺網(wǎng)——K-NET，KIK-NET，前者記錄地表加速度，每個臺站記錄至少包含2個水平分量和1個豎向分量；后者記錄地表及地表以下的基巖的強震加速度記錄，每個臺站包括了地表和地底兩個測點，每個測點又包含了2個水平分量和1個豎向分量，共6條記錄。本文選取K-NET強震臺網(wǎng)中的97組地震動進行分析。

2 地震動分類標準

2.1 近遠場劃分

一般將長周期地震動分為兩類，一種是近斷層脈沖型地震動，另一種是遠場類諧波地震動。目前國內(nèi)外一般用震中距作為區(qū)分遠近場的依據(jù)。FEMA P695附錄A的A.7節(jié)中提出，可將震中距大于10 km的地震動定義為遠場地震動。徐龍軍[7]將斷層距范圍為40 km～100 km的地震動定義為遠場地類諧和地震動。方小丹等[8]提出，遠場地震動的篩選原則為50 km～80 km。本文以FEMA的定義為準，震中距大于10 km的為遠場地震動。97組地震動震中距范圍為121 km～646 km,根據(jù)此標準，均為遠場地震動[1]。

2.2 場地類別劃分

我國的場地分類標準需要將土的上部覆蓋層厚度考慮在內(nèi)，相應的場地地質(zhì)資料的缺乏，給分組地震動帶來了困難[9]。美國學者Lee[10]根據(jù)Vs30(30 m土層平均剪切波速)進行分類?？紤]到實用性，位于堅硬巖石上的建筑結構比較少，且軟弱土層上建筑結構的地震響應與土耦合作用密切相關。因此，對于一般結構的抗震性能以及不考慮結構—土耦合作用的研究中，宜排除堅硬場地和軟弱土層上的地震記錄，即Vs30(m/s)取值范圍定為[200，500]。當200 m/s

3 長周期地震動界定方法

3.1 長周期地震動定義及界定公式

長周期地震動，是低頻成分比較豐富，加速度峰值比較小，卓越周期比較長的地震動。β譜曲線2 s～10 s時間段對應的譜值較平滑，即采用該時間段周期的平方加權平均值βL作為長周期地震動的界定參數(shù)。本文擬采用此方法作為篩選東日本地震中長周期地震動的方法。

長周期地震動界定公式為：

式中：Ti——阻尼比為5%時加速度反應譜等間距離散周期，取值范圍為[2,10]；

Sa(Ti)——Ti對應的加速度反應譜值；

PGA——加速度峰值。

在β譜曲線這一方面，常規(guī)地震動和長周期地震動差異較大，可以取曲線平滑段進行分析，βL>0.4及0.2≤βL≤0.4時分別為長周期和中長周期地震動。

3.2 計算東日本地震動βL

通過公式對K-NET強震臺網(wǎng)中97組地震動進行篩選，選出長周期與中長周期地震動如表1所示。

在通過對地震放大系數(shù)β譜的分析，從圖1a)～圖1f)可以看出，β譜在2 s～10 s內(nèi)下降比較緩慢，數(shù)值之間差異不明顯，因此Ti的取值范圍定為[2,10]是合理的。

表1 東日本地震動βL值

4 結語

1)利用臺站法選取地震動簡便，易操作，但局限性強，因此與基于規(guī)范的設計反應譜法綜合選取方法值得研究者進一步考察。2)李雪紅用于界定長周期的方法得到進一步的驗證，也可用于其他遠場地震動的計算與分析。3)場地類別分類問題宜具體問題具體分析，還需要進行后續(xù)的工作。

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