強震動臺站周邊地面建筑物對觀測結果的影響分析1

李小軍 常安鵬 劉培玄

1）北京工業大學，建筑工程學院，北京 100124

2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

3）中國地震局發展研究中心，北京 100036

引言

強震動觀測通過儀器設備在地震過程中測量和記錄場地地面運動以及工程結構地震反應的信息，是人們開展地震災害防御研究和獲取地震影響相關基礎數據的主要手段。借助于觀測記錄資料研究地震地面運動及工程結構的反應和破損特點與規律，為認識地震過程及進行工程抗震設防與減災提供依據（李小軍，2015）。21世紀初，在“十五”項目的大力推動與支持下，中國強震動觀測臺網的建設取得了很大程度的發展，建立并形成了覆蓋大陸地區的國家數字強震動臺網（Li等，2008a，2008b；盧大偉等，2010）。目前，雖然中國強震動臺網在密度和廣度上依然遠遠不夠，強震動臺網的建設仍有待進一步加強，但已有的強震動觀測系統獲取了大量的地震動記錄，特別是在2008年汶川M8.0地震時，獲得主震記錄約1400條、余震記錄超過20000條，此次大范圍臺站記錄豐富了世界強震動記錄資料庫，填補了特大地震近斷層強震動記錄的空白，引起了世界關注（李小軍，2015）。

強震動觀測臺站（陣）主要包括場地地震動觀測臺站（陣）和工程結構地震反應觀測臺站（陣）（盧大偉等，2010；周寶峰等，2017），而其中的自由場地強震動臺站是最基本的強震動觀測臺站，其建設的目的是記錄并以此研究可能引起工程結構破壞和生命財產損失的場地上的強烈地震動及其特性。自由場地強震動觀測需要獲取排除自然地形地貌等場地環境和工程結構影響的場地（即自由場地）地震動。然而，為了獲取對工程建設有實際意義的場地地震動，并作為工程結構抗震分析的地震動輸入，這些臺站往往會布設在人口密集的城市地區和重大工程附近的典型場地上。因此，在地震中自由場地臺站所記錄到的地震動很難是所定義的自由場地地震動，而是一定程度上受到了臺站周邊場地環境和工程結構地震反應影響的地震動。

實際影響強震動觀測記錄的不只是臺站周邊的場地環境和工程結構，還有臺站本身的觀測室和儀器墩。臺站本身的觀測室和儀器墩對觀測地震動記錄的影響一直受到人們的關注，且針對其開展了相關的研究并給出其影響特征和規律的研究成果（Crouse等，1984，1989；周正華等，2010；盧大偉，2017；于海英等，2017），而臺站周邊場地環境和工程結構對觀測地震動記錄影響的研究相對缺乏，更沒有獲得規律性和定量的認識。然而，一些相關的研究也給予了我們一些啟示，如研究列車運行振動導致的周圍場地的振動問題，特別是探討這些振動的衰減特性（王玉石等，2014）。臺站周邊工程結構對觀測地震動記錄的影響，實質上是由于地震導致的結構反應，而結構反應本身成為振動源，這一振動源將產生向周邊輻射的波動。從這一角度來看，地震過程中建筑結構對周邊場地，特別是對強震動觀測臺站場地的影響問題就類似于列車運行導致鐵路路基振動的周邊場地振動問題。

為了探討臺站周邊工程結構的存在對觀測地震動記錄的影響，本文采用有限元分析軟件ABAQUS，針對強震動觀測臺站周邊的地面建筑對觀測地震動記錄的影響進行數值模擬，具體針對不同的臺站場地土層條件，分析觀測臺站與周邊建筑之間的距離及建筑物高度等因素的影響，揭示不同臺站場地土層條件下，臺站周邊建筑對觀測地震動記錄影響的特征和規律，為強震動觀測臺站選址條件的確定提供依據。

1 場地和結構模型及計算方法簡介

采用有限元分析軟件ABAQUS完成結構的整體建模。由于建立和分析復雜的框架結構時，ABAQUS前處理平臺操作較為繁瑣、耗時費力，本文首先利用軟件SAP2000輔助建模，簡化建模過程，提高建模效率。考慮到研究關注的是結構地震反應對周邊場地地震動的影響，為了重點突出建筑高度和場地土波速2個因素的影響分析，計算分析中將不考慮場地-結構體系的非線性效應，但考慮體系的阻尼效應并采用瑞利阻尼形式考慮。

1.1 結構模型

結構模型為平面4×5跨的鋼筋混凝土框架結構，柱間尺寸為6m。模型中的梁、柱均默認采用型號為C30的混凝土，框架結構模型其它信息參數見表1。對鋼筋混凝土框架結構，利用SAP2000建立模型框架并利用轉化程序轉換為ABAQUS可分析的有限元模型，如圖1所示。計算分析中將鋼筋混凝土框架模型的梁、柱簡化為均質的桿單元。

表1 框架結構模型參數Table 1 Parameters of frame structure model

1.2 場地模型及計算人工邊界

將場地考慮為均勻彈性半空間，設置計算人工邊界后的場地計算模型尺寸取為180m×180m×21m，場地土的剪切波速、泊松比、密度等參數的取值見表2。無限半空間的有限化處理中，邊界條件采用黏彈性人工邊界（尹侯權，2015；王利濤，2017），采用有限元結合黏彈性人工邊界來建立場地計算模型，混凝土框架模型與土體之間采用綁定約束。場地模型單元劃分如圖1所示。

表2 場地模型參數Table 2 Parameters of site model

圖1 場地和結構整體有限元模型Fig.1 The finite element model of the site and structure

1.3 輸入地震動的選取及觀測點的設置

在計算分析中采用地震波垂直輸入模式，即考慮地震波垂直底人工邊界傳播進入計算場地區域，但僅考慮平行于結構1個軸線方向地震動的輸入。計算基底（人工邊界的底邊界）的輸入地震動選用2條不同頻譜特性的強震動記錄：①1940年5月18日美國帝王谷（Imperial Valley）地震中El Centro臺站強震動記錄的南北方向分量（通常稱為El Centro記錄），其峰值加速度為3.42m/s2、時程和加速度反應譜曲線如圖2（a）、（b）所示；②2008年5月12日中國汶川地震中臥龍臺站強震動記錄的東西方向分量（以下簡稱臥龍記錄），實際記錄峰值加速度為9.57m/s2，本文計算中將其峰值加速度調整為與El Centro記錄的相同，即3.42m/s2，相應的時程和加速度反應譜曲線如圖2（c）、（d）所示。可以看到El Centro記錄和臥龍記錄在頻譜分布上有明顯的不同。

依據土體單元的網格劃分，計算分析中分別選用在距建筑結構基礎外輪廓最近距離6m、12m、18m、24m、30m、36m和48m處場地地表7個點作為考察場地地震動變化的觀測點。

圖2 加速度記錄時程及其加速度反應譜Fig.2 Acceleration time-histories and its corresponding spectral accelerations

2 整體模型及計算方法的可靠性驗證

為驗證計算模型和ABAQUS軟件計算的合理性與準確性，單獨建立無上部建筑結構的場地模型，即自由場地模型，將邊界條件利用FORTRAN程序編譯后導入ABAQUS（尹侯權，2015；王利濤，2017），進行分析計算。以El Centro記錄作為邊界地震動輸入，計算給出了場地7個觀測點處的地震動加速度反應譜結果，如圖3所示，相應的地震動峰值加速度介于0.336—0.341g之間。可以得到各觀測點的計算地震動的峰值加速度與計算底邊界輸入地震動峰值加速度的比值介于0.982—0.997之間，各觀測點結果的相對誤差小于1.8%。從圖3中進一步看到，各觀測點計算地震動加速度反應譜之間的差異也很小。以上計算結果表明，考慮黏彈性人工邊界后的半空間場地模型地面觀測點的計算地震動基本一致，說明邊界的設置對計算反應的影響很小，本文的計算模擬和采用的計算軟件具有較好的可靠性。另外，也能看到地面觀測點的計算地震動加速度反應譜與輸入地震動加速度反應譜有一定的差異，特別是高頻部分，這應該是由計算分析中考慮了場地土的阻尼效應所致。自由場地模型的這一計算結果也可作為后續考慮建筑結構模型影響分析中無建筑結構影響時觀測點地震動的參考值。

圖3 自由場地模型中不同觀測點處地震動加速度反應譜Fig.3 Spectral accelerations at different observation points in the free field site model

3 地面建筑物對場地地震動的影響

3.1 觀測點相對建筑物的位置變化對觀測結果的影響

分別將4個結構模型（模型1、2、3、4，見表1）與場地模型A（見表2）結合形成4個土-結構體系模型，記為模型1A、2A、3A、4A，以El Centro記錄和臥龍記錄作為邊界處平行于結構平面短軸方向的地震動輸入，進行土-結構體系地震反應模擬計算。圖4給出了El Centro記錄輸入情況下土-結構體系模型中7個觀測點處的地震動（人工邊界輸入地震動相應方向）加速度反應譜。為了更清楚地顯示各觀測點處地震動計算結果的差異，圖5分別給出了El Centro記錄輸入和臥龍記錄輸入情況下各觀測點計算結果與自由場地結果（即參考值）結果（即參考值）的相對誤差。

圖4 El Centro記錄輸入情況下不同模型中各觀測點處的地震動加速度反應譜Fig.4 Spectral accelerations of ground motions at observation points for different models under El Centro record input

圖5 不同結構模型中各觀測點處的地震動加速度反應譜相對誤差Fig.5 The relative errors of spectral accelerations of ground motions at observation points for different models

圖4和圖5表明，在地震動作用下建筑的存在對其附近場地的地震動有著不可忽視的影響；不同高度的建筑對距離建筑6m處的觀測點場地地震動影響的相對誤差最大值均達到20%左右，在距離建筑12m處的觀測點建筑對場地地震動影響的相對誤差最大值也均達到15%左右；不同頻譜特性的輸入地震動情況下建筑對場地地震動的影響規律基本相同。由此可見，在建筑物近距離處，強震動觀測的結果與實際結果存在嚴重的偏差，且受影響較大的是周期范圍0.1—1.0s的地震動成分，但相對而言對地震動的峰值加速度及較長周期地震動成分的影響較小。進一步還可以看到，隨著與建筑物距離的增加，建筑物對場地地震動的影響呈現出迅速減小的趨勢。

圖6給出了El Centro記錄輸入情況下，模型1A計算結果中峰值加速度PGA和幾個特定周期處的加速度反應譜值隨觀測點與建筑距離的變化關系。圖示結果進一步說明，觀測點與建筑的距離對地震動PGA和不同頻率成分的影響明顯不同，對中頻段（如周期0.3s、0.4s）的影響更為顯著，但隨距離的增加其影響程度變化較為復雜，并不是單調減小。總體來說，當距離超過36m后建筑物對場地地震動PGA和不同周期加速度反應譜影響的最大相對誤差均降到了5%附近或更小。其它建筑模型和臥龍記錄輸入情況下也獲得了相似計算結果，但臥龍記錄輸入情況下的影響相對更大，距離達到36m后建筑物對場地地震動加速度反應譜影響的最大相對誤差仍可以高達15%（圖8）。

圖6 PGA和加速度反應譜值隨觀測點離地面建筑物距離的變化Fig.6 Variation of PGA and spectral accelerations with the distance between structure and observation point

3.2 建筑物高度變化對觀測結果的影響

為了清晰地展示建筑物高度（即不同自振特性結構）變化對觀測結果的影響特征，分別選取距離建筑物6m、12m、24m和36m處的觀測點地震動加速度反應譜進行分析。臥龍記錄輸入情況下計算模型1A、2A、3A、4A的場地地震動加速度反應譜的對比結果見圖7，計算結果與自由場地結果（即參考值）的相對誤差見圖8。

從圖7、8可以看出，不同高度的建筑物即具有不同自振周期特性的建筑物，對附近場地地震動的影響特征基本相同，建筑物高度的變化并沒有明顯改變其影響較大的地震動周期范圍；當建筑物高度增加時，其影響程度有所增加但不顯著，但相對而言，較高建筑物的影響隨距離的增加衰減速度較慢，其影響的場地空間范圍將擴大。也就是說，對于觀測精度要求較高的情況，強震動臺站需避開高層建筑物的距離將大幅度增加。El Centro記錄輸入情況下獲得了與臥龍記錄輸入情況類似的結果。

3.3 場地土變化對強震動觀測結果的影響

對強震動觀測結果的影響因素除建筑物高度以及觀測點與建筑物之間的距離外，場地條件也是關鍵因素。為此，以結構模型3（表1），即10層框架建筑模型為基礎，分別與場地模型A、B、C、D（表2）結合形成4個土-結構體系模型，分別記為計算模型3A、3B、3C、3D，以El Centro記錄作為邊界輸入地震動，進行土-結構體系地震反應模擬計算并進行比較分析，探討不同場地條件下建筑物對強震動觀測影響程度的改變情況。不同計算模型下不同觀測點處場地地震動加速度反應譜相對誤差計算結果如圖9所示。

圖7 不同建筑物情況的場地地震動加速度反應譜Fig.7 Spectral accelerations of ground motions at different observation points for different buildings

圖8 不同建筑物情況的場地地震動加速度反應譜相對誤差Fig.8 The relative errors of spectral accelerations of ground motions at different observation points for different buildings

圖9 不同剪切波速場地情況下地震動加速度反應譜的相對誤差Fig.9 The relative errors of spectral accelerations of ground motions for the sites with different shear wave velocities

圖9所示的計算結果表明，隨著場地土剪切波速的增大，建筑物對附近場地地震動的影響程度呈現明顯減小的趨勢，即場地土越硬，強震動臺站周邊建筑物對觀測帶來的影響越小。從圖中還可以觀察到，對距建筑物24m處的觀測點，場地土剪切波速為180m/s和210m/s時，建筑物對觀測結果的影響最大值（對于不同周期范圍）均超過10%；而場地土剪切波速達到250m/s時，建筑物對觀測結果的影響最大值（對于不同周期范圍）將降至5%左右；場地土剪切波速達到400m/s時，建筑物對觀測結果的影響（對于不同周期范圍，除個別周期點外）均很小，且觀測點與建筑物的距離變化對其影響不大。

另一方面，隨著場地土剪切波速的增大，相對誤差的峰值出現點的周期值逐漸減小，即影響較大的頻率范圍與場地的卓越周期特性明顯相關。粗略而言，如果考慮建筑物的影響不大于5%的要求，對于場地土剪切波速較小（低至210m/s）的場地，可接受的強震動臺站避讓建筑物的距離應不小于40m；對于場地土剪切波速較大（高于250m/s）的場地，可接受的強震動臺站避讓建筑的距離應不小于25m。

4 結論

為探討強震動觀測臺站周圍環境對其觀測的影響，利用有限元數值模擬分析了觀測臺站附近建筑物對觀測臺站場地地震動的影響。在模擬分析中，考慮了不同高度的建筑物和不同的觀測臺站場地條件，具體計算分析了3、6、10、14層的框架結構建筑對觀測帶來的影響隨建筑物與觀測點之間距離變化的特點與規律，并基于4種不同土體剪切波速的場地，分析了觀測場地條件變化帶來的臺站附近建筑物對觀測影響特征的差異。得到了以下結果和認識：

（1）強震動臺站附近地面建筑物的存在對強震動觀測將產生顯著的影響，尤其是對于較軟場地上靠近建筑物的觀測點（如距離小于12m），建筑物對觀測點影響的相對誤差達到20%以上。這表明，強震動觀測點的布置應與附近建筑物保持足夠的距離，以避免觀測結果的嚴重失真。

（2）具有不同高度（自振周期特性）的建筑物對附近場地地震動的影響特征基本相同，建筑物高度的變化并沒有明顯改變其影響程度以及影響較大的地震動頻率范圍。但相對而言，較高建筑物的影響程度隨距離增加衰減速度較慢，其影響的場地空間范圍將擴大。一般情況下，強震動臺站建設避讓距離的確定可不考慮建筑物高度（自振周期特性）的影響，但對于觀測精度要求較高的強震動臺站，其避讓距離需考慮建筑物高度的影響而適當增大。

（3）隨著場地土層剪切波速的減小，建筑物對附近場地地震動的影響程度呈現明顯增大的趨勢。強震動臺站建設避讓距離應考慮場地條件的影響。

（4）考慮對觀測影響不大于5%的要求，對可接受的強震動臺站避讓建筑物的距離建議為：對于土層平均剪切波速較小（低至210m/s）的場地需不小于40m，對于土層平均剪切波速較大（高于250m/s）的場地需不小于25m。同時建議，如果要求的觀測精度較高，需進一步增加避讓距離，且應考慮對較高建筑物避讓更遠的距離。

本文計算分析中將場地考慮為彈性半空間這一極為簡化的模型，而實際場地豎向分層變化和橫向非均勻變化十分復雜，且土體在強震動下具有顯著的非線性，這肯定對分析結果存在復雜的影響。特別是得到的定量結果與本文考慮的特定結構和場地條件有密切關系，還需要開展更多的案例計算分析，驗證和完善這些定量結果。另外，本文主要考慮了建筑物高度（代表不同的結構自振特性）、臺站距離等的影響，建筑物的平面尺寸、地基埋深等因素可能會導致影響結果的改變。因此，本文研究結果只能視為定性和粗略的定量結果，希望給出的趨勢性結果可對強震動臺站建設選址有實際參考價值。