太原地區(qū)反應(yīng)譜放大系數(shù)的統(tǒng)計分析★

董 斌 韓曉飛 史雙雙

(山西省地震災(zāi)害研究所，山西 太原 030002)

0 引言

反應(yīng)譜理論的提出，是地震工程學(xué)發(fā)展的重要理論之一，在抗震設(shè)計中廣泛采用，是確定地震動輸入的重要依據(jù)。反應(yīng)譜是指在地震加速度作用下，單質(zhì)點體系隨質(zhì)點自振周期變化的曲線，以計算在地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。在地震工程領(lǐng)域，常采用加速度反應(yīng)譜計算結(jié)構(gòu)的地震作用[1]。標(biāo)準(zhǔn)化的抗震設(shè)計反應(yīng)譜由反應(yīng)譜平臺值、反應(yīng)譜放大系數(shù)、特征周期等幾個重要參數(shù)確定，合理地確定反應(yīng)譜特征值才能夠真實表達地震動的特性。目前，反應(yīng)譜放大系數(shù)的研究較少，本文將結(jié)合收集到的2016年12月18日清徐地震強震動記錄對太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)進行統(tǒng)計分析。

1 標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜的形式

每條地震記錄都可以計算反應(yīng)譜，但同一個結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜之間數(shù)值變化大，形狀各異，不利于實際使用。為此，除專門規(guī)定外，將阻尼比統(tǒng)一為0.05，取相同場地條件下的地震加速度記錄，經(jīng)過統(tǒng)計平均、平滑處理、簡化曲線得到的即標(biāo)準(zhǔn)化的反應(yīng)譜曲線[2](見圖1)。反映譜應(yīng)反映一般的變化規(guī)律，且方便實際使用。

反應(yīng)譜的幾個重要參數(shù)：1)T0：直線上升與平臺段交接的第一拐點周期，隨場地土層結(jié)構(gòu)略有變化，大多數(shù)取0.1 s，也有一些設(shè)計規(guī)范直接取0；2)Tg：特征周期，即平臺段與下降段交接點對應(yīng)的周期，反應(yīng)場地對長周期地震動的放大作用，與場地類別密切相關(guān)；3)βmax：平臺的高度值，即反應(yīng)譜放大倍數(shù)，隨地震動變化，一般在2.0～3.0之間，取值受經(jīng)濟實力影響；4)γ：下降段衰減指數(shù)，一般由實際統(tǒng)計結(jié)果而來，根據(jù)不同的規(guī)范一般取值在0.9～1.0之間;有些反應(yīng)譜把下降段分為兩段，兩段的衰減指數(shù)取值各不相同；5)Tm：根據(jù)結(jié)構(gòu)對象而定，工作中一般取6.0 s，但對于大跨度橋梁、超高層建筑等是不夠的，需做專門研究[2]。

2 反應(yīng)譜放大系數(shù)

反應(yīng)譜的使用和發(fā)展在我國已有多年的歷史，隨著科技和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，已經(jīng)過多次的重大修改。自1959年第一部抗震規(guī)范草案的出現(xiàn)，已歷經(jīng)近60年的歷程。59版規(guī)范的出現(xiàn)以滿足建國初期的基本建設(shè)要求。1964年是我國自行編制的第一部抗震規(guī)范，首次提出四類場地的說法，并規(guī)定了放大系數(shù)βmax=3。1974年版抗震規(guī)范是我國正式發(fā)布的第一個抗震規(guī)范，其中正式提出了基巖、一般土、松軟土和異常松軟土四類場地的說法，奠定了現(xiàn)今抗震設(shè)計規(guī)范的堅實基礎(chǔ)，并開始采用地震影響系數(shù)α，取βmax為2.25。這次βmax值的規(guī)定一直到今天仍在許多建筑行業(yè)規(guī)范中使用。1978年抗震規(guī)范只是在經(jīng)歷了唐山地震后，由于基礎(chǔ)設(shè)施破壞嚴(yán)重，把74年版的降低基本烈度使用改為按基本烈度使用。1989年，在結(jié)合多次震害經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，考慮場地土層結(jié)構(gòu)和土層厚度，發(fā)布了新的抗震規(guī)范，加強了地震作用對場地的影響，并規(guī)定了βmax要在反應(yīng)譜中有所體現(xiàn)。進入2000年后，在2001年和2010年，對抗震規(guī)范分別做出了修改，將場地類別、反應(yīng)譜適用范圍和長周期段等多處結(jié)合實際應(yīng)用進行了補充完善，但放大系數(shù)βmax與74年版保持一致，仍然取值為2.25。

3 地震記錄資料

2016年12月18日在太原市清徐發(fā)生4.3級地震，震中位于N37.59°，E112.48°，震源深度5 km，震中烈度5度。本次地震有15個臺站記錄到強震動記錄，通過對比分析，選取臺站附近有場地鉆孔資料且位于不同場地條件的6個臺站獲得的強震動記錄進行統(tǒng)計分析，其中晉祠臺為Ⅰ類場地，交城臺為Ⅱ類場地，其他臺站為Ⅲ類場地，無Ⅳ類場地臺站。

4 反應(yīng)譜放大系數(shù)統(tǒng)計分析

如前所述，目前很多實際使用的βmax值仍為2.25，自1974年抗震規(guī)范發(fā)布以來一直沿用至今。經(jīng)過半個多世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進步、國民經(jīng)濟的發(fā)展和對地震的不斷探索發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過十·五,十一·五,十二·五地震臺站的建設(shè)和強震資料的不斷增多，為研究反應(yīng)譜放大系數(shù)提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在最新發(fā)布的《中國地震帶參數(shù)區(qū)劃圖》中，反應(yīng)譜放大系數(shù)的分布主要集中在2.5附近，即放大系數(shù)βmax取值應(yīng)為2.5[3]。結(jié)合收集到的2016年太原市清徐地震強震記錄資料和臺站附近場地鉆孔資料[4]，本文將生成的加速度譜轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，依照場地類別和震中距對太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)βmax進行統(tǒng)計分析，見表1，圖2，圖3。

表1 βmax統(tǒng)計結(jié)果

通過以上統(tǒng)計結(jié)果可見：1)由臺站地震記錄生成的反應(yīng)譜離散性較大，放大系數(shù)βmax介于2.1～3.3之間，而由鉆孔生成的反應(yīng)譜離散性較好，放大系數(shù)βmax優(yōu)勢范圍均分布于圖中所畫出的2.5附近；2)結(jié)合場地類別來看，兩圖中四個Ⅲ類場地小店、太鋼、清徐和太谷圖形一致，擬合較好，且反應(yīng)譜最大值對應(yīng)時間基本一致；3)從震中距方面，雖然本次地震事件較小，收集到的強震資料有限，對比兩圖發(fā)現(xiàn)，震中距仍對反應(yīng)譜平臺產(chǎn)生較大影響。距離相近的小店和清徐兩點無論是由反應(yīng)譜還是鉆孔生成的反應(yīng)譜圖形都高度相似，而距離最近的晉祠和距離最遠的太鋼兩者的圖形則相差較大；4)由長周期段來看，反應(yīng)譜最大值都能較好地與場地類別對應(yīng)，在反應(yīng)譜下降段，兩者都趨勢一致，擬合較好。但由于實際工作中鉆孔計算所采用的覆蓋層厚度與觀測臺站的土層埋深相差較大，圖2中的中長周期段下降更快。

5 結(jié)語

本文結(jié)合2016年清徐4.3級地震收集到的強震動記錄資料和場地條件為基礎(chǔ)，從場地類別和震中距統(tǒng)計分析了太原盆地內(nèi)太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)的規(guī)律。統(tǒng)計結(jié)果顯示相對于由鉆孔生成的反應(yīng)譜，由地震記錄生成的反應(yīng)譜個別場地上的反應(yīng)譜放大系數(shù)離散性偏大，優(yōu)勢分布范圍也偏大，但平均特性表現(xiàn)較好，與整體趨勢保持一致。在此研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工作與前人的研究，建議太原地區(qū)的反應(yīng)譜放大系數(shù)值為2.5。由于本文僅采用清徐地震強震動記錄反應(yīng)譜進行分析，地震強度小、記錄數(shù)量分布不均勻，因此關(guān)于反應(yīng)譜放大系數(shù)的特性研究有待隨著資料的積累進一步分析。本文研究結(jié)果既適用于太原市的一般建設(shè)工程項目的抗震設(shè)防要求工作，也可為今后的城市活斷層探測、地震小區(qū)劃、震害預(yù)測等工作提供場地地震影響方面的基礎(chǔ)性參考。