场地条件对抗震设计反应谱最大值的影响

郭 锋, 吴东明, 许国富, 伋雨林

(1.中南建筑设计院股份有限公司， 湖北 武汉 430071； 2.湖北省地球物理勘察技术研究院, 湖北 武汉 430056；3.华中科技大学 a.土木工程与力学学院， b.控制结构湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430074)

我国《建筑抗震设计规范GB50011-2001》2008版(以下简称“01抗震规范”)，通过对不同场地类别取用不同的特征周期Tg来考虑场地类别对地震作用的影响，仅在结构自振周期大于特征周期Tg时，才考虑场地类别对地震作用的影响；而在0.1～Tg段(即反应谱平台段)，则没有考虑场地类别对地震作用的影响。场地类别仅影响反应谱的宽窄，各类场地上，反应谱最大值均一样。

事实上，大量的震害表明，烈度相同、场地类型不同时，震害差别很大。但按01抗震规范进行抗震设计，所考虑的地震作用是一样的，这意味着，可能一些场地上的结构抗震设计偏大而导致浪费；而另一些场地上的结构抗震设计偏小而不安全。因此，探讨场地条件对抗震设计反应谱最大值的影响，研究适合于我国场地类别的设计反应谱最大值的场地系数，为抗震设计提供参考，具有重要的意义。

美国1997版NEHRP(National Earthquake Hazard Reduction Program)规范推荐，使用Fa和Fv两个场地系数，考虑场地条件对设计反应谱的影响[1]。当基岩地震动小于或等于0.1g时，Fa和Fv的数值主要是根据1985年墨西哥地震和1989年洛马普瑞埃塔地震及此前获取的强震记录统计分析得到，且Fa为相应类别场地与B类基岩场地在0.1～0.5 s范围内的加速度反应谱比平均值，Fv为相应类别场地与B类基岩场地在0.4～2.0 s范围内的加速度反应谱比平均值。而对于基岩输入地震动大于0.1g的情况，由于观测数据不足，是根据场地土层地震反应数值分析的结果归纳的[2]。场地系数Fa和Fv较好地反应了对地震动中场地效应的认识。

我国一些学者对此进行了研究，得出的结论不尽相同。薄景山[3]利用美国西部235条地震动记录，提取标准反应谱最大值，并按场地类别和地震动强度分组，计算同一分组内的反应谱最大值的平均值，发现同一地震动强度下，反应谱最大值的平均值没有明显变化。结论是，目前强震观测资料还不足以反映各种因素对反应谱的影响。李小军等[4]收集了近100个典型工程场地资料, 建立了与这些场地对应的计算模型, 并构造出几十个计算模型, 最后组成了188个一维成层土层场地计算模型。利用人工地震动时程合成方法，采用不同幅值的地震动输入，计算场地地表反应。结论是，不必考虑场地类别对加速度放大系数反应谱平台值βm的影响，但要考虑场地类别对地震动峰值加速度的影响。耿淑伟[2]选用470条有台站场地资料的美国西部强震记录，将这些台站场地按01抗震规范进行场地类别划分，并将强震记录按照震级(3档)、震中距(6档)、场地(3类)进行分组，计算每一条地震记录阻尼比为5%的反应谱，再拟合成标准化反应谱，提取有效峰值加速度EPA，统计各分组中EPA的平均值。结果发现EPA随场地条件的不同有明显变化的规律性，设计反应谱最大值应随场地条件调整，并以Ⅱ类场地为基准，将EPA分成7个区间，将Ⅰ、Ⅲ类各区间EPA除以Ⅱ类场地相对应区间的EPA，即得出了场地系数。由于数据有些离散，参照1997版NEHRP规范作了一些调整，给出了场地系数建议值。

上述研究中，一些是采用人工合成地震动，利用场地计算模型计算场地地表反应；另一些是利用美国西部强震记录来研究场地系数，且这些强震记录是地表的。两种研究方法存在的主要问题：(1)场地土十分复杂，用人工合成地震动和场地计算模型来研究场地系数，会使得场地系数变化反映的是计算模型表现出的规律性，没有强震观测数据直接反映的规律性可靠；(2)震中距相差10 km，震级相差0.5级，地表的地震动差别显然较大，将强震记录按照震级、震中距、场地进行分档分组的方法来研究场地系数，结论有待强震记录的检验。吕红山[5]指出研究场地对地震动(峰值加速度、反应谱)的影响，最直接的方法是建立井下台阵进行强震观测, 即在同一地点的地下不同深度设置强震仪, 通过比较地表土层与地下深处基岩的强震记录, 分析场地土对地震动的影响。这种方法综合考虑了震源机制、震级、震中距等因素，能更加全面反映地震动本身的特性。本文利用日本KIK-NET基岩强震观测台网地下基岩面和地上地表面的强震数据，研究场地条件对设计反应谱最大值的影响，并提出场地系数建议值。

1 数据来源

日本KIK-NET台网是基岩强震观测台网，1995年兵库地震后，日本防灾科学技术研究所(NIED)于1997年开始在全国建设KIK-NET台网，共建立约700个观测台站，台站的分布间距一般为20 km，并对这些台站的场地进行了详细勘察。该台网在每个台站的地表以及地下100～200 m处的基岩上分别设置一个强震仪，同时记录相同地点不同深度的三分量(E-W、N-S、U-D)地震动加速度数据[6]。本文从该台网数据库中选取了85个台站12次地震共242组(484条)水平向地震记录(每组含有地下基岩和地表2条地震波数据)，并根据台站场地资料，按照01抗震规范进行场地分类，数据的基本情况见表1。

表1 数据基本情况

注：括号中数字表示地震波条数。

2 场地条件对设计反应谱的影响

首先对每条地震波数据进行统一的基线校正，提取地下基岩处峰值加速度PGA，再计算每一条地震波阻尼比为5%的加速度反应谱。将地下基岩处峰值加速度PGA分为四个区间：小于0.05g, 0.05～0.13g, 0.13～0.18g,大于0.18g, 分别对应基岩输入地震动为0.05g, 0.10g, 0.15g, 0.20g。由于地下基岩处PGA大于0.25g的地震波较少，故地下基岩处PGA只分为四个区间。将各PGA区间对应的地表反应谱进行算术平均，即得到了各类别场地在不同基岩输入地震动情况下的地表平均反应谱曲线，见图1。

图1表现出较为明显的规律性：(1)在短周期段，Ⅱ类场地的反应谱值最大，表明Ⅱ类场地在短周期段的场地放大作用最大；(2)Ⅰ类场地的反应谱最大值仅比Ⅱ类场地小，且所处的周期范围很小；(3)Ⅲ、Ⅳ类场地的反应谱最大值较Ⅰ、Ⅱ类场地小，且所处的周期范围较大；(4)在长周期段，Ⅳ类场地的反应谱最大，Ⅰ类场地的反应谱最小，即反应谱值随场地的变软而变大。由此可知：自振周期较短的结构在硬土地基上所受的地震作用较大，其震害较重；自振周期较长的结构在软土地基上所受的地震作用较大，其震害较重。这与实际地震中的震害是一致的。01抗震规范中，在长周期段，场地越软，所考虑的地震作用越大，这与(3)、(4)相吻合；而在短周期——反应谱平台段，未考虑场地类别对反应谱的影响，与(1)、(2)不相符，说明01抗震规范关于设计反应谱最大值的规定尚需改进、完善。

(a) PGA=0.05g

(b) PGA=0.10g

(c) PGA=0.15g

3 不同场地类别的场地系数

01抗震规范中，设计反应谱最大值平台段的范围为0.1～Tg，特征周期Tg的范围为0.25～0.9 s，参照美国NEHRP规范，取各场地地表与地下基岩在0.1～0.5 s范围内的加速度反应谱比平均值作为该场地的场地放大倍数。将地下基岩处各PGA区间对应的场地放大倍数进行算术平均，其结果见表2。

表2 场地放大倍数

以Ⅰ类场地为基准，将Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地放大倍数分别除以Ⅰ类场地对应的场地放大倍数，即得到各类场地设计反应谱最大值的场地系数(以下简称“场地系数”)，见表3。

表3 各类场地的场地系数

表2、表3所表现的规律性十分明显：(1)不同类别场地在短周期对地震动的放大作用有显著的差别，因此设计反应谱最大值应随场地类别进行调整；(2)Ⅱ类场地对基岩输入地震动的放大作用最强，其场地放大倍数达到6.44，场地系数达到1.8，其次是Ⅲ类场地，而Ⅰ类场地最小，这反映了土的非线性作用；(3)场地放大倍数(场地系数)随着基岩输入地震动强度的增大而减小。需要指出的是，Ⅳ类场地由于地震波数量偏少，其规律性弱于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地情况。

依据上述规律，将场地系数做小幅调整，并推导至基岩输入地震动为0.3g和0.4g两种情况，得到的场地系数建议值见表4。

表4 场地系数建议值

4 结 语

本文根据国内外关于场地系数研究现状，通过直接利用井下强震观测台网强震记录的方法研究场地条件对加速度反应谱的影响，得出了不同类别场地在短周期对地震动的放大作用差别较大，设计反应谱最大值应考虑场地条件的影响。经过计算与分析，给出了不同类别场地的场地系数建议值，可供抗震设计规范修订时参考。

由于Ⅳ类场地强震数据较少，且缺少地下基岩输入地震动为0.3g和0.4g的强震数据，其场地系数属于推导性质，尚待积累更多的强震数据对此进行检验和进一步研究。

[1] NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures (1997 edition) [S] . Washington DC: Building Seismic Safety Council ,1998.

[2] 耿淑伟.抗震设计规范中地震作用的规定[D]. 哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2005.

[3] 薄景山.场地分类和设计反应谱调整方法研究(博士后研究报告)[R].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,1998.

[4] 李小军,彭 青,刘文忠.设计地震动参数确定中的场地影响考虑[J].世界地震工程,2001,17(4):34-41.

[5] 吕红山, 赵凤新.适用于中国场地分类的地震动反应谱放大系数[J].地震学报, 2007, 29(1): 67-76.

[6] Takumi Hayashida, Fumiko Tajima.Calibration of amplification factors using KiK-net strong-motion records: toward site effective estimation of seismic intensities[J].Earth, Planets and Space, 2007,59(10):1111-1125.