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基于強(qiáng)震動觀測的場地效應(yīng)非線性特性研究

羅桂純

(中國地震局地球物理研究所，北京100081)

場地效應(yīng)直接影響地震災(zāi)害的嚴(yán)重程度，結(jié)構(gòu)響應(yīng)是地震災(zāi)害的表現(xiàn)形式，場地地震非線性反應(yīng)研究可為工程科學(xué)抗震設(shè)防提供依據(jù)，這一直是科學(xué)研究和工程應(yīng)用關(guān)注的熱點(diǎn)。研究場地效應(yīng)特別是場地非線性影響，對于認(rèn)識地震動的空間分布，進(jìn)行建(構(gòu))筑物選址和抗震設(shè)防均具有重要的理論意義和實(shí)用價值。2008年汶川地震中，我國的強(qiáng)震動觀測網(wǎng)絡(luò)獲取了大量高質(zhì)量的加速度記錄，這些記錄為場地效應(yīng)研究提供了基礎(chǔ)資料和良好的發(fā)展機(jī)會。本文擬采用H/V譜比法和加速度反應(yīng)譜法，利用汶川地震主震、余震、地脈動記錄，進(jìn)行場地效應(yīng)，特別是場地非線性影響的研究，并利用一棟鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)震動觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)研究成果的應(yīng)用研究。

首先，回顧國內(nèi)外關(guān)于場地效應(yīng)和場地地震非線性反應(yīng)識別及結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性分析的進(jìn)展； 再在介紹場地非線性反應(yīng)識別的主要方法(如，標(biāo)準(zhǔn)譜比法、廣義反演法、數(shù)值模擬法、H/V譜比法、反應(yīng)譜法)的基礎(chǔ)上，開展了方法之間的比較分析，指出較為有效的場地效應(yīng)非線性識別方法，即H/V譜比法和加速度反應(yīng)譜法。

收集整理汶川地震強(qiáng)震記錄資料和詳細(xì)的場地條件資料，篩選出25個臺站(3個基巖臺，15個Ⅱ類場地臺站，7個Ⅲ類場地臺站)的強(qiáng)震動記錄，并對所有選用的強(qiáng)震動記錄特征進(jìn)行分析統(tǒng)計，總結(jié)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，為下一步的場地效應(yīng)非線性識別和研究做好準(zhǔn)備工作。

評述25個臺站的場地條件和主震強(qiáng)震動記錄的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和加速度峰值特征，并分別利用H/V譜比法和加速度反應(yīng)譜法進(jìn)行場地在主震強(qiáng)震動下的場地地震反應(yīng)識別和分析。研究結(jié)果表明，對于加速度峰值較大的強(qiáng)震動記錄，在識別場地卓越頻率方面，速度反應(yīng)譜H/V方法明顯優(yōu)于傅立葉譜H/V方法。反應(yīng)譜計算得到主要頻段和卓越頻率，對H/V譜比法的計算結(jié)果，是一個很好的驗(yàn)證。探討了反應(yīng)譜最小二乘標(biāo)定方法，進(jìn)一步通過分析卓越頻率、拐點(diǎn)周期、動力放大系數(shù)等場地特性參數(shù)，這些參數(shù)能較好地反映所在場地的地震動峰值特性和頻譜特性，能利用特征周期進(jìn)行場地類別的劃分，確定場地類型。采用最小二乘標(biāo)定的規(guī)準(zhǔn)譜與實(shí)際反應(yīng)譜的譜形非常接近，是一種簡單易行就能得到反應(yīng)譜參數(shù)(平臺值、拐點(diǎn)周期和曲線衰減指數(shù))的好方法，并可用于場地類型的復(fù)核。

收集和整理了25個臺站的余震記錄，從336次余震事件中選取1008條余震記錄，評述了25個臺站的余震強(qiáng)震動記錄的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和加速度峰值特征，并分別利用H/V譜比法和反應(yīng)譜法進(jìn)行余震強(qiáng)震動下的場地非線性反應(yīng)識別和分析。選用臺站的余震記錄按照加速度峰值進(jìn)行分組，100 gal以下、100～200 gal之間、200 gal以上進(jìn)行分組平均，給出了場地效應(yīng)隨場地類別和地震動峰值加速度分檔變化的規(guī)律： PGA為100 gal以上的地震動，隨著PGA的增大，場地反應(yīng)的非線性影響不僅表現(xiàn)在有放大倍數(shù)減小的變化趨勢，而且表現(xiàn)為卓越頻率向低頻偏移。其中，Ⅰ類場地的非線性影響最小，Ⅱ類場地的非線性影響較大，Ⅲ類場地因?yàn)槿鄙?00 gal以上的余震事件待后文綜合對比分析再討論。對于余震記錄，從最小二乘標(biāo)定法的計算結(jié)果可以得到，最小二乘法能有效地標(biāo)定反應(yīng)譜，并得到場地的拐點(diǎn)周期和動力放大系數(shù)，并依此進(jìn)行場地類別的劃分或者復(fù)核。

通過仔細(xì)的對比研究，選用余震記錄的事前數(shù)據(jù)作為地脈動的數(shù)據(jù)來源，利用統(tǒng)一的截取標(biāo)準(zhǔn)，截取符合條件的地脈動數(shù)據(jù)。由于地脈動記錄在不同的時間段信號差別非常大，因此，在篩選過程中，有些臺站未能截選出合理的數(shù)據(jù)。本文將利用所選臺站在余震事前記錄到的地脈動數(shù)據(jù)，分析地脈動下的場地反應(yīng)，結(jié)果表明： H/V譜比法能有效識別場地反應(yīng)特性，給出場地的卓越頻率； 對于地脈動之類的微震記錄，傅立葉振幅譜H/V譜比法明顯優(yōu)于速度反應(yīng)譜H/V譜比法。對于地脈動記錄，從最小二乘標(biāo)定法的計算結(jié)果可以得到，最小二乘法能有效地標(biāo)定反應(yīng)譜，并得到場地的拐點(diǎn)周期和動力放大系數(shù)，并依此進(jìn)行場地類別的劃分或者復(fù)核。對于Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類場地，隨著PGA的增大，平臺值沒有明顯變化，但是拐點(diǎn)周期向低頻延長。

對比汶川地震主震強(qiáng)震動記錄、余震強(qiáng)震動記錄、地脈動記錄中場地地震反應(yīng)，進(jìn)行臺站場地類別、場地非線性識別研究，為我國抗震設(shè)計規(guī)范考慮更為科學(xué)和細(xì)致的場地地震動反應(yīng)的非線性影響提供參考依據(jù)。為了更詳細(xì)的分析，Ⅰ類場地以茂縣地辦、Ⅱ類場地以理縣木卡等、Ⅲ類場地以武都作為代表，進(jìn)行分析。基于計算結(jié)果，定性和定量分析不同類別的場地在不同加速度峰值檔的非線性反應(yīng)程度，結(jié)果表明： 對于Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類場地，地脈動、余震、主震的傅立譜H/V計算結(jié)果，都非常清楚地給出了場地的卓越頻率，地脈動和小于100 gal的余震的傅立葉振幅譜H/V比曲線有非常好的對應(yīng)關(guān)系，二者計算得到的場地卓越頻率也非常一致。PGA為100 gal以上的地震動輸入，場地的非線性影響都比較明顯?？傮w而言，每個分值檔之間的非線性影響程度，PGA為100 gal 以上的地震動： Ⅰ類場地受到非線性影響最小，一般不超過10%； Ⅱ類場地受到非線性影響居中，一般不超過15%； Ⅲ類場地受到非線性影響最大，最大可達(dá)20%。這和場地的土層厚度有非常大的關(guān)系： Ⅰ類場地沒有覆蓋土層或者很薄的覆蓋土層，所有識別結(jié)果的差異都來源于地震動輸入特性的差異； Ⅱ類場地和Ⅲ類場地由于存在一定厚度的土層，場地效應(yīng)非常明顯，因此，其場地的非線性影響也隨之增強(qiáng)。但是，H/V譜比法計算的放大倍數(shù)只是一個相對值，并不能真實(shí)地反應(yīng)場地的放大效應(yīng)，放大倍數(shù)沒有明顯的規(guī)律可言。

速度反應(yīng)譜H/V的結(jié)果，對上述結(jié)論進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。但是，總體而言，傅立葉振幅譜H/V分析，比較適用于中震和小震以及地脈動，速度反應(yīng)譜H/V對此類數(shù)據(jù)的處理結(jié)果不是太理想。而對于中震和大震，速度反應(yīng)譜H/V方法優(yōu)于傅立葉振幅譜H/V方法。二者的結(jié)合，能更好地識別場地的非線性反應(yīng)。

加速度反應(yīng)譜由于單個地震動記錄的反應(yīng)譜曲線很不規(guī)則，不同地震動的反應(yīng)譜也各不相同，因此，不宜用單個地震動反應(yīng)譜來推斷場地特性。所以，主震記錄得到的規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜不一定代表場地特性，反而多次余震記錄和多次地脈動記錄反應(yīng)譜的疊加平均，更能準(zhǔn)確地給出場地的特性反應(yīng)譜曲線。根據(jù)加速度反應(yīng)譜的計算結(jié)果，利用最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定，得到反應(yīng)譜的主要頻段和卓越頻率，這也是對H/V譜比法計算結(jié)果的一種驗(yàn)證。

將H/V譜比法從場地效應(yīng)推展應(yīng)用到結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性分析中，可以利用建筑結(jié)構(gòu)模型取代土層模型對場地效應(yīng)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。首先評述H/V譜比法分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)的有效性，并基于地脈動和地鐵振動，分析了一棟鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。研究表明，利用地脈動背景噪聲或沿線地鐵振動信號，可以提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用、靈活易行的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法，作為利用強(qiáng)震動加速度進(jìn)行建筑物易損性分析的一個補(bǔ)充。

本論文的研究成果可為我國抗震設(shè)計規(guī)范考慮更為科學(xué)和細(xì)致的場地地震反應(yīng)的非線性影響提供參考依據(jù)，并拓寬強(qiáng)震動記錄在我國科學(xué)研究和工程實(shí)踐領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，有力推進(jìn)強(qiáng)震觀測事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞場地效應(yīng)； 非線性反應(yīng)； 強(qiáng)震動記錄； 主震； 余震； 地脈動； H/V譜比法； 反應(yīng)譜法； 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

(作者電子信箱，羅桂純： gchluo@163.com)

中圖分類號：P315.9；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.01.014