地震学报  2007, Vol. 29 Issue (1): 67-76
适用于中国场地分类的地震动反应谱放大系数
吕红山 , 赵凤新    
中国北京100081中国地震局地球物理研究所
摘要:对美国抗震设计规范的场地系数的研究基础进行了分析, 并对中美两国场地分类指标进行了对比. 通过对场地土层波速测试资料的分析, 找出了两种分类方法的联系, 从而得到了将美国场地系数转换为适于中国场地分类的方法, 同时给出了基于中国场地分类的地震动反应谱放大系数.
关键词场地分类    抗震设计规范    平均剪切波速    场地系数    
SITE COEFFICIENTS SUITABLE TO CHINA SITE CATEGORY
Lü Hongshan , Zhao Fengxin    
Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
Abstract: The basis for the National Earthquake Hazards Reduction Program site coefficients is summarized in the paper. The comparison of site classification between China and US code provisions has been carried out. The relationship between two site classifications has been found by the analysis of wave velocity of site soil. Thus amplitude-dependent site amplification factors for China site classification has been gained by transformation from US amplification factors. Two amplification factors are specified: Fa for short periods and Fv for longer periods. On the contrast, there is only one long period factor and not a short period factor in the current China code provision.
Key words: site classification    seismic code    average shear-wave velocity    site coefficients    
引言

场地条件对地震动(峰值加速度、 反应谱等)的影响一直是地震学家和地震工程学家共同关注的问题. 最直接的研究场地土效应的方法是建立井下台阵进行强震观测,即在同一地点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. 目前在许多地方设立了井下强震观测台阵,如台湾的SMART1和SMART2台阵(Wen,1994Beresnev et al, 1995),日本神户的Port岛(Jorge,Kojiro,1997),日本的Amagasaki、 Takasago和Nanko(Satoh et al, 2001),希腊的Thessaloniki(Dimitriu et al, 1998),在美国则已经布置了十余个井下观测台阵进行相关研究(Bonilla et al, 2002). 这些观测台阵取得的强震记录,提供了直接的场地土对基岩地震动有放大作用且是非线性的证据,因此地震学家在地球结构模型中也已经开始考虑地表几十米土层对地震动的非线性影响(Beresnev,2002).

在墨西哥(Mexico)大地震、 洛马普列塔地震(Loma Prieta)、 北岭地震(Northridge)和阪神地震中,取得了不同场地上的大量强震记录. 通过比较这些场地与附近基岩的强震记录,对场地土的地震动效应进行了深入研究. 通过求反应谱比的方法也发现场地土对地震动有非线性放大效应. 墨西哥地震中基岩加速度峰值在0.5~1 m/s2之间,而附近软弱土层上记录到的加速度峰值是基岩的1.5~4倍(Seed et al,1988). 在洛马普列塔地震中,基岩加速度峰值在0.8~2 m/s2之间,而附近软土场地(E类,对应中国分类的Ⅳ类)上记录到的基岩加速度放大系数是2~3. 短周期反应谱值(0.2或0.3 s)平均放大也是2~3倍; 在0.5~1.5 s周期范围,软土放大更达到了3~6倍; 在中硬土(C及D类)上同样放大基岩地震动,不过放大系数较小(Dobry et al, 2000). 对洛马普列塔地震的强震记录分析表明,土层对基岩地震动加速度和短周期反应谱值的放大系数相差在30%以内. 简化的理论分析和经验统计分析表明,土层对基岩地震动的反应谱放大系数与地下30 m深度范围内的土层平均剪切波速成比例关系(Borcherdt,1994). 因此,在NEHRP(National Earthquake Hazards Reduction Program)规范中引入了新的场地分类方法. 该方法不再仅靠对场地土的定性描述,而是用平均剪切波速这一定量化指标来进行场地分类.

对不同场地地震动衰减关系的研究也是了解场地土对地震动影响的一种途径. 1995年以后美、 日和欧洲的学者开始应用NEHRP场地分类方法进行不同场地的地震动衰减关系研究(Lee et al, 1995Molas,Yamazaki,1995Ambraseys et al, 1996Abrahamson,Silva,1997Campbell,1997Sadigh et al, 1997Youngs et al,1997Spudich et al, 1999Atkinson,Boore,2003Boore et al,1997Campbell,Bozorgnia,2000Kobayashi et al,2000Shabestari,Yamazaki,2000; Takahashi et al, 2000Gülkan,Kalkan,2002Ambraseys,Douglas,2003).

根据大量强震观测和土动力试验结果,地震工程学家还建立了土层地震反应分析的数值计算方法,既有等效线性化法,也有完全的非线性计算方法. 对于中硬场地(C类、 D类),在较弱地震动输入下,两种方法都能给出较好的结果. 而在强地震动输入下或是对软弱场地(如E类)进行土层反应分析时,由于对土体特性非常敏感,计算结果可靠性有待检验.

我国由于强震记录很少,一些研究者应用场地土层地震反应数值分析对场地土地震动影响进行了研究(李小军等,2001),但给出的软弱场地放大系数明显偏小,对地震动没有放大效应. 而其他研究者根据对美国部分强震记录的统计分析,在参考有关研究成果的基础上,给出了地震影响系数最大值调整的建议(耿淑伟等,2002Tao,Geng,2003Tao et al, 2006).

从1994版NEHRP推荐规范开始,美国抗震设计规范中使用FaFv两个场地系数,同时考虑场地条件对地震动峰值加速度和场地特征周期的影响(Building Seismic Safety Council,1995). 在2003版NEHRP推荐规范及1997版统一建筑规范(UBC)仍引用上述场地系数(Building Seismic Safety Council,2004; Dobry et al, 2000).

我国现行抗震设计规范没有考虑不同场地上地震动峰值加速度和加速度反应谱平台值的变化,对场地地震动影响的估计是不充分的.

在本文研究中将先对中美两国抗震设计规范的场地分类指标进行对比,寻找两种分类方法的联系,从而得到将美国场地系数转换为适于中国场地分类的方法,然后给出基于中国场地分类的地震动反应谱放大系数.

1 美国抗震设计规范中场地系数分析

美国当前抗震设计规范中规定的反应谱曲线如图 1所示. 其中FaFv分别对应0.3 s和1 s场地对基岩反应谱值的放大系数. 相关场地系数数值如表 1表 2所示(Building Seismic Safety Council,2004).

图 1 美国规范中的场地设计谱曲线

表 1表 2中的场地系数是在综合了震害经验、 强震观测的统计分析和土层地震反应数值分析的基础上给出的. 由于C类和D类场地的强震记录较多,对这两类场地的FaFv主要是基于强震记录的统计分析结果得到的. 对于E类场地,当基岩地震动小于1 m/s2时是基于对墨西哥1985年大地震和洛马普瑞埃塔1989年地震中的强震记录分析给出的; 而对于基岩输入大于1 m/s2的情况,对应的场地系数则是结合土层地震反应数值分析结果给出的(Borcherdt,1994Dobry et al,2000).

表 1 NEHRP中规定的短周期放大系数Fa

表 2 NEHRP中规定的1 s周期放大系数Fv

1994版NEHRP规范发布之后,许多学者应用不同方法按照NEHRP的场地分类及场地谱形式对场地系数作了研究(Crouse,McGuire,1996Dobry et al, 1999Joyner,Boore,2000Rodriguez et al, 1999Silva et al, 2000Stewart et al, 2001Borcherdt,2002). 美、 日和欧洲的学者按照NEHRP场地分类方法,研究了不同场地的衰减关系(Lee et al, 1995Molas,Yamazaki,1995Ambraseys et al, 1996Abarhamson,Silva,1997Campbell,1997Sadigh et al, 1997Youngs et al,1997Spudich et al, 1999Atkinson,Boore,2003Boore et al, 1997Campbell,Bozorgnia,2000Kobayashi et al, 2000Shabestari,Yamazaki,2000; Takahashi et al,2000Gülkan,Kalkan,2002Ambraseys,Douglas,2003). 对于这些衰减关系,计算0.1~0.5 s的土层和基岩反应谱比的平均值作短周期放大系数Fa,计算0.5~1.5 s土层和基岩反应谱比的平均值作1 s周期放大系数Fv. 将上述不同学者得到的场地系数,以及利用不同场地衰减关系计算出的场地系数与NEHRP规范中的场地系数绘制在一起,得到图 2.

图 2 C类(a)、 D类(b)和E类(c)场地的场地系数比较()

使用不同的强震数据集,采用不同的研究方法得出的场地系数会有一定差别,但是正如图 2中所示,多数情况下NEHRP中规定的场地系数是当前相关研究的均值. 可以认为,表 1中NEHRP规范给出的场地系数较好地反映了人们目前对场地地震动效应的认识.

耿淑伟等(2002)提出的场地条件地震影响系数最大值调整建议值与表 1中的Fa相对应. 具体参数如表 3(Tao et al,2006)所示. 表 1表 3相比有很大差异,表 3中不同场地间的调整系数差别很小,针对软弱的Ⅳ类场地的调整系数小于NEHRP中规定的E类场地的数值.

表 3 地震影响系数最大值调整建议(Tao et al, 2006)

本文以NEHRP规范的场地系数作为研究适用于中国场地分类场地系数的基础. 下面先对中美两国抗震设计规范的场地分类指标进行对比.

2 中美场地分类指标对比

美国的抗震设计规范以地表以下30 m范围内的土层平均剪切波速vS30作为场地分类指标(Building Seismic Safety Council,2004). 而在我国建筑抗震规范中则采用双指标的场地分类方法,即20 m深度范围内的平均剪切波速vS20和剪切波速大于500 m/s的土层覆盖层厚度(国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国建设部,2001). 美国规范中的基岩是指平均剪切波速vS30大于760 m/s的场地,而中国规范则规定平均剪切波速vS20大于500 m/s的场地为基岩; 美国规范将场地分为A,B,C,D,E五类,而中国规范则划分出Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四类; 两国规范对不同场地的分类指标参数范围的规定也不同. 这里需要强调的是两国规范都用了土层平均剪切波速作为分类指标,尽管计算深度不同而计算方法相同. 在此用同一场地的剪切波速测试资料,分别计算平均剪切波速vS30vS20,并按照中美两国规范进行场地分类,然后对两种场地分类和平均剪切波速值进行对比分析.

本文所用场地波速测试资料来源于美国ROSRINE(Resolution of Site Response Issues from the Northridge Earthquake)计划Bardet J P,Nielsen E,Villacorta R. 1998. ROSRINE Data Dissemination. http://rccg03.usc.edu/rosrine/publications/. 该计划对几十个自由场地强震台站的土层特性进行了详细勘察,取得了工程地质柱状剖面和波速测试资料. 其计算对比结果如图 3所示. 其中横轴是平均剪切波速vS30,纵轴是平均剪切波速vS20. 各个场地美国的场地类型是按照平均剪切波速vS30值以横坐标轴分区,各个场地的中国场地分类类型则以不同符号表示.

图 3 中美两国场地分类比较

图 3中数据点分布的趋向性非常明显,说明两国规范中计算的平均剪切波速vS30vS20是有某种对应趋势的. 下面先对图中的某些特殊点进行分析. 图中NO两点偏离总体数据分布趋势,原因是美国规范中严格计算了30 m深度范围内的平均剪切波速,而中国规范计算平均剪切波速的深度是取覆盖层厚度与20 m二者的较小值,同时规定覆盖层厚度按地面至剪切波速大于500 m/s的土层顶面距离确定. 这里的NO代表的场地,在表层10 m厚的土层下紧接着就是剪切波速在1 000 m/s以上的土层. 按中国规范只计算这10 m左右土层的平均剪切波速,vS20约为320 m/s和180 m/s. 按美国规范计算vS30则为560 m/s和660 m/s. 图 3P区域内的点所代表的场地,按美国规范都属D类场地,按中国规范则属于Ⅱ类或Ⅲ类场地,且在图上数据点交错排列. 这是因为这些场地的vS20在250 m/s左右,厚度在50 m左右,处在我国规范规定的Ⅱ类和Ⅲ类场地分类边界值附近. 图中MvS20在140~250 m/s间,但厚度稍小于50 m,不够Ⅲ类场地标准. 这是将复杂的场地简单划分为几个类别带来的不确定性造成的. 按照规范的分类方法,在分类指标界限值附近,波速相差1 m/s,土层厚度差1 m,就应被划分为两种不同的场地,图 3P所指的区域内的点和M点就是这种情况的反映.

多数情况下vS30vS20按照图 3做出的曲线是很有规律的,除去少数特殊情况,按美国规范得到的vS30在510 m/s以上的场地对应于中国规范的Ⅰ类场地; vS30在510 m/s与260 m/s之间的场地对应于中国规范的Ⅱ类场地; vS30在260 m/s与150 m/s之间的场地对应于中国规范的Ⅲ类场地; vS30在150 m/s以下的场地对应于中国规范的Ⅳ类场地. 同时可知,中国的Ⅰ类场地包含了美国的全部A类、 B类和部分C类场地,中国的Ⅱ类场地则介于美国的C类与D类之间,中国的Ⅲ类场地则介于美国的D类与E类之间,中国的Ⅳ类场地则全部为美国的E类场地. 需要指出的是仅有美国场地类型,并不能确定相应的中国场地分类. 目前许多强震台站提供平均剪切波速vS30. 如上所述,vS30可与vS20建立对应关系,当得知某一场地的vS30即可大致确定对应的vS20,也就能确定相应的中国场地分类. 这样就便于利用国外强震记录针对中国场地分类进行相关研究. 在得到中美两国规范中场地土分类间的关系后,下面通过转换给出适用于中国场地分类的场地系数.

3 适于中国场地分类标准的地震动场地系数

对于中国和美国的两个场地,若土层沿深度分布的土性相同,剪切波速等物理指标也相近,则这两个场地就应是同样的场地. 但由于中美两国规范分类标准不同,可能会被划分成不同的类型. 当知道美国某个强震记录台站的vS30时,就可以通过前述划分方法得到该台的中国的场地类别,这样就可以获得基于中国场地分类的强震记录集.

美国规范中的FaFv经统计按照下面的公式确定(Borcherdt,1994):

Fa=(vB/ vs)Ma  (1)

Fv=(vB/ vs)Mv  (2)

其中,vB是基岩的剪切波速,取为1 050 m/s; MaMv为与基岩加速度峰值有关的统计参数;vs是所计算场地的平均剪切波速vS30. FaFv与场地平均剪切波速vS30的关系如图 4图 5所示. B,C,D,E类的放大系数分别对应曲线760~1 500 m/s,360~760 m/s,180~360 m/s和100~180 m/s的均值. 按照前述平均剪切波速vS30与中国场地分类的关系,可知Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ类场地放大系数应分别对应图中曲线510 m/s以上,260~510 m/s,150~260 m/s和100~150 m/s的均值.

图 4 中美两国场地土放大系数Fa的比较

图 5 中美两国场地土放大系数Fv的比较

尽管场地土特性复杂,地震动的随机性很强,用简单的几个指标将场地进行分 类有很大的不确定性,但总体上反映出场地土对地震动有放大作用且是非线性的,弱地震动时软场地对短周期放大比中硬场地大. 中美两国规范对中硬、 中软、 软弱场地的分类指标不同,但不同场地对地震动影响的总体描述应是一致的. 从比较上式计算可知,Ⅱ类场地放大系数比C类大,但在C与D类放大系数之间,可近似为C,D类放大系数的均值; Ⅲ类场地放大系数比D类大,但在D与E类放大系数之间,可近似取为D,E类放大系数的均值; 而Ⅳ类场地放大系数与E类接近. 中国的I类场地含美国全部A类、 B类和部分C类场地. 尽管C类场地放大系数大于1,但A类放大系数小于1,总体而言Ⅰ类场地的放大系数仍与B类接近.

综合上述情况,得到的中国不同场地的反应谱放大系数如表 4表 5所示. 显然,应用该场地系数给出的场地相关谱,既可放大反应谱短周期平台段,也会加大特征周期. 表 4表 3均表达了土层对地震动的放大作用,以及在强烈地震动作用下土的非线性会导致放大率的下降,但调整系数有差异. 表 3中Ⅰ,Ⅲ,Ⅳ类土间的调整系数差别很小,而本文给出的Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ类土间调整参数差别较大,尤其Ⅳ类土的调整系数要大于表 3的结果.

表 4 适用于中国场地分类的场地放大系数Fa

表 5 适用于中国场地分类的场地放大系数Fv

量大面广的6层以下的民用建筑基本自振周期较短. 依据我国当前抗震设计规范,同样基岩输入此类建筑处于Ⅱ,Ⅲ或Ⅳ类场地时,用同样的地震动参数进行抗震设计,本文场地系数给出的结果,显然在Ⅲ或Ⅳ类场地上的设计地震动参数要大于在Ⅱ类场地上的相应值.

4 小结

场地的地震动影响是地震工程中的一个重要问题. 本文利用工程勘探波速测试资料对中美两国的场地土分类指标进行对比,找到了二者间的相互关系,这将为使用国外强震记录按中国场地分类进行相关研究提供了方便. 通过分析美国场地土效应的研究成果,得到了对美国场地系数进行修正使其适合于中国场地分类的方法,给出了适用于中国场地分类的地震动场地系数. 本文仅是关于场地地震动影响的初步研究结果,今后将收集不同场地的强震记录,特别要重点收集相关强震记录台站详细工程地质勘查资料,对此问题进行进一步深入研究.

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