北京盆地结构对长周期地震动加速度反应谱的影响

付长华

（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

（作者电子信箱，付长华：fuchanghua＠eyou．com）

由于城市人口的快速增多以及地价飞涨等原因，高层建筑已经大量涌现于各个城市之中，并且数量仍在继续攀升。另一方面，许多城市均建造于盆地内部，同时具有发生大地震的构造背景，如我国的北京、银川、西安、呼和浩特等。历史上多次大地震中的建筑震害特征表明，盆地对地震动的长周期成分有显著的放大效应，可以对城市中的高层建筑产生很强的破坏作用。因此，盆地内高层建筑的抗震设防问题日显重要。然而，在我国现行的建筑抗震设计规范以及地震安全性评价技术规范中，还尚未就盆地对地震动的放大效应做出明确解释和规定，这给城市的震害防御以及合理的未来规划埋下了隐患。

北京市作为我国的政治、经济和文化中心，其地位的重要性毋庸置疑。同时，从科学研究角度来看，一则北京市坐落于典型盆地构造的范围内，且具有发生大地震的构造背景；二则数千栋25层以上的高层住宅和100m以上的超高层商用建筑已经建成，并有加速建造的趋势。这些建筑的自振周期通常在3s以上，有的甚至可长达10s。地震时，它们易与3～10s长周期地震动形成共振而产生巨大的地震破坏。此外，强烈的地面晃动也可引发火灾等次生灾害。这些都将导致大量人员伤亡和财产损失，也加大了地震应急救援的难度。因此，研究北京盆地结构对3～10s长周期地震动加速度反应谱的放大效应，可以明确北京盆地内高层建筑合理的抗震设防要求，给盆地内城市的未来规划、新建高层建筑抗震设计、高层建筑的震害防御、应急救援提供科学的依据。

针对北京盆地内强地面运动记录严重不足的现状，本文采用并行有限差分地震动数值模拟方法，研究了北京三维盆地结构对3～10s长周期地震动加速度反应谱的放大效应。主要内容和结论有：

（1）阐述了有限差分模拟长周期地震动的基本原理及其并行化计算的实施方案，介绍了用于地震动模拟的并行计算平台。

（2）通过对地震勘探资料、地质资料、钻孔资料、波速测试资料及其他调查资料的收集与整理，在现有北京盆地模型的基础上叠加了地形条件，建立了含起伏地形的盆地地下介质三维速度结构模型。通过对北京盆地内5级以上历史地震和活动断层活动特征的分析，建立了符合北京盆地地震构造背景的强震震源模型，为有限差分地震动模拟提供了正确的震源参数。

（3）通过对7个震源输入下的地震动模拟，分析了北京盆地结构对地震动加速度反应谱的放大特征，指出虽然不同震源参数会在一定程度上造成盆地放大效应的差异，但盆地结构一直是控制3～10s长周期地震动加速度反应谱放大的主导因素。盆地对加速度反应谱的放大系数与盆地内沉积物的厚度之间关系密切，近地表的第四系和第三系的厚度都对盆地放大效应有很大的影响，其中第四系的影响程度更为突出。

（4）提出了“盆地等效沉积物厚度”的概念，给出了盆地结构对3～10s长周期地震动加速度反应谱的平均放大系数与盆地等效沉积物厚度之间的相关函数。结果表明，盆地放大效应不能简单地用乘以某一系数来表征，它与盆地内等效沉积物厚度有很强的相关性，随着等效沉积物厚度增加而增加，相关性函数可回归为清晰的二项式方程。

（5）当等效沉积物厚度大于200m时，在3～10s周期范围内，盆地结构对3s周期地震动加速度反应谱的放大作用最为显著，随着周期增大，放大作用逐渐减弱；当等效沉积物厚度和反应谱周期一定时，盆地结构对水平分量加速度反应谱的平均放大系数大于竖向分量，而在两个水平分量中，盆地结构对平行断层分量加速度反应谱的平均放大系数要大于垂直断层分量。

（6）对比了盆地放大效应与地表土层放大效应。当盆地等效沉积物厚度不大于500m时，盆地对周期T≥3s的加速度反应谱的放大系数与地表土层放大率大致相当；但在盆地等效沉积物厚度较大的区域，盆地放大效应明显大于地表土层放大效应。

（7）基于回归统计结果，将北京盆地结构对地震动加速度反应谱的平均放大系数进行了分区，为北京市的震害防御和未来规划等提供了科学的参考。

（8）统计了北京市25层以上高层住宅和100m以上超高层商用建筑的分布、层数及高度等信息，计算了这些建筑结构的自振周期。根据不同周期时盆地对加速度反应谱的放大系数的分区结果：① 探讨了现有这些高层建筑的地震致灾风险水平与盆地结构的关系。指出城市东部CBD及以东地区的大部分建筑、西二环到西三环之间南半段内的建筑、以及北五环以北地区的部分建筑受到盆地放大效应的影响最为突出，在大地震中可能产生较为严重的地震灾害，是今后地震应急准备和地震救援工作中应着重考虑的对象；② 指出顺义凹陷、大厂凹陷的中心区域，盆地放大效应非常明显。在城市未来规划时，该区域应尽量避免建造同类高层建筑；③ 在盆地放大系数较小的其他地区建造同类高层建筑时，建议参考本论文的研究结果，根据建筑结构自振周期的大小，适当提高建筑物的抗震设防标准。