场地条件对竖向抗震设计反应谱最大值的影响

陈 鹏， 耿淑伟， 席 远， 董 钢

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

场地条件对竖向抗震设计反应谱最大值的影响

陈 鹏， 耿淑伟， 席 远， 董 钢

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

文章采用294条竖向按我国相关建筑抗震设计规范划分场地条件的强震记录反应谱，提出用有效峰值加速度（EPA）表示地震动强度，按照Ⅱ类场地上EPA进行分组，研究每个分组区间场地条件对竖向反应谱最大值的影响。结果表明：同一地震动强度下，随着场地变软，竖向场地系数随之增大；同一场地条件下，随着地震动强度提高，竖向场地系数有减小的趋势。通过计算与分析，给出了不同类别场地竖向设计反应谱最大值的1组竖向场地系数建议值。

场地类别；竖向设计反应谱；有效峰值加速度；场地系数

近年来，大跨结构、高耸塔柱状结构、超高层建筑及一些新、奇、特等复杂结构日益增多，使得竖向地震作用的破坏潜力愈来愈大，引起了人们对竖向地震动反应谱［1－4］研究的极大关注。文献［5］规定竖向地震影响系数取为相应水平向的65%，且两者谱形一致。因此，影响水平地震影响系数的各种因素同样也对竖向地震影响系数产生作用。

按2010年抗震规范［5］进行抗震设计时，特征周期Tg与场地类别有关，但地震影响系数的最大值，即地震影响系数曲线的平台值，仅由设防烈度确定，与场地类别无关。大量的震害表明，烈度相同，场地类型不同时，震害的差别很大，而我国现行的抗震设计规范中反应谱最大值的规定并没有反映这一点。这意味着可能会使一些场地上的结构抗震设计偏大而导致浪费，另一些场地上的结构抗震设计偏小而不安全。许多研究［6－8］表明，地震影响系数的最大值与场地类别相关，并得出了受场地类别影响的反应谱最大值的场地系数。本文利用一定数量竖向地震动的强震记录进行竖向地震动反应谱统计分析，研究适合于我国场地类别的竖向设计反应谱最大值的场地系数，以期为抗震设计规范的修订提供一定的参考。

1 数据资料

所用的地震记录是美国西部加州地区的强震记录，所用的有详细钻孔资料的台站场地是引用文献［9］搜集的，共289个台站。考虑到数据基础对工程结构抗震的影响，将其中坝、高层等建筑物上的记录去除，将小于15cm／s2的记录去除，得到了294条竖向强震记录（考虑不同类别场地对竖向地震影响系数最大值的调整，对于以上的地震记录只取竖直方向，舍去水平方向）。按我国2010年建筑抗震设计规范［5］场地分类标准将竖向记录场地条件分为4类，其中Ⅰ类分为Ⅰ0、Ⅰ12个亚类（由于所采用294条竖向强震记录按文献［5］场地分类标准都没有满足Ⅰ0类场地条件记录，所以本文将符合Ⅰ1类场地条件按Ⅰ类记录）。

本文使用的记录中Ⅰ类场地竖直向记录有63条，Ⅱ类场地竖向记录有115条，Ⅲ类场地116条。Ⅳ类场地只有2条竖向记录，记录太少没有使用。记录关于震级震中距的分布见表1所列，可以看出，除Ⅳ 类场地外，记录分布比较均匀。

表1 按GB 50011－2010规范划分场地类别的竖向强震基础数据分布

2 计算过程

首先对294条竖向地震动加速度记录进行反应谱计算，阻尼比为5%。竖向加速度反应谱形状采用文献［10］中的谱形，即

其中，Tg为特征周期；T为结构自振周期；Smax为设计加速度反应谱最大值。

震中距（R）只取0～120km范围内的竖向地震记录，根据数据的实际分布情况，震级（M）分3档，分别为4.0≤M＜5.5、5.5≤M＜6.5、6.5≤M＜8.0；距离按震中距分4档，分别为0～10km、10～30km、30～50km、50～120km；场地分3类，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，Ⅳ类数据太少，不考虑。统计各分组中有效峰值加速度（effective peak acceleration，简称EPA）平均值，见表2所列，括号中的数字表示记录的数目。

表2 各种场地条件EPA平均值 cm／s2

中国地震动参数区划图是针对Ⅱ类场地条件编制的，因此，竖向地震动强度也是按Ⅱ类场地上EPA分类，根据数据分布状况，EPA分区值如下：0.05g（≤0.08g）、0.10g（0.08g～0.13g）、0.15g（0.13g～0.18g）、0.20g（0.18g～0.23g）、0.30g（0.23g～0.33g），0.40g（≥0.33g）。

本文按照上述分组法，考虑EPA随震中距减少、震级增加应随之增加的一般规律并作适当调整，根据表2中Ⅱ类场地结果，最终的分区结果如下：

（1）R∈［10，50）、M∈［5.5，6.5），R∈［0，30）、M∈ ［6.5，8.0）的 分 组 归 入 EPA 等于0.15g。

（2）R∈［0，10）、M∈［5.5，6.5）和R∈［30，50）、M∈ ［6.5，8.0） 的 分 组 归 入 EPA 等于0.10g。

（3）R∈［0，120）、M∈［4，5.5），R∈［50，120）、M∈ ［5.5，8）的 分 组 归 入 EPA 等于0.05g。

同样，Ⅰ、Ⅲ类场地也是按照上面划分方法分组，将各分组区间的5%阻尼比的竖向加速度反应谱进行算术平均，即得到各类别场地在不同EPA区间的平均反应谱曲线，如图1所示。

图1 各EPA区间内、各种场地竖向平均反应谱的比较

图1表现出较为明显的规律性：① 在长周期段，各种场地的反应谱幅值较为接近，多数情况下Ⅲ类反应谱幅值最大，Ⅱ类场地次之，Ⅰ类场地最小；② 在短周期段，反应谱幅值随场地类别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的顺序增大。

3 不同场地类别的竖向场地系数

为得到不同类别场地下各种地震动强度的竖向场地系数，将各类场地的竖向有效峰值加速度均值除以Ⅱ类场地EPA的均值，结果见表3所列。从表3中可以看出，不同类别场地的竖向场地系数值有显著的差别，同一地震动强度下，随着场地变软竖向场地系数随之增大；同一场地条件下，随着地震动强度的提高竖向场地系数有减小的趋势，Ⅲ类场地系数均大于1，Ⅰ类场地在大多数情况下均小于1，这反映了土的非线性性质。

表3 竖向场地系数拟合结果

根据上述规律，参考文献［11］的规定及文献［7］、文献［10］研究成果，将竖向场地系数做一些调整，并推导至有效峰值加速度为0.2g、0.3g、0.4g3种情况，得到本文建议的竖向场地系数值见表4所列。

表4 竖向场地系数的建议值

4 结束语

本文利用按文献［5］划分场地标准的数据研究场地条件对竖向设计反应谱最大值的影响，得出了不同类别场地的竖向场地系数值有一定的差别，竖向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，给出了不同场地条件下的竖向场地系数的建议值，可为抗震设计规范修订提供一定的参考。

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［5］GB 50011－2010，建筑抗震设计规范［S］.

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［7］赵 艳，郭明珠，李化明，等.对比分析中国有关场地条件对设计 反 应 谱 最 大 值 的 影 响 ［J］.地 震 地 质，2009，31（1）：186－196.

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［9］席 远，耿淑伟，董满生，等.基于现行规范场地划分标准的地震动峰值加速度衰减关系研究［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2012，35（9）：1264－1268.

［10］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.

［11］NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures：1997edition［Z］.Washington DC：Building Seismic Safety Council，1998.

Effect of site condition on maximum value of vertical seismic design response spectrum

CHEN Peng， GENG Shu－wei， XI Yuan， DONG Gang
（School of Civil and Hydraulic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

The records of 294vertical strips of actual strong earthquake response spectrum are classified by the current site categorization criteria of the related code for seismic design of building in China.The ground motion intensity is represented by the effective peak acceleration（EPA）and classified by EPA on the site of ClassⅡ，and then the effect of site condition on the maximum value of vertical response spectrum at each site is studied.The results show that in the same ground motion intensity，the vertical site coefficient increases with the increase of weakness of the site，while in the same site condition，the vertical site coefficient has a tendency to decrease with the increase of the ground motion intensity.By the analysis of numerical results，agroup of vertical site coefficient corresponding to the maximum value of vertical design response spectrum at various sites is proposed.

site category；vertical design response spectrum；effective peak acceleration（EPA）；site coefficient

P315.91

A

1003－5060（2014）06－0710－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2014.06.015

2013－08－08；

2013－10－14

陈 鹏（1984－），男，安徽阜阳人，合肥工业大学硕士生；

耿淑伟（1965－），女，辽宁抚顺人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师.

（责任编辑 马国锋）