不同的地震动输入面对地震反应分析结果的影响1

李建亮 李福海 彭晋川 赵 晶 鲁长江 亢川川 汤才成



不同的地震动输入面对地震反应分析结果的影响1

李建亮1）李福海2）彭晋川1）赵 晶1）鲁长江1）亢川川1）汤才成3）

1）四川省地震局，成都 610041 2）西南交通大学，成都 610031 3）四川赛思特科技有限责任公司，成都 610041

利用目前工程抗震设防上广泛应用的土层地震反应计算分析软件，对成都某典型卵石场地剖面进行了计算，得到了不同输入地震强度下的地震反应分析结果随不同地震动输入面的变化规律。结果表明，无论是地表加速度峰值，还是反应谱特征周期，在相同的地震动强度输入下，均是随着地震动输入面的变深而增大，其中加速度峰值最大增加20%以上，反应谱特征周期最大增加10%以上。此结论可为工程抗震设计人员获得科学合理的结构设计提供参考。

地震动输入面 加速度峰值 特征周期

引言

场地地震动参数的确定是工程场地地震安全性评价的目标，其结果可作为建设工程抗震设防的依据。场地地震动参数主要包括加速度峰值和反应谱特征周期，因此如何合理地获取地震动参数是工程抗震设计面对的关键问题。而提供合理的地震动输入则是工程结构抗震分析的基础，是保证结构抗震设计结果可靠又经济的必要条件。

场地地震动参数与地震震源特性、地震波从震源传播至场地的途径，以及介质特性、局部场地条件等有关。其中，前两项因素在进行地震危险性分析时，通过对工程场地区域和近场的地震活动性以及地震构造背景的研究已予考虑；而后两项因素可根据场地工程地质资料条件，建立土层地震反应分析模型，进行土层地震反应计算给予考虑。通过土层地震反应的计算结果，即可得到加速度峰值和反应谱特征周期。地震反应分析模型参数的确定是土层地震反应分析的关键问题。模型参数主要包括土层厚度、土体密度、剪切波速、土体动力非线性关系以及计算基底（地震动输入面）。其中土层厚度、剪切波速和土体的动力非线性关系对地表设计地震动参数的影响已有较多的学者进行了研究（薄景山等，2003a；2003b；曹均锋等，2013；高玉峰等，2001；兰景岩等，2007；2012；李建亮等，2011；刘红帅等，2005；吕国军等，2013；王绍博等，2001），但地震动输入面的变化对地震反应分析结果的影响还鲜有学者研究（王冲等，2011）。基于此，笔者选取了成都市某住宅项目工程场地的一个典型钻孔剖面，分析了不同的地震动输入面对地震反应分析结果的影响。

文中的地震动输入面是指在进行土层地震反应计算时，计算模型中（假想）弹性均匀基岩空间与非均匀土层的交界面。该界面作为引起界面内土体反应的地震动输入的（地震入射波）输入界面（中华人民共和国国家标准，2005；胡聿贤，1999），从场地地层剖面图或钻孔柱状图中可以看出，该交界面即为一条线，而非整个计算基底层。

1 成都平原工程地质条件

本文分析的住宅项目位于成都平原地区，该地区第四纪以来一直处于稳定的下降状态，第四系覆盖层厚度呈北西厚、南东薄。在郫县竹瓦铺附近，第四系厚度达541m，向南东至郫县县城为200m左右，在郫县犀浦镇为110m左右，在成都市茶店子西侧为100m左右。且在竹瓦铺至茶店子间形成了中心断陷区，该断陷区两侧断陷幅度急剧减小，第四系之下的白垩系灌口组（K2g）基岩形成了明显的断坎，如在竹瓦铺西侧的走石山，灌口组基岩直接出露地表，茶店子东侧的基岩埋深也只有35m，成都市区基岩面埋深为15—30m，而市区以东仅为几米。根据钻探资料显示，北西侧较厚处的地层按成因和年代从上至下依次主要为：第四系全新统人工填土层（Q4ml）（包括杂填土及素填土）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）（包括粉质粘土、粉土、中细砂、松散-密实卵石）和基岩层；南东侧较薄处的地层从上至下依次主要为：第四系全新统填土层（Q4ml）（包括杂填土及素填土）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）（包括粘性土、粉土、砂层）和基岩层，见图1。到目前为止，还未见有学者对成都平原内相差数百米的第四系覆盖层进行过土层地震反应计算结果的研究，这也是笔者之所以选择这一内容进行分析的原因，其目的是为了得到该平原内几米覆盖层和上百米覆盖层土层对土层地震反应计算结果影响的不同之处。

2 土层地震反应计算模型

本文采用《工程场地地震安全性评价（GB 17741-2005）》（中华人民共和国国家标准，2005）所推荐使用的一维土层地震反应的等效线性化波动方法（廖振鹏等，1989）进行场地地震反应计算，所使用的计算程序为中国地震局组织鉴定验收的ESE软件。根据该住宅项目的岩土工程勘察资料，钻孔剖面钻探揭露的地层从上至下依次为：杂填土、粉质粘土、中砂、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密实卵石，为成都地区具有代表性的卵石场地剖面，其土层地震反应计算模型参数见表1。计算所采用的粉质粘土的动力非线性关系（动剪切模量比与阻尼比参数）由中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所测试，其他土类的动力非线性关系参考了“四川数字强震动观测网络建设”和“土的动剪切模量和阻尼比”中的实验结果（石兆吉，1989），见表2。

表1 钻孔剖面的土层地震反应计算模型参数

表2 各土层的动剪切模量比及阻尼比与剪应变的关系

续表

土类号土类参数剪应变γ/10-40.050.10.5151050100 5稍密卵石G/Gmax0.97600.95600.85800.76300.61500.48800.32600.1430 ζ0.00700.01000.02700.05000.06600.08400.10600.1240 6中密卵石G/Gmax0.98100.96000.87700.79300.68500.52300.34600.1530 ζ0.00500.00800.02300.03500.06600.08600.10500.1220 7密实卵石G/Gmax0.99640.97200.90940.82430.66320.53840.34990.1263 ζ0.00430.00750.02130.03150.04660.06360.07420.0923

3 基岩输入地震动

按照《工程场地地震安全性评价（GB 17741-2005）》（中华人民共和国国家标准，2005）的规定，依据对成都某住宅项目工程区域及近场区域地震活动性和地震构造背景的研究，笔者确定了对工程场地地震安全性有影响的地震带、地震构造区及潜在震源区划分以及地震带、地震构造区和潜在震源区地震活动参数，并利用所确定的适合本区的地震动衰减关系，采用地震危险性的概率分析方法，用中国地震局推荐的地震危险性分析程序包和部分自编程序，计算得到了钻孔剖面场地在50年超越概率63%（小震）、10%（中震）、2%（大震）水平下的基岩峰值加速度及基岩加速度反应谱，计算结果见表3和图2。

表3 地震危险性概率分析结果

以上面地震危险性分析得到的基岩加速度峰值和基岩加速度反应谱作为目标谱，采用随机相位差和适合本地区的包络函数，用人工数值模拟方法合成基岩地震波，作为土层地震反应计算的基岩输入地震动。在拟合地震动时程时，为了考虑相位随机性的影响，对不同概率档的目标反应谱（大震、中震、小震的目标谱）分别合成3条地震动时程，作为同一剖面计算模型的地震动输入。基岩地震动的合成以0.02s为时间间隔，共2048或4096个点。目标谱控制点在0.04—6.0s内插至78个点，以保证反应谱的拟合精度。在合成过程中，利用逐步逼近目标谱的方法，使合成的基岩地震波满足基岩加速度峰值，并近似满足基岩加速度反应谱，控制相对误差小于5%。

为检验上面各概率档的各3条地震加速度时程间的相关性，用式（1）：

=（1）

定义相关系数，计算各个加速度时程两两之间的相关系数，使其均小于0.1，以保证各加速度时程在统计上互不相关。

4 研究方案

《工程场地地震安全性评价（GB 17741-2005）》（中华人民共和国国家标准，2005）的规定，Ⅱ级工作（此住宅项目的工程场地地震安全性评价为Ⅱ级工作）在进行土层地震反应分析计算选取地震动输入界面时，应采用下列三者之一：①钻探确定的基岩面；②剪切波速不小于500m/s的土层顶面；③钻探深度超过100m，且剪切波速有明显跃升的土层分界面或由其他方法确定的界面。根据表1中计算模型的数据，笔者采用②规定确定密实卵石层顶面为地震动输入界面。然而波速测试报告中提供的各土层的剪切波速值均为该土层的平均波速值，而非各土层顶面处的波速值，该平均波速值大于土层顶面处的波速值，这样在进行土层地震反应计算时，输入界面处的剪切波速值就变大了，这将会对土层地震反应计算结果产生影响。另外，剪切波速测试方法的不同、仪器的精度和人为操作等各方面的原因，也会造成波速值的不确定，而且这种不确定性可达30%，甚至更高。为此，本文将通过改变地震动输入界面，来研究地表处土层地震反应计算结果的变化规律，将地震动输入界面分别定为剪切波速为500m/s、600m/s、700m/s、800m/s的土层顶面。

5 计算结果及分析

利用人工合成的不同超越概率（大震、中震、小震）下的各3条基岩地震波，并将幅值缩小一半后作为输入地震波，对场地剖面进行地震反应计算，笔者得到了在各个输入界面下的地表处土层地震反应计算结果。

5.1 地表加速度峰值

地表处的加速度峰值计算结果见表4，每次改变输入界面后计算所得到的加速度峰值比初始用500m/s土层顶面作为输入面所得到的加速度峰值增大的百分比见表5。

表4 地表处的加速度峰值/（cm/s2）

续表

地震动输入面P50=63%（小震输入）P50=10%（中震输入）P50=2%（大震输入）3条输入地震波下的平均值3条输入地震波下的平均值3条输入地震波下的平均值 VS=600m/s土层顶面62.0172.0310.0 VS=700m/s土层顶面64.0197.0346.0 VS=800m/s土层顶面68.0201.0357.0

表5 地表加速度峰值比初始计算值增大的百分比

从表4、表5中可以得出，无论是大震、中震还是小震输入，地表处的加速度峰值均是随着地震动输入面的变深而增大，最大增大20%以上，分别为25%、25%和24%。

5.2 反应谱特征周期

图3—图5为各种工况下反应谱的规准情况。表6g给出了反应谱特征周期，表7为每次改变输入界面后所得到的特征周期比初始用500m/s土层顶面作为输入面所得到的特征周期增大的百分比。

表6 反应谱特征周期（s）

表7 反应谱特征周期比初始计算值增大的百分比

从表6、表7中可以得出，无论是大震、中震还是小震输入，反应谱特征周期均是随着地震动输入面的变深而增大，最大增大10%以上，分别为10.8%、11.1%和13.2%。

从图3—图5可以看出，无论是大震、中震还是小震输入，0.04—1.0s范围内的反应谱均是随着地震输入面的逐渐变深而逐渐升高，1.0—6.0s范围内的反应谱基本一致，这说明地震动输入面的改变基本上未对1.0s以后的反应谱造成影响。

6 结语

本文选取了成都地区有代表性的典型卵石场地剖面，建立了土层地震反应分析计算模型，利用目前工程上广泛应用的土层地震反应计算分析软件，得到了不同输入强度下的地表土层地震反应计算结果随不同输入界面的变化规律。无论是地表加速度峰值，还是反应谱特征周期，在相同的地震动强度输入下，均是随着地震动输入面的变深而变大。当地震动输入面从500m/s的土层顶面变至800m/s的土层顶面时，在3种强度输入下，加速度峰值均增大了20%以上；同时，特征周期也均增大了10%以上，这便使得用于抗震设计的水平地震影响系数值将进一步变大，根据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）计算可知，当反应谱特征周期从0.34s增大至0.41s时，规范谱的曲线下降段约增大13%左右，直线下降段约增大3%左右。故若按800m/s的土层顶面作为输入面的计算结果进行工程抗震设计，便大大增加了工程建设项目的成本。因此，笔者建议《工程场地地震安全性评价（GB17741-2005）》（中华人民共和国国家标准，2005）在规定地震动输入界面处剪切波速下限值（最小值）的同时，也要根据安评项目的工作等级和工程特性规定其上限值（最大值），这样才能得到合理可靠并兼顾经济性的工程抗震设计结果。

致谢：感谢审稿专家对本文初稿提出的宝贵意见和建议。

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The Effect of Different Seismic Wave Inputting Interfaces on the Soil Layer Seismic Response

Li Jianliang1), Li Fuhai2), Peng Jinchuan1), Zhao Jing1), Lu Changjiang1), Kang Chuanchuan1)and Tang Caicheng3)

1) Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China 2) Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China 3) Sichuan Seistech Corporation, Ltd., Chengdu 610041, China

Based on a practical engineering site profile of Chengdu area, we studied the effect of different seismic wave inputting interfaces on the results of the soil layer seismic response. We found that both the peak ground acceleration and the characteristic period increased with the increase of depth of seismic wave inputting interface. The peak acceleration was increased by more than 20%, the characteristic period was increased by more than 10%. This conclusion can provide reference for seismic design engineers.

Seismic wave inputting interface；Peak acceleration；Characteristic period

四川省地震局地震科技专项项目（LY1509、LY1308）、地震行业科研专项分项项目（201008006-3）资助

2014-10-25

李建亮，男，生于1979年。硕士，高级工程师，注册地震安评师。主要研究方向：工程地震和地震现场（震害调查、科考与灾害损失评估）。E-mail：122529855@qq.com