基于强震动观测的场地效应非线性特性研究



基于强震动观测的场地效应非线性特性研究

罗桂纯

(中国地震局地球物理研究所，北京100081)

场地效应直接影响地震灾害的严重程度，结构响应是地震灾害的表现形式，场地地震非线性反应研究可为工程科学抗震设防提供依据，这一直是科学研究和工程应用关注的热点。研究场地效应特别是场地非线性影响，对于认识地震动的空间分布，进行建(构)筑物选址和抗震设防均具有重要的理论意义和实用价值。2008年汶川地震中，我国的强震动观测网络获取了大量高质量的加速度记录，这些记录为场地效应研究提供了基础资料和良好的发展机会。本文拟采用H/V谱比法和加速度反应谱法，利用汶川地震主震、余震、地脉动记录，进行场地效应，特别是场地非线性影响的研究，并利用一栋钢筋混凝土结构中的强震动观测数据，进行相关研究成果的应用研究。

首先，回顾国内外关于场地效应和场地地震非线性反应识别及结构响应特性分析的进展； 再在介绍场地非线性反应识别的主要方法(如，标准谱比法、广义反演法、数值模拟法、H/V谱比法、反应谱法)的基础上，开展了方法之间的比较分析，指出较为有效的场地效应非线性识别方法，即H/V谱比法和加速度反应谱法。

收集整理汶川地震强震记录资料和详细的场地条件资料，筛选出25个台站(3个基岩台，15个Ⅱ类场地台站，7个Ⅲ类场地台站)的强震动记录，并对所有选用的强震动记录特征进行分析统计，总结数据的特点，为下一步的场地效应非线性识别和研究做好准备工作。

评述25个台站的场地条件和主震强震动记录的数据特点和加速度峰值特征，并分别利用H/V谱比法和加速度反应谱法进行场地在主震强震动下的场地地震反应识别和分析。研究结果表明，对于加速度峰值较大的强震动记录，在识别场地卓越频率方面，速度反应谱H/V方法明显优于傅立叶谱H/V方法。反应谱计算得到主要频段和卓越频率，对H/V谱比法的计算结果，是一个很好的验证。探讨了反应谱最小二乘标定方法，进一步通过分析卓越频率、拐点周期、动力放大系数等场地特性参数，这些参数能较好地反映所在场地的地震动峰值特性和频谱特性，能利用特征周期进行场地类别的划分，确定场地类型。采用最小二乘标定的规准谱与实际反应谱的谱形非常接近，是一种简单易行就能得到反应谱参数(平台值、拐点周期和曲线衰减指数)的好方法，并可用于场地类型的复核。

收集和整理了25个台站的余震记录，从336次余震事件中选取1008条余震记录，评述了25个台站的余震强震动记录的数据特点和加速度峰值特征，并分别利用H/V谱比法和反应谱法进行余震强震动下的场地非线性反应识别和分析。选用台站的余震记录按照加速度峰值进行分组，100 gal以下、100～200 gal之间、200 gal以上进行分组平均，给出了场地效应随场地类别和地震动峰值加速度分档变化的规律： PGA为100 gal以上的地震动，随着PGA的增大，场地反应的非线性影响不仅表现在有放大倍数减小的变化趋势，而且表现为卓越频率向低频偏移。其中，Ⅰ类场地的非线性影响最小，Ⅱ类场地的非线性影响较大，Ⅲ类场地因为缺少100 gal以上的余震事件待后文综合对比分析再讨论。对于余震记录，从最小二乘标定法的计算结果可以得到，最小二乘法能有效地标定反应谱，并得到场地的拐点周期和动力放大系数，并依此进行场地类别的划分或者复核。

通过仔细的对比研究，选用余震记录的事前数据作为地脉动的数据来源，利用统一的截取标准，截取符合条件的地脉动数据。由于地脉动记录在不同的时间段信号差别非常大，因此，在筛选过程中，有些台站未能截选出合理的数据。本文将利用所选台站在余震事前记录到的地脉动数据，分析地脉动下的场地反应，结果表明： H/V谱比法能有效识别场地反应特性，给出场地的卓越频率； 对于地脉动之类的微震记录，傅立叶振幅谱H/V谱比法明显优于速度反应谱H/V谱比法。对于地脉动记录，从最小二乘标定法的计算结果可以得到，最小二乘法能有效地标定反应谱，并得到场地的拐点周期和动力放大系数，并依此进行场地类别的划分或者复核。对于Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地，随着PGA的增大，平台值没有明显变化，但是拐点周期向低频延长。

对比汶川地震主震强震动记录、余震强震动记录、地脉动记录中场地地震反应，进行台站场地类别、场地非线性识别研究，为我国抗震设计规范考虑更为科学和细致的场地地震动反应的非线性影响提供参考依据。为了更详细的分析，Ⅰ类场地以茂县地办、Ⅱ类场地以理县木卡等、Ⅲ类场地以武都作为代表，进行分析。基于计算结果，定性和定量分析不同类别的场地在不同加速度峰值档的非线性反应程度，结果表明： 对于Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地，地脉动、余震、主震的傅立谱H/V计算结果，都非常清楚地给出了场地的卓越频率，地脉动和小于100 gal的余震的傅立叶振幅谱H/V比曲线有非常好的对应关系，二者计算得到的场地卓越频率也非常一致。PGA为100 gal以上的地震动输入，场地的非线性影响都比较明显。总体而言，每个分值档之间的非线性影响程度，PGA为100 gal 以上的地震动： Ⅰ类场地受到非线性影响最小，一般不超过10%； Ⅱ类场地受到非线性影响居中，一般不超过15%； Ⅲ类场地受到非线性影响最大，最大可达20%。这和场地的土层厚度有非常大的关系： Ⅰ类场地没有覆盖土层或者很薄的覆盖土层，所有识别结果的差异都来源于地震动输入特性的差异； Ⅱ类场地和Ⅲ类场地由于存在一定厚度的土层，场地效应非常明显，因此，其场地的非线性影响也随之增强。但是，H/V谱比法计算的放大倍数只是一个相对值，并不能真实地反应场地的放大效应，放大倍数没有明显的规律可言。

速度反应谱H/V的结果，对上述结论进行了进一步的验证。但是，总体而言，傅立叶振幅谱H/V分析，比较适用于中震和小震以及地脉动，速度反应谱H/V对此类数据的处理结果不是太理想。而对于中震和大震，速度反应谱H/V方法优于傅立叶振幅谱H/V方法。二者的结合，能更好地识别场地的非线性反应。

加速度反应谱由于单个地震动记录的反应谱曲线很不规则，不同地震动的反应谱也各不相同，因此，不宜用单个地震动反应谱来推断场地特性。所以，主震记录得到的规准反应谱不一定代表场地特性，反而多次余震记录和多次地脉动记录反应谱的叠加平均，更能准确地给出场地的特性反应谱曲线。根据加速度反应谱的计算结果，利用最小二乘法进行标定，得到反应谱的主要频段和卓越频率，这也是对H/V谱比法计算结果的一种验证。

将H/V谱比法从场地效应推展应用到结构响应特性分析中，可以利用建筑结构模型取代土层模型对场地效应分析结果进行验证。首先评述H/V谱比法分析结构响应的有效性，并基于地脉动和地铁振动，分析了一栋钢筋混凝土建筑结构的响应。研究表明，利用地脉动背景噪声或沿线地铁振动信号，可以提供一种经济实用、灵活易行的结构响应分析方法，作为利用强震动加速度进行建筑物易损性分析的一个补充。

本论文的研究成果可为我国抗震设计规范考虑更为科学和细致的场地地震反应的非线性影响提供参考依据，并拓宽强震动记录在我国科学研究和工程实践领域的应用范围，有力推进强震观测事业的发展。

关键词场地效应； 非线性反应； 强震动记录； 主震； 余震； 地脉动； H/V谱比法； 反应谱法； 结构响应

(作者电子信箱，罗桂纯： gchluo@163.com)

中图分类号：P315.9；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.01.014