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基于汶川地震远场强震动记录的厚覆盖土层对长周期地震动影响分析
基于汶川地震远场强震动记录的厚覆盖土层对长周期地震动影响分析
徐扬*1) 赵晋泉1) 李小军2) 马秀芳1) 赵向佳1)
1)山西省地震局,太原030021
2)中国地震局工程力学研究所,哈尔滨150080
 [收稿日期]: 2008-11-15
摘要

利用2008年5月12日汶川8.0级地震的远场强震动记录,研究太原盆地厚覆盖土层对长周期地震动的影响,并将其结果与地震安全性评价工作中的土层反应分析结果进行比较。结果表明:厚覆盖土层对长周期地震动有很强的放大作用,覆盖层厚度越厚,峰值出现的周期越大,而相对于基岩最大放大可达9倍左右。另外,对于厚覆盖层的场地,观测结果与场地地震安全性评价计算结果在一定的长周期范围内差别相当大,相对于基岩,观测结果的放大系数至少高于场地地震安全性评价计算结果的2倍以上,最大达到近9倍。


引言

具有较长自振周期的大型建筑或构筑物,如大跨度桥梁、超高层建筑、储油罐等,其抗震设计需要长周期的地震动参数。

目前对地震动长周期特性的研究,在总体上还处于相对不成熟的阶段。究其原因,一是上世纪90年代以前的模拟观测资料在长周期部分不可靠(俞言祥,2004);二是根据已有的研究,对于1-10s或更长周期的地面运动,地下数百至数千米的介质特性对其运动特征有相当大的影响(The Architectural Institute of Japan,1993),但由于一般无法了解场地下部数百至数千米这样深度范围内介质的详细特性,所以即便有了比较可靠的长周期基岩衰减关系,要比较精确地进行厚覆盖层场地地面地震动特征的理论分析也很困难。

目前研究长周期地震动特征,特别是厚覆盖层场地长周期地震动特征的方法,主要还是以强震记录分析为主。Zama利用日本气象厅低放大倍数位移记录的反应谱,标定了不同震源区的地震在日本东京、新和大阪地区的长周期反应谱放大因子。结果表明,放大因子随周期变化明显,并且不同地震震源区和不同地区场地的放大因子也不相同,在某些地区,放大因子在周期10s时最大达到8(俞言祥,2004)。

谢礼立等(1990)分析了1985年墨西哥8.1级地震及7.5级余震的数字强震仪记录的长周期特性。墨西哥地震时,在墨西哥市内不同场地上的平均加速度反应谱形状有明显区别。基岩场地的平均放大系数反应谱β曲线峰值在周期0.8-0.9s左右;而软弱场地的平均放大系数反应谱β曲线峰值则在周期2.0-3.0s左右。这反映出墨西哥市湖成堆积软土层对周期2.0-3.0s地震动的放大特性。总体而言,软土场地上的绝对加速度反应谱值和加速度峰值要比基岩场地上的大几倍。

2008年5月l2日14时28分04秒,四川省汶川县发生了8.0级地震(北纬31.0º,东经103.4º),山西省距震中约800—1200km范围内,有27个“十五”期间建设的数字强震台站记录到了此次地震。在所有的加速度纪录中,最大加速度峰值为30.5cm/s2;最大纪录长度为382s;记录的卓越周期都在1.0s以上。这27个强震动观测台站均为土层台,台址部位的土层覆盖厚度范围大致为30—2000m,其中大部分台站位于土层覆盖厚度大于100m的断陷盆地内。从此次地震的观测记录中,可以明显地看出深部盖层介质对长周期地震动的影响:在位于覆盖层较薄(几十米)的基岩隆起区,其强震台记录的加速度峰值和加速度谱值的平台段,要比其它位于覆盖层较厚(100m以上)盆地中的强震台记录低2—4倍左右。另外,小范围内几个台站记录的加速度反应谱平稳段的拐点周期一般也随着土层厚度的增加而增大。由此可见,基岩上部的厚覆盖土层对长周期的地震动起着重要的放大作用。

1 研究内容和思路

本文利用2008年5月12日四川省汶川8.0级地震获得的远场强震动记录,主要研究了太原盆地厚覆盖土层对长周期地震动的影响,并将其结果与地震安全性评价工作中的土层反应分析结果进行了比较。

地震动的特征主要取决于震源特性和传播路径的介质性质。在较大地域范围内,由于地球浅部介质的性质和形态一般变化较大,所以传播路径的介质性质对地震动特征的影响比较复杂。为此,本文利用汶川大地震中太原盆地2个距离较近、但覆盖厚度变化较大的远场数字强震动水平加速度反应谱,同时与距离这2个台站较近、位于覆盖层很薄的基岩隆起区的1个台站记录的结果进行对比,深入研究太原盆地这样一个小范围内厚覆盖土层对长周期地震动特征的影响。

由于上述3个台站的距离较近,相对于距离1lOOkm左右的震中可以看成一个点,因此对于同一个地震,可以认为这3个台站的基岩地震波具有近似相同的幅度和频谱。由于其中2个台站位于盆地内厚覆盖层的距离很近,而且均位于盆地的近南北方向的中轴线上,所以除了覆盖层厚度不同外,其东西两侧盆地边缘的性质相差不大,介质的性质差别也不大,可以近似地认为像盆地形状这样一些结构的影响差异不大,这样就突出了覆盖层厚度的影响,所以可以认为造成反应谱形状差别的主要原因是覆盖层厚度的影响。

已有的研究表明,覆盖层很薄的场地地震动加速度反应谱在1.0s以上的长周期部分与基岩近似,因此,可以将位于覆盖层很薄的基岩隆起区台站记录的长周期运动特征看作是基岩的特征。

此外,本文还分别选择了太钢台、小店台附近的2个工程场地的地震安全性评价中土层反应分析结果,与强震动观测的结果进行比较分析。

2 数据与处理
2.1 观测台站及场地条件

本文所选的3个台站均在太原地区,它们分别为太钢台(TG)、小店台(XD)和古交台(GJ)。小店台和古交台距太钢台的距离分别为15km和20km。3个台距震中的距离约1100km。所选台站的分布见图1,各台站基本情况及水平向PGA见表1。

古交台位于隆起区,覆盖层厚度约30m;太钢台位于太原盆地的北部,覆盖层厚度约300m;小店台位于太原盆地的中部,覆盖层厚度约500m。太钢台和小店台的地层情况见图2。

图 1 3个台站的分布情况 Fig. 1 Mapofseismicstationlocations
图 2小店台和太钢台的地层 Fig. 2Geological profile under Xiaodian and Taigangs tations
2.2 观测仪器特性

小店台的记录器为美国Kinemetrics公司的Alms Atna;太钢台和古交台的记录器为瑞士Syscom公司的SYSCOM MR2002;三分向加速度计均为中国地震局工程力学研究所的SLJ-100。

上述仪器组成的强震动观测仪器系统的动态范围>108dB,频响范围为DC到80Hz,可记录的最大加速度值为±2g。

时间服务系统采用GPS时间系统。记录的采样率为200sps;记录方式采用阈值触发方式,事件触发阈值的范围为2cm/s2一6cm/s2,事前时间和事后时间均设置为20s。

图 3 3个台站的E-w向水平加速度纪录 Fig. 3Horizontal acceleration records in E-W direction at three stations
2.3 观测数据与处理

对于本次地震的水平向记录而言,小店台和古交台的E-W向峰值加速大于N-S向;而太钢台的2个水平分向几乎相等,同一个台2个水平分向反应谱的特征基本相同。而且根据已有的研究,2个水平向中较大者与其矢量的合成值相比,其差别一般小于10%,因此,在本文中选取3个台的E-W向水平加速度记录近似地代表水平向的加速度,见图3。

数据处理包括:对加速度波形数据的基线校正、高通滤波和加速度反应谱计算。其中,基线校正采用事前时间(20s)90%的波形数据平均值作为校正值,用以校正整个波形;滤波采用6阶的高通滤波器对加速度记录进行滤波,高通滤波器的拐点频率为0.033Hz(周期为30s),将周期30s以上的低频成分滤除。

2.4 工程场地地震安全性评价的基岩和土层反应分析数据

本文选择太钢台附近的太原二电厂(ED)和小店台附近的华宇住宅楼(HY)工程场地地震安全性评价中的数据,与强震动观测结果进行比较分析。由于这2个工程场地相距较近,其基岩水平加速度反应谱差别不大,所以采用2个场地地震危险性分析得到的平均结果,作为这2个工程场地共同的基岩结果。

表1 3个台站的基本情况及水平PGA Table 1 Basic parameters for ground motion stations and horizontal PGA records in the case study
3 结果与讨论

太钢、小店和古交3个台站观测记录的水平向加速度反应谱及太原二电厂和华宇住宅楼2个工程场地地震安全性评价的基岩和地表水平加速度反应谱见图4。阻尼比为均为0.05。为了便于对比,图4中地震安全性评价的结果均除以相同的系数,使其峰值加速度与观测的结果近似。

太钢、小店2个厚覆盖台站水平加速度反应谱与基岩隆起区古交台的结果之比,以及太原二电厂和华宇住宅楼2个场地地震安全性评价土层反应分析得到的地表水平加速度反应谱与相应的基岩结果之比见图5。

由图4和图5可以看出,对于观测结果,当周期大于0.8s以后,2个厚覆盖土层场地的水平向加速度反应谱值与基岩场地的结果相比迅速增大,覆盖层厚度为300m 的太钢台峰值出现在1.8s左右,此时比基岩结果放大9倍;而覆盖层厚度为500m的小店台峰值出现在2.8s左右,比基岩结果放大近8.5倍。覆盖层厚度越厚,峰值出现的周期越大。这个结果与物理概念的结果一致,即在其它条件相似的情况下,覆盖层厚度越厚,其等效的共振周期也越大。


O:观测记录结果;CS:场地地震安全性评价计算得到的地表结果;CB:场地地震安全性评价计算得到的基岩结果
图 4观测记录及场地地震安全性评价的水平向加速度反应谱(阻尼比:0.05) Fig. 4 Horizontal acceleration response spectra from the observation records and from
the proiect of evaluation of seismic safety for engineering sites (damping ratio 5%)

O:观测记录结果;CS:场地地震安全性评价计算得到地表结果:CB:场地地震安全性评价计算得到基岩结果
图 5观测记录和场地地震安全性评价计算的土层地表水平向加速度反应谱与相应的基岩谱之比 Fig. 5 Ratios of horizontal acceleration response spectra between soil site andbedrockfrom the observation records and from the proiect of evaluation of seismic safety for engineering sites

由图5还可以看出,大致在0.8—8.0s的周期范围内,观测结果与场地地震安全性评价结果差别相当大,观测结果放大系数至少高于场地地震安全性评价计算结果的2倍以上,最大达到近9倍。究其原因,主要是由于对于1.0-10s或更长周期的地面运动,地下数百至数千米的介质特性可能对其运动特征产生相当大的影响。但对于厚覆盖层场地,一般的场地地震安全性评价工作不可能得到场地下部这样深度范围内介质的详细特性,通常只能了解100m以上介质的性质,并建立简化的场地土层计算模型,开展场地对地震动的计算分析,所以可能造成长周期计算结果的较大偏差。鉴于此,我们认为,在进行位于厚覆盖层场地具有较长自振周期重大建筑或构筑物的抗震设计时,应注意考虑厚覆盖层对长周期地震动的可能放大作用,最好能利用场地附近或类似场地条件下的强震动记录的结果进行必要的补充分析,以给出更为合理的长周期设计地震动,否则,这类建筑物即便是在遭遇较远的地震时,也可能会产生严重的破坏,如1985年墨西哥地震中震中距400km外的墨西哥城高层建筑的严重破坏就是这方面的一个明显例证。

图6给出了观测记录与太原二电厂场地地震安全性评价得到的土层地表50年超越概率10%和2%的水平向加速度反应谱(阻尼比:0.05)的比较。从图6可以看出,在此次汶川地震中,虽然太原市区的水平向地震动峰值加速度只有20cm/s2左右,但在周期1.8s左右,其加速度反应谱值已接近或超过地震安全性评价结果中50年超越概率10%的值,这也正是为什么此次汶川I地震造成了1000多公里之外的太原市少数20多层的高层建筑出现轻微破坏(裂缝)的原因。


O:观测记录结果;CS:场地地震安全性评价计算得到的地表结果
图 6 观测记录与太原二电厂场地地震安全性评价得到的土层地表50年超越概率
10%和2%的水平向加速度反应谱比较(阻尼比:0.05)
Fig. 6 Comparison of horizontal acceleration response spectrabetwen recordsand resultsfrom evaluationof seismi c safety for engineering sites with 10% and 2%
exceeding probability in 50 years (rdamping ratio 5%)
4 结语

本文利用汶川地震中太原盆地3个台站的地震记录,分析了厚覆盖土层场地对地震动长周期特性的影响,并分析了其与本区域工程场地地震安全性评价工作结果的差异,希望该研究结果对相关研究和工程场地地震安全性评价设计地震动参数的确定工作有参考价值。由于此次汶川I地震的远场记录幅度较小,所以场地土体的非线性影响未能得到充分的体现。从定性的角度来说,当地震动幅度较大时,也就是非线性的影,i~DH大时,较松软厚覆盖土层场地对地震动长周期成分的放大程度可能会有所改变,且地震动反应谱峰值段将会向更长的周期移动。另外,除了覆盖层的厚度以外,土层结构、局部地质地形(如盆地底部的形状)以及土的动力学参数等也对地震动的特征有不同程度的影响。因此,从定量的角度来说,本次太原盆地得到的结果与其它一些构造和岩性差别较大地区的情况并不一定完全一致,但从定性的角度来说,本文得到的厚覆盖层对长周期地震动会产生较大放大作用的结论应具有普遍意义。

参考文献
1.谢礼立,周雍年,胡成祥,于海英,1990.地震动反应谱的长周期特性.地震工程与工程振动,10(1):1—7.
2.俞言祥,2004.长周期地震动研究综述.国际地震动态,7期:1—2.
3.The Architectural Institute of Japan,1993.Earthquake Motion and Ground Condition.丸善株式会社,115.


Study on Effect of Thick Sedimentary Layers on Long-period Ground Motion from Far-field Strong Motion Records of Wenchun Earthquake
Xu Yang*1), Zhao Jinquan1), Li Xiaojun2), Ma Xiufang1) and Zhao Xiangjia1)
1) Earthquake Administration of Shaxi Province,Taiyuan 030021,China
2) Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin 150080,China
Abstract

Based on the far-field strong motion records from Wenchuan MS8.0 earthquake,effect of thick sedimentary layers on long-period ground motion in Taiyuan basin is studied.The results are compared with those from the previous projects on evaluation of seismic safety for engineering sites.We found that the long-period ground motion is amplified by the thick sedimentary layers in Taiyuan basin greatly in some range of period.The thicker the sedimentary layer is,the longer the dominant period of ground motions appears.Compared to the bedrock,the largest magnification of ground motion on soil site comes up to 9 times.In addition,for thick sedimentary sites,the observation records are considerably different from the results of previous projects on evaluation of seismic safety for engineering sites in some long period range.For bedrock,the magnification factor of observation records are at least 2 times higher than those from evaluation of seismic safety for engineering sites,and the maximum is up to nearly 9 times.



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基于汶川地震远场强震动记录的厚覆盖土层对长周期地震动影响分析
徐扬*1) 赵晋泉1) 李小军2) 马秀芳1) 赵向佳1)
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20080403