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古河道对工程场地地震动参数的影响
古河道对工程场地地震动参数的影响
楼梦麟* 林清
同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092
 [收稿日期]: 2008-09-20
摘要

以上海浦东机场二期航站楼软土场地为例,应用二维土体模型和一维土体模型分别计算了深覆盖土层的地震反应,讨论了古河道对场地地震动参数的影响。此外,在二维土层地震反应分析中,进一步对比了基岩面地震波行波输入和一致输入下,场地地震动参数的差异。


引言

浦东国际机场二期航站楼为树状新型大跨度空间结构,合理确定该工程的场地地震动参数是结构抗震安全性评价和结构抗震设计中应考虑的基本因素之一。该工程场址虽为平整的场地,但入海的古河道穿越工程的正下方,古河道上的沉积土较两岸的土层偏软,使得整个场地土层呈现不均匀分布。作者曾分析过苏通长江大桥场地的地震动参数,计算结果表明长江河道对大跨度桥梁场地地震动参数存在较大的影响,在场地土层的地震反应分析中,通常采用的是一维模型而没有考虑实际场地地形对于地震动的影响(楼梦麟等,2007)。本文将应用同济大学与华东电力设计院共同开发的二维土层等效非线性地震反应分析程序SR2D (陈昌斌等,2006),分别采用二维模型和一维模型计算该工程场地的土层地震反应,讨论古河道对场地地震动参数的影响。此外,在二维模型中对基岩面采用地震波行波和一致输入两种方式,来进一步讨论土层地震反应计算中基岩地震输入方式对场地地震动参数的影响。

目前,工程中常用的场地反应分析方法是频域等效线性化波动分析方法(廖振鹏等,1989),它是一种间接考虑土体非线性特性的方法,本文在土层地震反应分析中采用了这一等效线性化计算方法。

1 计算参数的确定
1.1 计算剖面和土体参数的确定

上海浦东国际机场二期航站楼纵向长度为414m,场地土层深度为400m,基本为水平均匀分层。航站楼下方的场地内存在“古河道”。该“古河道”最大埋深对应标高为-61.11m。"古问道"层底分布形状复杂,总体来说北侧较陡峭,南侧呈台阶状分布,地层分布相对比较平缓。图1为古河道中心区域的土层分布情况,表层土分布较均匀,底部以上土层层厚变化比较大,层厚从2.4m到32.29m不等。从勘测结果可知,古河道内土介质不仅与古河道两侧土层介质性质有所不同,而且较为松软,由此形成场地的不均匀性。

图 1古河道中心区域的土层分布情况 Fig. 1Distribution of soil layers near center regíon of ancient river bed

在计算模型中,深度取土层实际厚度d=4m,计算土层的水平范围取沿建筑物两侧外延5倍的深度(楼梦麟等,2003),所以横向尺寸为414+2×5×400=4414m。二维土体模型示意如图2所示。一维土体棋型分别取1号、2号、3号钻孔处的土层分布,具体位置见图2。

图 2二维上体模型 Fig. 2Two-dimensional soil site model

各层土体参数包括:密度、土层厚度、剪切波速等,它们分别采用的是工程场地实测数据。不同土层的土介质动剪切模量比和阻尼比依据上海地区的经验统计数据(上海地震局等,2004;Fei等,1991),而100m以下土体参数由于没有勘探数据,所以剪切波速根据经验公式确定(翁大根等,1993)。

1.2 基岩地震波
图 3基岩输入地震波加速度时程曲线 Fig. 3Acceleration with time in bedrock for input seisnljc wave

土层底部的地震动输入采用基岩50年超越概率为10%的地震波,峰值加速度% 为O.824m/s ,输入地震波如图3所示。经地震危险性分析,对该场地影响最大的潜在震源在工程场地的左侧方向。

2 计算结果分析
2.1 一维土层模型计算结果

以1号孔为例,图4为地表处地震波加速度时程曲线,加速度峰值放大了1.105倍。表现出土层对地震加速度峰值略有放大的特点,符合上海软土地基地震波峰值放大规律。图5为基岩处与地表处地震波加速度反应谱曲线,经过场地土的反应,地震波的低频成分有明显放大,特别在周期为2.7s(即土层的基本自振周期)处放大系数有一个明显的峰值。

图 4地表输出地震波加速度时程曲线 Fig. 4Acceleration with time history of seismic ground motion
图 5基岩输入和地表反应加速度反应谱曲线 Fig. 5Response spectra of bedrock for seismic wave and seismic ground motion output
2.2 一维模型和基岩一致输入下二维模型的结果比较

(1)地表地震动参数

图6和图7分别给出了1号孔、2号孔、3号孔地表点以一维和二维土体模型在一致地震输入下计算所得的地震波时程曲线。根据各个点的地震波加速度时程曲线,假定阻尼比为5%,可以得到各个点的加速度反应谱曲线。3个孔地表点的地震波峰值、动力系数峰值和地震影响系数最大值如表1所示。

图 61号、2号、3号孔地表点一维模型的地震波加速度时程曲线 Fig. 6Acceleration time history of seismic groundmotion at No.1,No.2andNo.3 soil surface point obtained from 1-Dmodel
图 71号、2号、3号孔地表点二维模型的地震波加速度时程曲线 Fig. 7Acceleration time history of seismic ground motion at No.1,No.2andNo.3 soil surface point obtained from 2-Dmodel
表1 3个孔地表点一维与二维模型所得地震动参数比较(基岩一致输入) Table 1 Comparison of seismic parameters at three soil surface point obtained from 1-D and 2-D models(uniform input at ground surface)

由表1中数据可看出,古河道的存在使得3个孔的地表地震加速度有所差别。在一维模型中,3个孔地表点地震波加速度峰值相对于基岩波峰值的放大倍数分别为:1.105倍、1.177倍、1.360倍;而在二维模型中,3个孔地表点地震波加速度峰值相对于基岩波加速度峰值的放大倍数分别为:1.110倍、1.189倍、1.240倍。同时也可看出,古河道的影响在不同计算模型中也是不一样的。在一维模型中,3号孔的地震波加速度峰值较1号孔增大23%;而在二维模型中,3号孔与1号孔的地震波加速度峰值之间的差别没有一维模型中那么显著,增大了12%。3个孔的地震影响系数最大值αmax变化规律与地震波加速度峰值基本相同。

定义相对误差e=(a2a1)/a1×100%,其中:a1为一维模型下的地表加速度峰值;a2为二维模型下的地表加速度峰值。如果e为正,表示二维模型下的土层地震反应大于一维模型下的土层地震反应,反之亦然。从表1数据计算可得3个孔加速度峰值的相对误差分别为:0.49%、1.01%、-8.83%。类似地可算得地震影响系数最大值的相对误差分别为:-0.87%、-3.38%、-3.33%。上述结果表明:在基岩一致输入时,分别以各自孔位所在土层进行一维计算,所得地表地震动参数与二维模型计算所得结果之间是有差别的,加速度峰值的误差可达10%左右。

(2)加速度峰值沿土层深度的分布情况

分别取3个孔沿深度方向土层分界面处一维与二维模型计算所得的地震波加速度峰值,如图8所示。从曲线趋势来看,从基岩处-400m开始,随着深度的减小加速度峰值逐渐减小,当到达-100m左右深度时加速度峰值最小;同时从这里开始,加速度峰值逐渐增大,但是在接近地表处有个反向的突变;随着越接近地表,加速度峰值达到该孔处的最大。观察加速度峰值反向突变处为地面点往下第二点和第三点处,该两点处为淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土与砂质粉土的分界面处。总体上看,一维与二维模型计算所得的土层底部各点的加速度峰值比较接近,接近地表时,相差较大,尤其是3号孔。

图 8基岩一致输入时1号、2号、3号孔地震波加速度峰值沿深度变化 Fig. 8Variations ofpeak acceleration of seismic waves with depth of No.1,No.2 and No.3 pole under uniform input at surface
2.3 一维模型和基岩行波输入下二维模型的结果比较

(1)地表地震动参数的分布情况

下面我们分析二维模型中基岩地震行波输入(行波方向从左向右,视波速取1500m/s,以下简称二维行波)时,所得场地地震动参数与一维模型(以下简称一维)所得地震动参数之间的差异。场地地表3个点的地震波峰值、动力系数峰值和地震影响系数最大值见表2。由表2中数据可看出,考虑基岩地震行波效应后,3个孔的地表地震加速度明显小于一维模型所得结果。3个孔地表点的加速度峰值差别分别为:-7.00%、-16.36%、-38.52%。地震影响系数最大值的差别分别为:-26.33%、-33.35%、-29.34%。

表2 3个孔地表处一维与二维行波输入模型地震动参数比较 Table 2 Comparison of seismic parameters at three soil surface point obtained from 1-D and 2-D models with traveling wave input

(2)加速度峰值沿土层深度的分布情况

图9所示为3个孔沿土层不同深度处的地震波加速度峰值的比较。3个点的加速度峰值误差较一维与一致输入下二维模型间的误差明显增大,且行波输入下二维模型所得结果比一维模型结果要小很多。加速度峰值沿土层深度的变化趋势总体上与上述相同,、即从基岩处-400m开始,随着深度减小加速度峰值逐渐减小,当到达-100m左右深度时加速度峰值最小;同时从这里开始,加速度峰值逐渐增大;随着越接近地表,加速度峰值达到该孔处最大。在淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土与砂质粉土的分界处,加速度峰值局部骤减。所不同的是沿土层深度二维模型所得结果都比一维模型结果要小很多,且土层底部的差别大于地表处的差别。

2.4 二维模型基岩一致输入与行波输入结果比较

(1)地表地震动参数的分布情况

下面我们比较二维模型时考虑基岩地震波行波与一致输入时的场地地震参数的特点,如表3所示。从表3的数据可知,当行波输入时所得场地地震波峰值较一致输入时小,3个孔地表点的差别分别为:_7.45%、-17.2%、-32.56%;地震影响系数差别分别为:-25.28%、-27.87%、-26.92%。值得注意的是,当基岩地震一致输入时,3号孔的地表地震加速度最大;而当基岩地震波从左向右传播时,3号孔的地表地震加速度最小,表明古河道的影响十分明显。

图 9一维一致输入与二维行波输入时1号、2号、3号孔地震波加速度峰值沿深度变化 Fig. 9Variation of peak acceleration of seismic wave with depth of No.1,No.2 and No.3 pole (1-D and 2-D models with traveling wave input)
表3 3个子L地表点处二维一致输入与行波输入地震动特征比较 Table 3 Comparison of seismic parameters at three soil surface point (2-D model with uniform and traveling input)

(2)地震动参数沿土层深度的分布情况

3个孔在二维模型一致输入和行波输入时,地震波加速度峰值如图10所示,其变化规律与上述相同。

图 10二维一致输入与行波输入时1号、2号、3号孔处地震波加速度峰值沿深度变化 Fig. 10Variation of peak accelera~on of seismic wave with depth of No.1,No.2 and No.3 pole (2-D model with uniform and traveling input)

输入不同超越概率下,所得的不同基岩地震波结果的变化规律也基本相同,在此不再一一列出。

3 结语

(1)对于深覆盖软土地基,地震波的低频成分明显被放大。

(2)古河道的存在对场地的地震动分布有一定的影响,尤其在考虑了基岩地震的行波传播效应后,这种影响明显加大。在实际工程中,应关注古河道等局部场地不均匀性带来的影响。

(3)本文和作者以前的研究结果(楼梦麟等,2007)表明:基岩地震波的传播情况对土层地震反应有较大影响。如何合理考虑基岩地震波的传播效应,应是今后需要深入研究的课题。

(4)工程场地中存在古河道对上部结构的地震反应影响,仅从对输入地震动参数的影响还难作出判断。从已进行的相应结构地震反应分析结果看,对结构不同部位的影响是不相同的,没有简单的一致变化规律,相关成果另文介绍。这就要求对这类不均匀工程场地的地震安全性评价不能只提供单点的地震动参数,而应提供多点的地震动参数,以便于上部大跨度结构进行合理的地震反应分析。

参考文献
1.陈昌斌,楼梦麟,陶寿福,2006.二维场地地震反应有限元分析的问题探讨.震灾防御技术,1(4):292—301.
2.翁大根,徐植信,1993.上海地区抗震设计反应谱研究.同济大学学报,21(1):9—16.
3.楼梦麟,范幺清,叶爱君,2007.苏通大桥初设阶段主桥场地地震反应计算.防灾减灾工程学报,27(4):429—435.
4.楼梦麟,潘旦光,范立础,2003.土层地震反应中侧向人工边界影响的数值研究.同济大学学报(自然科学版),31(7):757.
5.廖振鹏,李小军,1989.地表土层地震反应的等效线性化方法.见:地震小区划——理论与实践,廖振鹏主编.北京:地震出版社,141—153.
6.上海地震局,同济大学,2004.上海市地震动参数区划.北京:地震出版社,161—162.
7.Fei H.C.,Wu Y.W.,Woods R.D.,1991.Dynamic Properties of Soil Ground in Shanghai.See:Proceedings of Second International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics.St.Louis,Missouri,USA,11—15.


Effect of Ancient River Bed on Seismic Parameters of Engineering Site
Lou Menglin* and Lin Qing
State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China
Abstract

Taking the site of terminal building of Pudong International Airport Phase 2 as an example,the seismic responses of soil layer with deep deposits have been calculated using both two dimensional and one dimensional models respectively,and the effects of the ancient river bed buried in the engineering site on the seismic parameters are discussed.Moreover,the seismic responses of the soil layer are analyzed under the excitations of the seismic traveling-wave and uniform input respectively for comparing the differences between seismic parameters of the site with and without considering the effect of buried ancient river bed.



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古河道对工程场地地震动参数的影响
楼梦麟* 林清
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20080412