场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用

场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用 α 场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用 ))))1211路彭远黔 正 李雪英 高登平 ) ) 1河北地震局, 石家庄 050021 2石家庄市地震局, 石家庄 050055 摘 要 根据工程项目场地地震安全性评价工作中所进行的场地脉动卓越周期测试和 剪切波速测试结果, 以及地震反应分析计算结果的研究分析, 根据现行工程抗震设计规范, 将 场地脉动卓越周期作为工程抗震中场地土类型、场地类别划分的参考标准, 以及与工程场地 地震反应分析计算结果回归分析, 结合场地地震危险性概率分析, 估算场地地震动峰值加速 度, 应用于工程抗震设计中。 主题词: 周期变化; 工程抗震对策; 地震危险性分析 0 引言 工程抗震设计是地震区建筑物设计中的重要内容, 通常除了测试场地土剪切波速, 进 行场地土类型划分、场地类别划分、场地地震反应分析外, 测试场地脉动卓越周期也是一 项重要工作。场地脉动卓越周期的测试除了防止特殊的地震效应发生; 避免拟建建筑物自 振周期与场地脉动卓越周期一致或接近, 在地震发生时, 地基与建筑物产生共振或类共 振, 还可依据场地脉动卓越周期作为工程抗震中场地土类型划分、场地类别划分的标准, 以及估算地震动峰值加速度。 () 自 60 年代以来, 我国在场地脉动 即常时微动观测和应用方面进行了大量的研究, 随着测试仪器的发展和数据处理的快捷, 场地脉动的观测已广泛应用在工程实践中。 60 〔1〕年代工程力学进行了大量常时微动的观测, 得出场地土质与常时微动特征的关系。1964 年的抗震设计规范将场地脉动卓越周期作为场地分类的标准之一; 尽管 1989 年的建筑抗 震设计规范中未将场地脉动卓越周期作为场地分类的标准, 但其培训教材中允许其作为 参考标准。 随着观测资料的积累, 实际工作的需要, 进行进一步的研究是有必要的。 地震动峰值加速度是抗震设计中的一项重要基本参数。 由于我国缺乏丰富的强震记录, 通过强震记录推算地震动峰值加速度比较困难, 再由于工程造价等原因, 一般工程未 〔2〕必为计算地震动峰值加速度而进行场地地震反应分析。 据研究, 场地脉动卓越周期、地 震烈度和地震动峰值加速度之间有一定的关系。 通过场地脉动卓越周期估算地震动峰值 加速度是可行的。 α 收稿日期: 2000204201 1 抗震设计 场地脉动卓越周期主要为评价给定场地设计地震作用与结构抗震验算作依据, 同时 避免拟建建筑物的自振周期与场地的卓越周期一致或接近, 在地震发生时, 地基与建筑物 产生共振或类共振, 从而大大增加振动幅值和时间, 致使建筑物破坏。 中 国天然气管道 ( 局廊坊第九生活区建筑群由 34 栋楼组成, 其中 11 栋为 18 层 高 )) ( 58, 场地主要地层为: ?粉土; ?粉质粘土; ?砂。 其脉动卓越周期为 0. 38 南北向、m s )) ((0. 35 东南向、0. 38 竖向见表 1、表 2, 在进行抗震设计时采取调整拟建建筑物的自振 s s 周期及刚度的措施, 避免拟建建筑物的自振周期与场地脉动卓越周期一致或接近, 以免在 地震发生时, 建筑物与地基产生共振或类共振, 致使建筑物破坏。 表 1 部分工程场地脉动测试结果、场地烈度值和地震反应分析峰值加速度 地表水平峰值加速度 烈 度 值 - 22 剪切波速场地脉动卓越周期 ()10ƒ m s ()加权平均值 秒 序工程 超越 概 率超越 概率 号名称3% 3% 63% 10% 63% 10% 南北东西竖向sm V sn V 或 2% 或 2% 537 0. 15 0. 15 0. 15 5. 8 7. 4 8. 2 36. 7 146. 6 298. 9 邯峰电厂1 632 0. 14 0. 15 0. 15 5. 8 7. 4 8. 2 37. 4 153. 3 311. 0 787 京张高速293 341 0. 21 0. 20 0. 20 5. 8 7. 4 8. 1 56. 7 183. 2 301. 5 2 332 公路 298 0. 21 0. 21 0. 22 5. 8 7. 4 8. 1 55. 5 183. 3 313. 7 保定银团 3 257 306 0. 23 0. 20 0. 20 5. 3 6. 7 7. 3 35. 1 79. 0 137. 5 大厦 保定供电 260 289 0. 24 0. 24 0. 23 5. 3 6. 7 7. 3 27. 5 82. 7 169. 1 局调度楼 4 268 287 0. 24 0. 24 0. 24 5. 3 6. 7 7. 3 28. 5 84. 7 170. 7 安国市 235 267 0. 30 0. 29 0. 34 5. 4 6. 7 7. 2 37. 2 92. 4 143. 5 电信楼 5 247 268 0. 28 0. 28 0. 33 5. 4 6. 7 7. 2 35. 1 90. 9 148. 8 保定钞票纸厂 高层住宅楼 247 285 0. 29 0. 30 0. 31 5. 3 6. 7 7. 3 32. 4 86. 4 164. 2 6 山西电力局 253 290 0. 27 0. 28 0. 29 5. 3 6. 7 7. 3 32. 9 87. 7 166. 1 杏花岭高层 5. 8 7. 8 8. 8 47. 6 206. 7 444. 2 215 245 0. 30 0. 32 0. 30 住宅楼 204 251 0. 30 0. 34 0. 30 7 邯钢高层 205 239 0. 29 0. 32 0. 12 5. 8 7. 8 8. 8 51. 3 228. 2 445. 1 住宅楼 220 262 0. 33 0. 32 5. 4 6. 9 7. 5 32. 2 111. 7 208. 9 河北沧州 8 230 267 0. 34 0. 34 5. 4 6. 9 7. 5 32. 0 115. 1 216. 0 工程 TD I 146 182 0. 42 0. 31 0. 33 宣大高速 9 5. 3 6. 3 6. 9 51. 0 83. 2 161. 0 139 158 0. 38 0. 31 0. 31 公路 中国天然气 249 301 0. 31 0. 32 0. 37 5. 8 7. 2 7. 8 67. 6 160. 7 213. 0 10 212 234 0. 35 0. 35 0. 38 5. 8 7. 2 7. 8 70. 1 152. 4 195. 1 164 201 0. 37 0. 41 0. 41 11 管道局廊坊5. 6 7. 1 7. 9 43. 1 156. 1 249. 3 163 182 0. 38 0. 35 0. 38 第九生活区 表 2 工程场地基本情况 序工 程地下水位代表性钻孔地层情况 地貌 () () 号 场 地 25以上 m m ()粉质粘土 厚 3. 0 1 低山丘陵中邯峰电厂 () 强风化泥质细砂岩 厚 4. 0m 的盆地 () 强风化砂质泥互层 厚 2. 3m () 强风化细砂岩 厚 1. 1强风m () 化泥质细砂岩 厚 6. 6中等m ()风化砂质泥岩 厚 1. 7m () 卵石 厚 3. 9粉质m 2 京张高速公路盆地 () 粘土 厚 0. 9卵石 m () 厚 4. 0粉质粘土 m (() 厚 0. 7卵石 厚 m () 2. 6粉质粘土 厚 m () 1. 8卵石 厚 11. m )7m () 杂填土 厚 1. 5m 3 保定银团大厦冲积平原18. 3 () 粉土 厚 8. 0中m ()砂 厚 3. 5m () 粉质粘土 厚 6. 4m () 细砂 厚 1. 6m () 中砂 厚 4. 0m () 粉土 厚 4. 1粉质m 4 保定供电局调冲积平原18. 9 () 粘土 厚 6. 3细砂 m 度楼() 厚 5. 4粉质粘土 m ()厚 9. 2m () 耕土 厚 1. 0粉质m 5 安国市电信楼平原13. 4 () 粘土 厚 3. 4中砂 m ()厚 2. 7m () 粉土 厚 1. 1m () 粉质粘土 厚 3. 8m () 细砂 厚 5. 4粉质m () 粘土 厚 5. 1粉土 m ()厚 3. 9m () 素填土 厚 0. 7m 6 保定钞票纸厂冲积平原23. 9 () 粉土 厚 2. 2粉m 高层住宅楼()砂 厚 4. 2m () 粉质粘土 厚 4. 1m () 细砂 厚 4. 6粉质m ()粘土 厚 4. 8m () 粉土 厚 1. 0m () 细砂 厚 2. 8m 续表 2 工程场地基本情况 序工 程地下水位代表性钻孔地层情况 地貌 () () 25以上 号 场 地 m m ()杂填土 厚 2- 3 m 7 山西电力局杏太原盆地1. 59?平均 ()粉土夹砂层 厚 12- 19 花岭高层住宅 m 级阶地楼 邯钢高层住() 粉质粘土、粉土 最厚 37m 宅 楼 () 杂填土 厚 0. 3- 1. 9m 8 平原 ()15. 1 粉质粘土 厚 8. 8- m ()中砂 厚 0. 7- 3. 2 m ()粉质粘土 厚 2. 4- 8. 3 m ()9. 1 粗砂、砾卵石 厚 2. 5- m () 粘土 厚 1. 3粉土 m 1. 2 9 平原边缘河北沧州 TD I () 厚 1. 7粉质粘土 m 工程 (() 厚 1. 6粘土 厚 m )2. 0m () 粉土 厚 2. 9m () 粘土 厚 0. 5粉土 m () 厚 1. 5粉质粘土 m (() 厚 7. 3粉土 厚 m () 2. 7粉质粘土 厚 m () 0. 5粉土 厚 2. m ) (0粉质粘土 厚 9. m )0m ()粉质粘土 厚 2. 8m 10 宣大高速公路山区未见 () 细砂 厚 2. 2m () 圆砾 厚 13. 8m () 细砂 厚 8. 7m () 粉土 厚 4. 8m 11 中国天然气管河冲积平原 () 粘土 厚 1. 7m 道局廊坊第九 ()粉土 厚 4. 1m 生活区 () 粉质粘土 厚 1. 2m () 粉土 厚 3. 2m () 粘土 厚 8. 0m ()粉砂 厚 3. 8m 2 场地土类型划分 现行建筑抗震设计规范对场地土类型的划分是以剪切波速加权平均为划分标准, 国标 (() 《建筑抗震设计规范》11—89和电力行业标准《水工建筑物抗震设计规范》5073— GBJ DL ) 1997的场地土划分都以地表以下 15范围内剪切波速加权平均值 为标准。m V sm 由表 1 中剪切波速加权平均值 与脉动卓越周期比较可见, 越大, 场地脉动卓 V sm V sm 越周期越小, 这说明场地卓越周期实际上定性反映了场地覆盖层一定深度内的软弱程度, 得到以下关系式: - 1. 19 南北向: = 52. 5相关系数 = 0. 95V sm T r - 1. 12 东西向: = 57. 0相关系数 = 0. 86V sm T r - 1. 02 竖向: = 65. 4相关系数 = 0. 66V sm T r 上述工程场地土层的剪切波速均采用单孔法测试, 在地面打击木板产生向下传播的 () 波, 其介质的质点振动方向垂直入射面的剪切波 波, 孔中接收到的是横波的水平分 SH 量即 波, 因此, 剪切波速加权平均值应与场地脉动卓越周期的水平分量相关。从实SH V sm 测场地脉动卓越周期可见, 南北、东西方向的脉动卓越周期相差不大, 故采用其平均值 mT 与 统计分析, 其统计关系式为:V sm - 1. 27= 45. 6相关系数 = 0. 89V sm T m r () 参照国标《建筑抗震设计规范》11—89和GBJ 表 3 场地土的类型划分 电 力 行 业 标 准《水 工 建 筑 物 抗 震 设 计 规 范 》 场地土类型( ) 场地卓越周期 s () DL 5073—1997以剪切波速划分场地土类型的标 < 0. 15Tm 坚硬场地土 准, 根据统计式, 以不同场地土的土层剪切波速值计 0. 15?< 0. 26中硬场地土 Tm 算得到相应场地土的场地脉动周期 , 提出按场地T m 中软场地土 0. 26?< 0. 41Tm 脉动卓越周期 划分场地土类型, 其划分标准见 T m 软弱场地土?0. 41 Tm 表 3。 〔3〕表 4 为不同土类的卓越周期综合结果与笔者划分结果的比较, 从中可见它们之间 有所差别, 但差别不大。文献〔3〕的结果中出现了不同土层卓越周期的重叠, 如一般土层的 卓越周期为 0. 15, 0. 4 , 松散土层为 0. 3, 0. 7 , 若测试得到场地脉动卓越周期在重叠范ss 围内, 则尚需用其他手段判定场地的属性。 河 北 沧 州 市 工 程 为 化TD I 表 4 不同土类的卓越周期综合结果 工原料工厂, 场地内有 5 个钻孔〔3〕类型土的名称( ) 卓越周期 场地卓越周期 s 进 行 了 土 层 剪 切 波 速 测 试, 其< 0. 150. 1, 0. 2m 稳定岩石TI 深 度 范 围 剪 切 波 速 加 权 平15m 0. 15?< 0. 41一般土层 , 0. 15, 0. 4? ?Tm 均 值 为 144、145、ƒƒV sm m sm s K 松散土层 0. 3, 0. 7?0. 41Tm 150、144和 154场ƒƒƒ, m sm s m s 地脉动卓越周期范围为 0. 30—0. 34, 均值 0. 32 , 按场地脉动卓越周期划分该场地土为ss 中软场地土, 与按剪切波速划分一致。 3 场地类别划分 现行建筑抗震设计规范对场地类别的划分是以剪切波速加权平均值 与覆盖层厚V sm 〔4〕度 相结合作为划分标准。根据剪切波速与深度的统计关系以及工程场地地震安全性 do v () 评价工作成果, 得到以下地区覆盖层厚度 表 5。do v 表 5 各地区场地覆盖层厚度 d ov 地区唐山廊坊保定邯郸石家庄沧州 覆盖层厚度 , 7830, 5042, 6360 51 98 43 ()dov m 唐山、保定、邯郸、石家庄和沧州 表 6 场地类别划分 地区的场地覆盖层厚度范围为 9< do v唐山、保定、邯郸、 廊坊 ?80, 廊坊地区的场地覆盖层厚度 m 石家庄和沧州 场地类别 范围为 > 80, 结合上述以场地脉do v m ( )( )场地卓越周期 场地卓越周期 ss 动卓越周期划分场地土类型, 依据《建?< 0. 260. 15Tm 0. 15?Tm < 0. 41 ?( ) 筑 抗 震 设 计 规 范》11—89 划 分 GBJ ? ?0. 410. 26?< 0. 41Tm Tm 场地类别的标准, 给出这些地区以场 K ?0. 41Tm 地脉动卓越周期划分 、 和K 类场 ?? ()地的标准 表 6。 () 国标《铁路工程抗震设计规范》GBJ 111—87的场地类别划分是以地表以下 25m 范 围内剪切波速加权平均值为标准。将工程场地实测剪切波速的加权平均值与场V sn V sn ) ( 地脉动卓越周期 南北、东西向均值统计分析, 得到下式:Tm - 1. 23= 55. 9相关系数 = 0. 86m V sn T r ()场地类别划分 铁路工程 表 7 参 照 现 行 国 标《 铁 路 工 程 抗 震 设 计 规 范 》 () 111—87用剪切波速划分场地类别的标准, 根据 GBJ 场地类别( ) 场地卓越周期 s 上式, 以不同场地类别的土层剪切波速值计算得到相 < 0. 17Tm I 应场地的场地脉动周期 提出了按场地脉动卓越 , Tm ?0. 17?< 0. 47Tm ()周期划分铁路工程场地类别的标准 见表 7。 ? ?0. 47Tm 4 地震动峰值加速度的估算 地震动峰值加速度是抗震设计中的一项重要基本参数, 推算地震动峰值加速度有两 () () 种方式: 1根据强震记录; 2进行场地地震反应分析计算。对于大多数工程而言, 由于工 程造价等原因, 未必为计算地震动峰值加速度而进行场地地震反应分析。对同一地点的脉 动与地震动的频谱—周期曲线之间的比较, 脉动和地震动之间有一共性: 两者都受地基振 〔2〕动特性的显著影响, 通过地脉动可估算地震动的振动特性。 场地越软其脉动卓越周期 越长, 地震动加速度峰值较大, 1985 年 9 月 19 日墨西哥近 2 2 海地震在墨西哥市相距不远的 、两地加速度记录的最大值为 1. 98和 0. 39,ƒƒA B m sm s其中 点的加速度仪布设在市中心附近的重灾区, 地基为湖相的淤泥层; 点的加速度 A B 仪布设在墨西哥国立自治大学校院内, 地基坚硬。 1995 年 1 月 17 日阪神地震后, 日本研 究人员分别在余震区神户药科大学和福池小学内布设了加速度仪, 药科大学为硬地基, 相 2 2 (( )) 邻的 福 池 小 学 为 软 地 基, 其 加 速 度 值 分 别 为 0. 18ƒ—、0. 33ƒ—、0.m sN S m sE W 2 2 2 2 〔5〕(((() ))) 13—和 2. 1—、1. 35—、0. 72—。ƒƒƒƒm sU D m sN Sm sE W m sU D () 金井清推导出场地脉动卓越周期 T G、地震列度 IMM M M 烈度和地震动峰值加速度 〔2〕 的经验关系式:am ax - 1. 3 0. 18 IMM= 1. 6××10 am ax T G 以上式的形式为基础, 将工程场地地震危险性概率计算结果: 各超越概率水平的烈度 值I 和场地地震反应分析计算结果: 场地地震动峰值加速度 与场地脉动卓越周期 am ax T b C I= ××10 am ax a T 其中 、、为待定常数。abc 取对数为: = + + lo gam ax lo gab lo gT c I 令 , = , = , = = X lo gam ax A lo gaY lo gT ZI 则 X = A + b Y + cZ 运用多元线性回归分析方法, 求得线性回归系数为: = - 0. 14266; = 0. 124; = 0. 331 标A b c 准差 相关系数 。 于是得到场= 0. 063, = 0. 98sr 地地震动峰值加速度 的估算式为:am ax 0. 124 0. 331 I = 0. 72××10am ax T 1938 年 9 月 11 日美国北加州发生地震, 在费尔代勒强震仪记录的峰值加速度为 70- 22 ×10, 台址的场地脉动卓越周期 为 0. 40 、地震烈度值 为 6, 根据上式计算其地 ƒIm sT s - 22震动峰值加速度 = 62. 2×10ƒ。1949 年 3 月 9 日加州中西部发生地震, 在霍利斯am ax m s - 22 特强震仪记录的峰值加速度为 140×10, 台址的场地脉动卓越周期 为 0. 35 、地 ƒm sT s - 22震裂度值 为 7, 同样计算得到地震动峰值加速度 = 131. 2×10。ƒI am ax m s () 金井清推导出场地脉动卓越周期 T G、地震烈度 IMM M M 和地震动峰值加速度 烈度 的经验关系式与笔者推导的关系式有所区别: am ax () 1资料不同 金井清是根据实际强震记录、地震烈度和台址卓越周期进行推导的。 笔者是根M M 据地震土层反应分析计算得到的各超越概率水平地震动峰值加速度、地震危险性概率计 算的各超越概率水平烈度值和实测场地脉动卓越周期推导的。 () 2推导方法不同 金井清首先 推导出经验关系式: 0. 18 IMM = ×10am ax C 然后推导出经验关系式: - 1. 3= 42× G am ax 〃MM = 8 T 根据上述两式得到以下公式: - 1. 3 0. 18 IMM= 1. 6×G ×10 am ax T 笔者是运用多元线性回归统计分析方法得到的关系式。 5 结语 场地脉动与地震动之间存在一些共性, 通过场地脉动卓越周期的测试, 可应用于工程 抗震以下方面: ( ) 1对工程场地进行场地脉动测试, 确定场地脉动的卓越周期, 在进行抗震设计时采 取调整拟建建筑物的自振周期及刚度的措施, 避免拟建建筑物的自振周期与场地脉动卓 越周期一致或接近, 以免在地震发生时, 建筑物与地基产生共振或类共振, 致使建筑物破 坏。 () 2根据工程场地脉动卓越周期和剪切波速的测试结果, 参照现行抗震设计规范的场 地土类型划分标准, 提出了以场地脉动卓越周期为标准划分方案, 可作为工程抗震中场地 土类型参考划分法。 () 3参照现行铁路抗震设计规范中场地类别的划分标准, 提出了以场地脉动卓越周期 作为场地类别划分的标准, 可作为铁路工程抗震设计划分场地类别的标准之一, 同时也给 出了一些地区建筑工程场地以场地脉动卓越周期作为场地类别划分的标准, 可作为这些 地区工程抗震设计时参考。 ( ) 4一般工程而言, 进行地震危险性概率分析是比较节省经费的方法, 将各超越概率 0. 124 0. 331 I水平的烈度值 与场地测试的脉动卓越周期 结合, 根据 = 0. 72××10, 可I T am ax T 估算各超越概率水平的地震动水平峰值加速度 am ax , 为工程抗震设计提供参考。本文研究中得到蔡华昌研究员的指导和帮助, 在此深表谢意。 参 考 文 献 ( )1 刘曾武. 概述常时微动的研究及在工程中的应用, 世界地震工程, 1992, 1. 2 [ 日本 ] 金井清著, 常宝琦等译. 工程地震学. 北京: 地震出版社, 1987、124- 127 ( ) 3 《工程地质手册》编写委员会. 工程地质手册 第三版. 北京: 中国建筑工业出版社, 1994. 4 丁伯阳著. 土层波速与地表脉动. 兰州大学出版社, 1996. ( ) 5 郑嘉炯等. 高大建[ 构 ] 筑物的共振震害, 地震学刊, 1999, 2. THE A PPL ICA T IO N FO R THE PUL SA NT PREDOM INA NT PER IOD O F THE SUBSO IL IN ENG INEER ING SE ISM ICS 1) 2) 1) 1)P en g Y u an q inL u Zh en gL i X u ey in gGao D en gp in g ) 1, 050021Se ism o lo g ica l B u reu o f H ebe i P ro v inceSh ijiazh uang ) )2, 050021Se ism o lo g ica l B u reu o f Sh ijazh uang C itySh ijiazh uang A bstra c t ( ) B a sed o n th e te st re su lt s o f su b so il p u lsan t p redom in an t p e r io d SP P P an d sh ea r w ave ve lo c ity, th ro u gh an a ly sis to th e ea r th qu ak e re spo n se, w e tak e SP P P a s th e . c r ite r io n o f th e typ e o f site so il an d th e c la ssif ica t io n o f siteIt can b e u sed in th e . reg re ssio n an a ly sis o f ea r th qu ak e re spo n se fo r an en g in ee r in g siteCom b in ed w ith th e p ro b ab ilist ic an a ly sis to ea r th qu ak e r isk , it can a lso b e u sed in th e de sign o f en g in ee r in g .se ism ic s : ; ; Subjec t word sp e r io d ica l va r ia t io nm ea su re s o f en g in ee r in g se ism ic sse ism ic .r isk an a ly sis