甘肅地區三水準超越概率水平地震動峰值加速度關系與場地放大效應研究

滕光亮，陳永明

（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局黃土地震工程開放實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省巖土防災工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

新的建筑抗震設計規范[1]已于 2010年 12月 1日開始實施，其中對于一般建筑的設計基準期仍定為50年，依然采用“三水準設防”的抗震設計思想，即對于多遇地震、基本地震、罕遇地震，通常也將其稱之為“小震、中震、大震”，相應的超越概率分別為 50年 63.5%、10%和 2%-3%，重現期分別為50年、475年和1600～2400年。按規范要求，采用“小震”地震動參數計算結構的彈性地震作用標準值和相應的地震作用響應，進行結構構件的截面承載力驗算，以期在滿足“小震”承載力可靠度的同時滿足“中震可修”的目標，“大震”用于有特殊要求的建筑、地震時易于倒塌的結構等的彈塑性變形驗算，要求變形不超過容許的限值以防倒塌[1]。

在《地震安全性評價管理條例》中，對重大工程的地震動參數取值要求必須做專門的研究；除此之外的一般工程規定按照地震動峰值加速度區劃圖取值。而我國現行的地震動參數區劃圖僅給出 50年超越概率10%的地震動峰值加速度，所以，在按照“三水準設防”原則進行建筑抗震設計時，如何對50年超越概率63%和2%-3%的地震動峰值加速度取值，成為抗震設計工作者非常關心的問題。此外，對工程場地的放大效應即地面與基巖地震動峰值加速度關系的研究，對提高地震安全性評價工作的水平和質量具有積極的意義。

本文研究甘肅省近十年來各類建筑場地的安全性評價中計算得出的不同概率水平下場地水平地震動峰值加速度之間的關系及工程場地條件對峰值加速度的放大效應，為甘肅省工程抗震設計中設計地震動參數的取值提供必要的參考。所選擇的158個場地分布如圖1所示。

圖1 工程場地分布圖Fig.1 Distribution map of the studing site in Gansu province.

1 地震動特性

對工程抗震而言，一般認為地震動的特性可以通過三要素來描述：振幅、頻譜和持時。所謂振幅，可以指地震動加速度、速度、位移三者之一的峰值、最大值或某種意義上的有效值。凡是表示一次地震動中振幅與頻率關系的曲線，統稱為頻譜，在地震工程中常用傅里葉譜、反應譜以及功率譜。根據實際震害調查資料、結構的低周疲勞現象、破壞的累積效應、實驗與理論分析，大多數地震工程學家都認為將地震動持時作為地震動特性的三要素之一具有極為重要的意義[2]。

地震動的工程特性必須包括這三個基本要素[2]。本文僅從振幅著手，探討不同超越概率水平下PGA之間的關系。

長期以來，工程界普遍比較接受含有最大值或有效峰值含義的定義。雖然各種有效峰值具有明確的物理意義，但由于主觀性較強，所得的值離散性也較大。但對于工程抗震而言，仍以采用最簡單的最大峰值為主[3]。當人們對加速度過程a(t)本身及其與結構反應的關系進行研究之后，發現由于PGA常常與地震動的高頻部分相關，而由高頻部分決定的a(t)中的個別峰值對結構反應的影響并不顯著，因此，PGA的研究并非是描述地震動特性最理想的參數。另外，除了結構振動產生的破壞以外，也有許多震害是由于地面運動的速度和位移比較顯著而造成的。地震動的峰值速度與地震動的能量有關，峰值位移與變形有關[4]，所以用地震動的峰值速度和峰值位移可以作為衡量地震動強弱的標志。

2 三水準概率水平下的地震動峰值加速度關系

在現行的《中國地震動參數區劃圖》中，將50年設計基準期超越概率 10%的地震加速度的設計取值規定為地震動峰值加速度，即設計基本地震加速度。而根據“三水準設防”標準進行建筑物的抗震設計時，50年超越概率63.5%和2%-3%的地震動峰值加速度如何取值才能達到抗震設防的目的？因此，探討他們之間的關系便具有重要的現實意義。

2.1 基巖的地震動峰值加速度相對變化

將50年超越概率63.5%和2%-3%基巖地震動峰值加速度分別與50年超越概率10%基巖地震動峰值加速度求比值（表1）。

表1 50年不同超越概率水平下基巖PGA比值

數據表明，50年超越概率63.5%與50年超越概率10%的基巖峰值加速度比值的平均值為0.304，標準差為0.031。50年超越概率2%-3%與50年超越概率10%的基巖峰值加速度比值的平均值為1.867，標準差為0.125。

2.2 場地的地震動峰值加速度值相對變化

按場地類別進行分類，將50年超越概率63.5%和 2%-3%的場地設計地震動峰值加速度分別與 50年超越概率10%的場地設計地震動峰值加速度求比值（表2）。

數據表明，50年超越概率63.5%與50年超越概率10%的場地設計地震動峰值加速度比值，在Ⅰ類場地的平均值為0.339，標準差為0.022；Ⅱ類場地的平均值為0.336，標準差為0.027；Ⅲ類場地的平均值為0.332，標準差為0.018。其平均值隨場地條件變差呈現出緩慢減小的趨勢。50年超越概率2%-3%與 50年超越概率 10%的場地設計地震動峰值加速度的比值，在Ⅰ類場地的平均值為1.782，標準差為0.084；Ⅱ類場地的平均值為1.839，標準差為 0.121；Ⅲ類場地的平均值為 1.862，標準差為0.090。其平均值隨場地條件變差呈現出緩慢增大的趨勢。

表2 不同場地條件50年不同超越概率水平下的峰值加速度比值

3 場地地震放大效應結果分析

根據收集到的158個工程場地土層地震反應的計算結果，結合《建筑抗震設計規范》對場地的分類，統計不同場地 50年超越概率 63.5%、10%、2%-3%的地面峰值加速度與其對應的基巖峰值加速度的比值（表3）。

表3 場地峰值加速度與其對應的基巖峰值加速度的比值

上述數據表明：對于不同的場地類型，其地震反應的放大倍數亦不同。

（1）對Ⅰ類場地，50年超越概率63.5%的地震反應的放大倍數明顯大于50年超越概率10%和2%-3%的放大倍數，說明其具有更為明顯的放大效應。而50年超越概率10%與50年超越概率2%-3%的地震反應的放大倍數十分接近。

（2）對Ⅱ類場地，隨著超越概率的減少，即地震動強度的增大，地震反應放大倍數呈現逐漸較小的趨勢。

（3）對Ⅲ類場地，隨著地震動強度的增大，地震反應放大倍數也呈現出逐漸較小的趨勢。

Ⅱ類場地與Ⅲ類場地地震放大效應的變化趨勢相同的原因可能是：受土的非線性變形特性的影響，地震波能量在土層中傳播時耗散，使地表地震動的幅值相對減小，表現為隨地震動強度的增大，場地的放大效應降低。

（4）在超越概率相同時，隨場地條件變差，其地震反應放大倍數均表現出依次增大的趨勢。且表現為Ⅱ類和Ⅲ類場地對基巖峰值加速度具有更為明顯的放大效應。

4 結論與討論

通過以上數據的分析可以得出以下結論：

（1）50年超越概率63.5%與50年超越概率10%的基巖峰值加速度比值的平均值為0.304，標準差為0.031。50年超越概率2%-3%與50年超越概率10%的基巖峰值加速度比值的平均值為1.867，標準差為0.125。

（2）50年超越概率63.5%與50年超越概率10%的場地設計地震動峰值加速度比值，其平均值隨場地條件變差呈現出緩慢減小的趨勢。50年超越概率2%-3%與50年超越概率10%的場地設計地震動峰值加速度的比值，其平均值隨場地條件變差呈現出緩慢增大的趨勢。

（3）對Ⅰ類場地，50年超越概率63.5%的地震反應的放大倍數明顯大于50年超越概率10%和2%-3%的放大倍數，表現為其具有更為明顯的放大效應。而 50年超越概率 10%與 50年超越概率2%-3%的地震反應的放大倍數十分接近。

（4）對Ⅱ類場地和Ⅲ類場地，隨著地震動強度的增大，地震反應放大倍數均呈現出逐漸較小的趨勢。

（5）在超越概率相同的條件下，隨場地條件變差，其地震反應放大倍數均表現出依次增大的趨勢。且表現為Ⅱ類和Ⅲ類場地對基巖峰值加速度具有更為明顯的放大效應。

由于影響峰值加速度的因素非常復雜，如震源機制，傳播途徑，震級，震中距，地震波的反射、折射、散射、聚焦以及場地條件等，再者本文所采用的樣本數據均來源于甘肅省內的場地安全性評價報告，其結論的適用范圍可能僅限于本省。為擴大其適用范圍，還需對其他地區的地震動參數及諸多因素綜合考慮做進一步的研究。此外，樣本數量的局限性，可能也會對本文的結論產生一定的影響。

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）[M].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[2]胡聿賢.地震工程學[M].北京：地震出版社,2006.

[3]劭廣彪.近斷層海底土層地震液化及側移研究[M].青島：中國海洋大學，2005:19-21,31-36.

[4]郝敏，謝禮立.集集地震等震線和PGA、PGV等值線關系的研究[J].地震工程與工程震動, 2006,26(1):18-21