遠場長周期地震動選取及界定

趙 藝 于建杰

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

遠場長周期地震動(Far-field and Long-term Earthquake)具有持續時間長、強度低、位移較大的特點，表現出明顯的長周期特性[1-3]。東京時間2011年3月11日下午2點46分，發生的M9.0級東日本地震就包含大量具有明顯遠場特性且數量充足的地震動。

本文基于日本防災科技研究所(NIED)公布的臺站強震記錄，進行了遠場地震動特性研究。其中分析的97組數據來源于K-NET，是隸屬于NIED的強震觀測臺網，也是日本最主要的全國性強震觀測臺網之一[1,2]。

目前國內外對長周期近遠場地震動概念的界定還不明確，本文擬采用FEMA P695中提出的標準，震中距大于10 km的定義為遠場地震動，小于10 km的為近場地震動[3]。

李雪紅等[4]通過采取β譜曲線平滑段(2 s～10 s)的譜值計算出周期的平方加權值βL，以此參數來界定長周期地震動，本文利用東日本地震動的部分數據驗證了該方法的合理性。

1 地震動選取方法

1.1 基于設計反應譜的規范法

我們把設計反應譜曲線α—T作為設計的依據。其中縱坐標代表地震影響系數,含義為單質點在相對重力加速度下的絕對最大加速度,用來代替Sa/g;橫坐標指的是結構體系的自振周期，二者構成設計反應譜[5]。

王亞勇[6]提出，選取的地震波應與設計反應譜在統計意義上相一致，比如相應的反應譜的特征以及地震波的數量。大量的研究結果表明，按雙指標選波較為合理，包括結構第一周期T1和地震加速度記錄反應譜特征周期Tg，在工程上實用性較好。

1.2 基于臺站與地震信息的選取方法

本文采取的是第二種方法,適于研究不同結構類型和不同動力特性建筑結構的抗震性能。基于該方法選擇地震波時，PGA>0.2g，PGV>15 cm/s。日本311東北地震，數據記錄于NIED的兩個強震臺網——K-NET，KIK-NET，前者記錄地表加速度，每個臺站記錄至少包含2個水平分量和1個豎向分量；后者記錄地表及地表以下的基巖的強震加速度記錄，每個臺站包括了地表和地底兩個測點，每個測點又包含了2個水平分量和1個豎向分量，共6條記錄。本文選取K-NET強震臺網中的97組地震動進行分析。

2 地震動分類標準

2.1 近遠場劃分

一般將長周期地震動分為兩類，一種是近斷層脈沖型地震動，另一種是遠場類諧波地震動。目前國內外一般用震中距作為區分遠近場的依據。FEMA P695附錄A的A.7節中提出，可將震中距大于10 km的地震動定義為遠場地震動。徐龍軍[7]將斷層距范圍為40 km～100 km的地震動定義為遠場地類諧和地震動。方小丹等[8]提出，遠場地震動的篩選原則為50 km～80 km。本文以FEMA的定義為準，震中距大于10 km的為遠場地震動。97組地震動震中距范圍為121 km～646 km,根據此標準，均為遠場地震動[1]。

2.2 場地類別劃分

我國的場地分類標準需要將土的上部覆蓋層厚度考慮在內，相應的場地地質資料的缺乏，給分組地震動帶來了困難[9]。美國學者Lee[10]根據Vs30(30 m土層平均剪切波速)進行分類。考慮到實用性，位于堅硬巖石上的建筑結構比較少，且軟弱土層上建筑結構的地震響應與土耦合作用密切相關。因此，對于一般結構的抗震性能以及不考慮結構—土耦合作用的研究中，宜排除堅硬場地和軟弱土層上的地震記錄，即Vs30(m/s)取值范圍定為[200，500]。當200 m/s

3 長周期地震動界定方法

3.1 長周期地震動定義及界定公式

長周期地震動，是低頻成分比較豐富，加速度峰值比較小，卓越周期比較長的地震動。β譜曲線2 s～10 s時間段對應的譜值較平滑，即采用該時間段周期的平方加權平均值βL作為長周期地震動的界定參數。本文擬采用此方法作為篩選東日本地震中長周期地震動的方法。

長周期地震動界定公式為：

式中：Ti——阻尼比為5%時加速度反應譜等間距離散周期，取值范圍為[2,10]；

Sa(Ti)——Ti對應的加速度反應譜值；

PGA——加速度峰值。

在β譜曲線這一方面，常規地震動和長周期地震動差異較大，可以取曲線平滑段進行分析，βL>0.4及0.2≤βL≤0.4時分別為長周期和中長周期地震動。

3.2 計算東日本地震動βL

通過公式對K-NET強震臺網中97組地震動進行篩選，選出長周期與中長周期地震動如表1所示。

在通過對地震放大系數β譜的分析，從圖1a)～圖1f)可以看出，β譜在2 s～10 s內下降比較緩慢，數值之間差異不明顯，因此Ti的取值范圍定為[2,10]是合理的。

表1 東日本地震動βL值

4 結語

1)利用臺站法選取地震動簡便，易操作，但局限性強，因此與基于規范的設計反應譜法綜合選取方法值得研究者進一步考察。2)李雪紅用于界定長周期的方法得到進一步的驗證，也可用于其他遠場地震動的計算與分析。3)場地類別分類問題宜具體問題具體分析，還需要進行后續的工作。

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