新疆喀什原場地地震動頻譜特性研究

季 靜,梁曉敏, 付 豪, 韓小雷

(華南理工大學 土木與交通學院, 廣東 廣州 510640)

0 引言

新疆是我國多震省區(qū)之一,自1996年以來,喀什—阿圖什等地連續(xù)發(fā)生10余次6級以上地震,引起國內(nèi)外有關專家的關注。新疆屬中國邊遠貧困地區(qū),城鄉(xiāng)經(jīng)濟情況較差,每次震級較高的地震均導致房屋、構筑物等基礎設施損壞,造成一定的人員傷亡和較大經(jīng)濟損失[1-4]。

2020年1月19日,新疆喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生6.4級的地震,震中位于39.83°N,77.21°E,震源深度16 km。震中距伽師縣56 km、距阿圖什市90 km、距克孜勒蘇柯爾克孜自治州90 km。此次地震造成1人死亡、2人受傷及15.26億元經(jīng)濟損失[5-6]。2020年2月21日,該地區(qū)再次發(fā)生MS5.1地震,震中位于39.87°N,77.47°E,震源深度10 km。雖然并未造成人員傷亡,但仍然造成了一定的經(jīng)濟損失。MS6.4和MS5.1兩次地震發(fā)生時間相近,震中距相隔僅23 km,距喀什市區(qū)約100 km。喀什地區(qū)土質(zhì)以黏土、粉土、粉砂、礫砂為主,地層結構相對穩(wěn)定,變化不大,屬于Ⅱ類場地土[7-8]。因此,對此地震動記錄進行研究分析,可以為新疆喀什地區(qū)工程結構抗震設計提供依據(jù)。

1 喀什原場地地震動的收集

本次地震動均從新疆強震動觀測臺網(wǎng)收集,從43個強震動觀測臺站獲取MS6.4地震,其中21個強震動觀測臺站獲取MS5.1地震,觀測臺站分布如圖1所示。

圖1 觀測臺站分布圖Fig.1 Distribution map of observation stations

43個臺站與地震中心的距離在13.7～491.7 km,其中21個臺站的震中距在100 km以內(nèi),其余大部分臺站在100～200 km,僅有一個臺站的震中距接近500 km。兩次地震動加速度記錄分別列于表1、表2。

表1 MS6.4臺站信息及地震峰值加速度Table 1 Information of MS6.4 stations and peak acceleration of earthquakes

表2 MS5.1臺站信息及地震峰值加速度Table 2 Information of MS5.1 stations and peak acceleration of earthquakes

本研究僅考慮水平地震作用,共獲得地震波128條,其中MS6.4地震波86條(A1-EW～A43-EW、A1-NS～ A43-NS),MS5.1地震波42條(B1-EW～ B21-EW、B1-NS～B21-NS),A1-EW、A1-NS分別代表某臺站測得的東西向和南北向地震波,A1～A43按照震中距大小進行排序。并對上述128條地震動的峰值加速度按式(1)統(tǒng)一調(diào)幅到1.0g,以此來研究地震波特性。

(1)

2 地震波反應譜

2.1 兩次不同震級地震反應譜對比

地震波反應譜是在給定的地震加速度作用時間內(nèi),單自由度彈性體系的最大位移反應、速度反應和加速度反應隨體系自振周期變化的曲線。單自由度體系在地震作用下最大絕對加速度反應Sa為:

(2)

在給定的地震波作用下,最大加速度反應量與自振周期T的關系即為加速度反應譜,對各地震波反應譜進行算術平均得到相應的平均譜。MS6.4與MS5.1兩次地震的各個地震波加速度反應譜及其平均譜如圖2所示,阻尼比取5%。其中,黑色粗線代表平均譜曲線,其余顏色細線代表每條地震波反應譜曲線。可見,不同測點的地震波反應譜曲線有較大差別。

圖2 兩次地震的地震波反應譜Fig.2 Seismic response spectrum of two earthquakes

同一震級下震中距小于100 km和大于100 km地震波的反應譜對比如圖3所示,同一次地震隨著監(jiān)測臺站與震中距離的不同,地震波反應譜顯示出不同的特性。無論對于MS6.4還是MS5.1地震,在0～0.6 s和3～10 s周期段,震中距小于100 km、大于100 km地震波反應譜與平均譜相差很小;在0.6～3 s周期段,震中距小于100 km的地震波反應譜偏大,震中距大于100 km的地震波反應譜衰減速度快。

圖3 同一震級下震中距小于100 km和大于100 km地震波反應譜對比Fig.3 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and more than 100 km under the same magnitude

不同震級下震中距小于100 km和大于100 km地震波的反應譜對比如圖4所示,震中距相同時,震級越大地震波反應譜越大,在短周期段內(nèi)MS5.1比MS6.4地震波反應譜衰減快。

圖4 不同震級下震中距小于100 km和大于100 km地震波反應譜對比Fig.4 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and more than 100 km under different magnitudes

不同震級下地震波反應譜對比如圖5所示,MS6.4和MS5.1地震的反應譜峰值周期均在0.3 s以內(nèi),卓越平臺窄,MS5.1比MS6.4地震波反應譜小,MS5.1比MS6.4地震波反應譜衰減速度快。從形狀看,兩次地震的平均反應譜曲線相近。

圖5 不同震級下地震波反應譜對比Fig.5 Comparison between seismic response spectra under different magnitudes

2.2 與規(guī)范反應譜對比

《建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011—2010)》,(下文均簡稱《抗規(guī)》)[9]按照場地土分類、地震分組等,給出了結構設計加速度譜,廣東省標準《建筑工程混凝土結構抗震性能設計規(guī)程(DBJ/T 15-151—2019)》(以下簡稱《性能規(guī)程》)[10]根據(jù)近5萬條世界各國強震記錄統(tǒng)計分析,提出結構設計加速度譜。新疆喀什地區(qū)的設防烈度為8.5度,場地土類型為Ⅱ類,在此基礎上,《抗規(guī)》和《性能規(guī)程》中水平地震影響系數(shù)最大值均為0.24,特征周期在不同地震分組下的取值如表3所列。其中,近震(震中距<100 km),中震(100 km<震中距<1 000 km),遠震(震中距>1 000 km)分別相當于設計分組的第一、二、三組[11-12]。

表3 特征周期值(單位:s)Table 3 Characteristic period value (Unit: s)

震中距小于100 km的地震波反應譜與第一地震分組下的規(guī)范設計反應譜對比如圖6所示。在0～0.5 s周期段,《抗規(guī)》《性能規(guī)程》設計反應譜與當?shù)匦∮?00 km地震波的平均反應譜很接近;在0.5～2 s周期段,當?shù)仄骄磻V比兩個規(guī)范設計反應譜都要大,且《抗規(guī)》設計反應譜與當?shù)仄骄磻V更為接近;大于2 s周期段,《性能規(guī)程》設計反應譜與當?shù)仄骄磻V較為接近,而《抗規(guī)》設計反應譜誤差較大。

圖6 震中距<100 km的地震波反應譜與第一 地震分組下規(guī)范設計反應譜對比Fig.6 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and the design response spectra of codes in accordance with the first earthquake grouping

震中距大于100 km的地震波反應譜與第二地震分組下的規(guī)范設計反應譜對比如圖7所示。在0～0.5 s周期段,《抗規(guī)》《性能規(guī)程》設計反應譜與當?shù)氐卣鸩ǖ钠骄磻V很接近;周期大于0.5 s時,兩個規(guī)范設計反應譜相比當?shù)仄骄磻V而言都偏大,隨著周期增大《性能規(guī)程》設計反應譜與當?shù)仄骄磻V更為接近。

圖7 震中距>100 km的地震波反應譜與第二地震分組下規(guī)范設計反應譜對比Fig.7 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance more than 100 km and the design response spectra of codes in accordance with the second earthquake grouping

可見,根據(jù)新疆喀什地區(qū)強震下記錄的128條地震動分析統(tǒng)計得到的反應譜,與我國現(xiàn)行規(guī)范根據(jù)世界各國強震記錄得到的反應譜相比,在大量普通建筑結構基本周期0.5～2 s范圍內(nèi),相差很大,故建筑結構抗震設計應采用當?shù)赜涗浀降膹娬鹩涗洖橐罁?jù)。

3 同一臺站不同地震波頻譜分析

地震動主要特性可以通過三個基本要素來描述,即地震動幅值、頻譜和持時,我國規(guī)范要求對結構進行動力時程分析時,將選取的地震波加速度時程最大值調(diào)幅到規(guī)范規(guī)定的各設防烈度所對應的取值。因此在設防烈度確定之后,各條地震波的PGA峰值是相同的,此時頻譜特性的不同和持時的長短是導致各條地震波作用下結構響應差別的最主要原因[13]。

反應譜是地震動頻譜特性最常見的表達形式,是工程結構抗震設計的基礎,可以分為加速度反應譜、速度反應譜及位移反應譜。由表1、2可知,有21個臺站同時記錄到MS6.4和MS5.1地震動,共獲得84條地震波。計算出各地震波的加速度譜、速度譜及位移譜,大部分的地震波都呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。限于篇幅,此處僅給出MS6.4和MS5.1地震東西向、南北向的加速度譜、速度譜及位移譜平均值,如圖8～10所示。

圖8 加速度平均譜Fig.8 Average acceleration spectrum

圖9 速度平均譜Fig.9 Average velocity spectrum

圖10 位移平均譜Fig.10 Average displacement spectrum

可知,MS6.4地震波的加速度譜、速度譜和位移譜譜值均比MS5.1大,即在地震動加速度時程最大值相同的情況下,震級越大反應譜值越大,結構響應也將越大。因此,對于地震烈度高、地震發(fā)生頻繁等危險性很高的地區(qū)或者特別重要的建筑進行結構抗震設計時,盡量選用原始震級較大的地震動進行彈塑性計算。

4 結論

通過新疆喀什地區(qū)強震記錄的研究分析,得到以下結論:

(1) 震級相同時,震中距越小加速度反應譜越大,且加速度反應譜衰減速度越慢;震中距相同時,震級越大加速度反應譜越大,且加速度反應譜衰減速度越慢。

(2) 震級越大加速度譜值、速度譜值、位移譜值越大。

(3)MS6.4、MS5.1地震波加速度反應譜及其平均值曲線相近,與我國現(xiàn)行規(guī)范加速度反應譜相比差別很大,建議采用建筑當?shù)赜涗浀膹娬鸬卣鸩ńy(tǒng)計的反應譜作為結構抗震設計依據(jù)。

致謝：特別感謝中國地震局工程力學研究所為本研究提供了地震動記錄。