湖北省域不同超越概率水平下地震動峰值加速度比例關系

余 松 吳建超 胡 慶 楊 鋼

1 中國地震局地震研究所,武漢市洪山側路40號,430071

2 武漢地震工程研究院有限公司,武漢市洪山側路40號, 430071

基于50 a超越概率水平10%(475 a一遇)的地震動峰值加速度和加速度反應譜特征周期,《中國地震動參數區劃圖:GB 18306-2015》給出全國國土面積上的地震動參數分區結果,供一般新建、擴建和改建建設工程的抗震設防取值[1]。然而,不同行業在不同設計階段會使用不同概率水平的地震動峰值加速度[2-4]。為滿足各抗震設計需求,對不同超越概率水平的地震動峰值加速度進行合理取值,成為工程抗震設計中非常重要和實際的問題。許多學者通過對不同超越概率水平的地震動參數關系進行研究,取得了相應成果[5-12],但這些研究多集中于我國西部及西北部高烈度區,未見有學者對低烈度區不同超越概率水平下的地震動峰值加速度比例關系進行研究。

湖北地處我國中部,是重要的工農業生產基地和綜合交通通信樞紐,經濟社會發展綜合水平在中部地區居領先地位,對我國的經濟發展起著不可替代的重要作用,其中90%省域的地震基本設防烈度為0.05g區(Ⅵ度區)。本文以第一次全國地震災害風險普查工作成果為基礎,統計分析湖北省域不同超越概率水平下地震動峰值加速度比值,通過對比《建筑抗震設計規范:GB 50011-2010》和《中國地震動參數區劃圖》中的取值,指出湖北省域高烈度區多遇地震動參數計算結果偏小的問題,并初步分析可能的原因及解決方法,以期為研究低烈度區地震動參數提供基礎數據和思路。

1 數據來源及計算方法

1.1 潛在震源區劃分

本文采用《中國地震動參數區劃圖》中提出的Ⅲ級潛在震源區劃分技術方案,即底層為地震帶、中間層為地震構造區、上層為潛在震源區[13]。依據該方案,湖北省域主要涉及長江中游地震帶、華北平原地震帶、郯廬地震帶和長江下游-南黃海地震帶,在此基礎上劃分了32個潛在震源區,其中5.5級潛在震源區5個,6.0級潛在震源區21個,6.5級潛在震源區4個,7.0級潛在震源區2個(圖1)。潛在震源區活動性參數以第5代區劃圖潛源參數為基礎,結合湖北省域最新地震活動性及地震構造認識,增加部分潛在震源區,并對參數進行適當調整。

圖1 湖北省域地震帶和潛在震源區劃分Fig.1 Division of seismic zone and potential source area in Hubei province

1.2 地震活動性參數

地震活動性參數的研究主要分為地震帶地震活動性參數和潛在震源區地震活動性參數,其中地震帶地震活動性參數主要包括地震帶的震級上限、震級下限、地震活動的指數分布系數b值及年平均發生率v4值,潛在震源區地震活動性參數主要包括震級上限、空間分布函數及地震破裂方向概率分布函數。地震活動性參數直接采用《中國地震動參數區劃圖》中的統計結果,表1為湖北省域地震帶的地震活動性參數。

表1 湖北省域地震帶的地震活動性參數

1.3 地震動預測方程

本文采用《中國地震動參數區劃圖》中適用于中強地震區和東部強震區的地震動預測方程[14]。該方程是采用中線映射原則轉換方法,將美國西部作為參考區,利用新近資料補充重新回歸得到的我國分區地震動預測方程,以新回歸的美國西部基巖場地自由地表水平向地震動參數及加速度反應譜衰減關系作為地震動預測方程,得到適合我國的分區地震動參數、加速度反應譜預測方程式。具體形式為:

lgY=A+BM+Clg(R+DeEM)

(1)

式中,Y為地震動峰值加速度,M為面波震級,R為震中距,A、B、C、D、E為回歸系數。各分區峰值加速度衰減關系回歸系數取值如表2所示。

表2 分區峰值加速度衰減關系回歸系數

該地震動預測方程作為中國地震局的最新研究成果,使用美國NGA數據庫的強震資料,采用能較好反映地震動飽和特性的分段線性地震動衰減模型,利用使結果更加穩定的分步回歸方法,在地震動預測方程分區時考慮地震活動性特征[15-16]。方程的適用范圍為:M=4.5～8.0(中強地震區M=4.5～7.0),R=0～200 km。

1.4 計算方法

根據確定的地震帶、潛在震源區劃分﹑地震活動性參數和地震動預測方程,對湖北省域按照30 s間隔選取計算控制點,共得到253 771個控制點,采用概率性地震危險性分析方法和自編MATLAB程序,分別對各控制點50 a超越概率63%、10%和2%的基巖峰值加速度進行計算。

2 結果分析

2.1 基巖的地震動峰值加速度比例關系

將50 a超越概率63%、10%、2%的基巖峰值加速度分別記為R63、R10和R2,表3(單位cm/s2)為湖北省域不同超越概率水平下的基巖峰值加速度數值范圍。由表可知,R63值為7.4～28.3 cm/s2,R10值為24.2～135.3 cm/s2,R2值為45.8～302.2 cm/s2,說明湖北省域不同地區不同超越概率的基巖地震動峰值加速度差異較大。

表3 湖北省基巖峰值加速度值

表4為湖北省域50 a超越概率63%、2%的基巖峰值加速度分別與10%的基巖峰值加速度的比值分布,可見R63/R10、R2/R10的均值分別為0.31、1.86,標準差分別為0.038、0.139。

表4 湖北省不同超越概率水平下基巖峰值加速度比例分布

圖2為R63/R10、R2/R10在不同比值分區中的比值分布,可以看出,R63/R10主要分布在0.27～0.35,占比74.0%;R2/R10主要分布在1.70～2.00,占比86.4%。

圖2 不同超越概率水平下基巖峰值加速度比例分布Fig.2 Histograms of the proportional distribution of bedrock peak acceleration at different levels of exceedance probability

圖3為湖北省域50 a超越概率63%、2%的基巖峰值加速度分別與10%的基巖峰值加速度的比值隨R10的變化分布。由圖可知,隨著R10的增大,R63/R10整體變小,而R2/R10則有整體變大的趨勢,但比例變化較離散,特別當R10為24～90 cm/s2時,離散更加明顯。由此可知,湖北省域50 a超越概率63%、10%和2%的基巖峰值加速度的比值與該地區50 a超越概率10%的基巖峰值加速值并不是簡單的線性關系。

圖3 R63/R10、R2/R10比值隨R10的變化規律Fig.3 The variation of R63/R10 andR2/R10 ratios with R10

圖4為湖北省域不同超越概率水平下基巖峰值加速度比值空間分布。由圖4(a)可見,在6.0級及以上高震級上限潛在震源區內部及附近(竹山、竹溪、恩施等)地區,R63/R10比值較小,低震級上限潛在震源區內部和附近地區比值較大,R63/R10隨與高震級上限潛在震源區距離的加大而逐漸增大。由圖4(b)可以看出,在高震級上限潛在震源區內部和附近R2/R10的比值較大,低震級上限潛在震源區內部和附近的比值較小,R2/R10隨與高震級上限潛源距離的加大而逐漸增小,這與R63/R10的變化規律相反。

圖4 湖北省域不同超越概率水平下基巖峰值加速度比值空間分布Fig.4 Ratios spatial distribution of bedrock peak acceleration at different levels of exceedance probability in Hubei province

通過分析湖北省域基巖峰值加速度比值的空間展布情況可知,湖北省域基巖峰值加速度比值的分布與潛在震源區的劃分密切相關,而湖北省域地震活動和地質構造特征是劃分潛在震源區的主要依據。由此可見,湖北省域不同超越概率水平下基巖峰值加速度之間的比例關系與該地區地震構造環境息息相關[12]。

2.2 場地的地震動峰值加速度的比例關系

依據湖北省地震災害風險普查項目共享得到的省域宏觀場地類別數據,按照《中國地震動參數區劃圖》中基于Ⅰ1類場地的場地調整系數取值,計算得到湖北省域50 a超越概率63%、10%和2%的地震動峰值加速度值。為方便敘述,將研究區50 a超越概率63%、10%、2%的地震動峰值加速度分別記為A63、A10和A2。

表5為湖北省域不同加速度分區的A63、A10和A2數值統計結果。由表可知,A10為24.2～168.2 cm/s2,即湖北省域50 a超越概率10%的地震動峰值加速度跨越0.05g、0.10g和0.15g三個加速度分區,其中0.05g加速度分區中,A63、A10和A2均值分別為20.3 cm/s2、65.1 cm/s2和117.7 cm/s2;0.10g加速度分區中,A63、A10和A2均值分別為29.8 cm/s2、101.5 cm/s2和183.1 cm/s2;0.15g加速度分區中,A63、A10和A2均值分別為26.1 cm/s2、151.4 cm/s2和299.0 cm/s2。在不同加速度分檔中,A63/A10分別為0.31、0.30、0.17,標準差分別為0.033、0.050、0.008;A2/A10分別為1.81、1.80、1.98,標準差分別為0.125、0.196、0.032。

表5 湖北省域不同加速度分區不同超越概率水平下地震動峰值加速度及比例關系

3 討 論

3.1 與《建筑抗震設計規范》、《中國地震動參數區劃圖》的比較

《建筑抗震設計規范》和《中國地震動參數區劃圖》均對不同加速度分區內多遇地震、基本地震和罕遇地震的地表峰值加速度的取值和比例關系給出了相應參數。表6為《建筑抗震設計規范》、《中國地震動參數區劃圖》及本文在多遇地震、基本地震、罕遇地震作用下地震動峰值加速度和比例的對比,圖5為3種規范的A63/A10和A2/A10比值分布。結合表6和圖5可以看出,0.05g加速度分區中,建筑規范的罕遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值都大于區劃圖的推薦值及本文計算值,基本地震的取值與區劃圖的推薦值一致,但小于本文計算值,對于多遇地震的取值三者相差不大;0.10g加速度分區中,建筑規范的罕遇地震及多遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值大于區劃圖的推薦值及本文計算值,對于基本地震的取值三者基本相同;0.15g加速度分區中,建筑規范的罕遇地震及多遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值也大于區劃圖的推薦值及本文計算值,基本地震的取值三者也基本相同。綜上可知,建筑規范對于罕遇地震的地震動峰值加速度取值和A63/A10、A2/A10比值均大于區劃圖的推薦值及本文計算值,說明在湖北省域采用《建筑抗震設計規范》的取值對建筑物進行抗震設計,考慮的地震作用是保守且安全的,能夠實現大地震抗倒塌的目標。

表6 3種規范中不同地震作用下地震動峰值加速度和比例關系

圖5 3種規范下A63/A10和A2/A10比值分布Fig.5 Ratio distribution of A63/A10 andA2/A10 under three specifications

3.2 存在的問題

需要注意的是,在湖北省域0.15g分區中,多遇地震作用下地震動峰值加速度均值僅為26 cm/s2,對應的A63/A10比值僅為0.17,明顯小于《建筑抗震設計規范》和《中國地震動參數區劃圖》中給出的0.37和0.33,且湖北省域0.15g分區主要分布于鄂西北竹山-竹溪7.0級地震潛在震源區。造成這一問題的原因可能與采用的概率地震危險性分析方法有關。目前,我國使用的地震危險性概率分析方法是在概率地震危險性分析方法理論框架基礎上,結合我國地震活動時空不均勻性,吸收地震中長期預測的大量科研成果,經過一些關鍵環節改進形成的。該方法首先統計地震區、帶的地震活動性參數,然后將各震級檔的地震年平均發生率分配給區、帶內的潛在震源區,從而造成由于多個潛在震源區在較低震級檔參與分配,較高震級上限潛在震源區地震發生率變小,使不同加速度分區內的工程場地多遇地震的地震動參數略有變化,基本地震和罕遇地震的地震動參數發生較大變化[17]。針對這種情況,在抗震設計中直接使用地震安全性評價得到的多遇地震的地震動參數進行承載力驗算而不加以控制,可能存在較大的風險。《中國地震動參數區劃圖》和《建筑抗震設計規范》中以不低于基本地震地震動峰值加速度的1/3進行折算的方法對多遇地震進行控制,很好地保證了小震不壞的設防目標。

綜上所述,在湖北省域高烈度區進行地震危險性分析和地震災害風險評估時,宜參照《中國地震動參數區劃圖》進行調整,即多遇地震的地震動峰值加速度值應按不低于基本地震的地震動峰值加速度的1/3進行確定。

4 結 語

本文通過對湖北省域不同超越概率水平下峰值加速度之間的比例關系進行研究,得到以下幾點認識:

1)湖北省域50 a超越概率63%、2%的基巖峰值加速度與10%的基巖峰值加速度比值的均值分別為0.31、1.86,標準差分別為0.038、0.139。

2)湖北省域基巖峰值加速度R63/R10比值隨R10的增大總體變小,R2/R10則隨R10的增大總體變大,但R63/R10及R2/R10的比值與R10的線性關系不明顯,R63/R10、R2/R10的比例關系與湖北省域地震構造環境相關。

3)在0.05g加速度分區中,湖北省域50 a超越概率63%與10%的峰值加速度比值(R63/R10)的均值為0.31,標準差為0.033,2%與10%的峰值加速度比例(R2/R10)的均值為1.81,標準差為0.125;在0.10g加速度分區中,R63/R10的均值為0.30,標準差為0.050,R2/R10的均值為1.80,標準差為0.196;在0.15g加速度分區中,R63/R10的均值為0.17,標準差為0.008,R2/R10的均值為1.98,標準差為0.032。

4)湖北省域參考《建筑抗震設計規范》對建筑物進行抗震作用計算,所考慮的地震作用是合理且安全的,能夠實現大地震抗倒塌的目標。

5)在湖北省域高烈度區進行工程場地地震危險性分析時,多遇地震的地震動峰值加速度值應按不低于基本地震的地震動峰值加速度的1/3進行調整。