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    场地条件对抗震设计反应谱最大值的影响.pdf

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    场地条件对抗震设计反应谱最大值的影响.pdf

    第28卷第1期 2011年3月 土木工程与管理学报 Journal of Civil Engineering and Management V01.28 No.1 Mar.201l 场地条件对抗震设计反应谱最大值的影响 郭 锋 , 吴东明 , 许国富 , 饭雨林 1.中南建筑设计院股份有限公司,湖北武汉430071;2.湖北省地球物理勘察技术研究院,湖北武汉430056; 3.华中科技大学a.土木工程与力学学院,b.控制结构湖北省重点实验室,湖北武汉430074 摘要本文利用日本KIK.NET台网85个台站242组强震记录,按照我国2001抗震规范进行场地分类,分别 计算每个场地地下基岩与地表阻尼比为5%的加速度反应谱,并按照地下基岩输入地震动PGA的大小分为四 个区间,研究每个区间场地条件对地表加速度反应谱的影响Ⅱ类场地在短周期对地震动的放大作用最大,Ⅲ 类场地次之,I类场地最小。结果表明反应谱最大值应随场地类别进行调整,最后给出了不同类别场地设计反 应谱最大值的场地系数建议值。 关键词场地分类; 地震动;设计反应谱; 场地系数 中图分类号TU435 文献标识码A 文章编号2095.-0985201101-0069-04 我国建筑抗震设计规范GB500112001 2008版以下简称“01抗震规范”,通过对不同 场地类别取用不同的特征周期 来考虑场地类 别对地震作用的影响,仅在结构自振周期大于特 征周期 时,才考虑场地类别对地震作用的影 响;而在0.1~ 段即反应谱平台段,则没有 考虑场地类别对地震作用的影响。场地类别仅影 响反应谱的宽窄,各类场地上,反应谱最大值均一 样。 事实上,大量的震害表明,烈度相同、场地类 型不同时,震害差别很大。但按01抗震规范进行 抗震设计,所考虑的地震作用是一样的,这意味 着,可能一些场地上的结构抗震设计偏大而导致 浪费;而另一些场地上的结构抗震设计偏小而不 安全。因此,探讨场地条件对抗震设计反应谱最 大值的影响,研究适合于我国场地类别的设计反 应谱最大值的场地系数,为抗震设计提供参考,具 有重要的意义。 美国1 997版NEHRPNational Eaahquake Hazard Reduction Program规范推荐,使用F。和 F 两个场地系数,考虑场地条件对设计反应谱的 影响 。当基岩地震动小于或等于0.1g时,F 和F 的数值主要是根据1985年墨西哥地震和 1989年洛马普瑞埃塔地震及此前获取的强震记 录统计分析得到,且F。为相应类别场地与B类 基岩场地在0.1~0.5 S范围内的加速度反应谱 比平均值,F 为相应类别场地与B类基岩场地在 0.4~2.0 s范围内的加速度反应谱比平均值。而 对于基岩输人地震动大于0.1g的情况,由于观测 数据不足,是根据场地土层地震反应数值分析的 结果归纳的口 。场地系数F 和, 较好地反应了 对地震动中场地效应的认识。 我国一些学者对此进行了研究,得出的结论 不尽相同。薄景山 利用美国西部235条地震动 记录,提取标准反应谱最大值,并按场地类别和地 震动强度分组,计算同一分组内的反应谱最大值 的平均值,发现同一地震动强度下,反应谱最大值 的平均值没有明显变化。结论是,目前强震观测 资料还不足以反映各种因素对反应谱的影响。李 小军等 收集了近100个典型工程场地资料,建 立了与这些场地对应的计算模型,并构造出几十 个计算模型,最后组成了188个一维成层土层场 地计算模型。利用人工地震动时程合成方法,采 用不同幅值的地震动输入,计算场地地表反应。 结论是,不必考虑场地类别对加速度放大系数反 应谱平台值 的影响,但要考虑场地类别对地震 动峰值加速度的影响。耿淑伟 选用470条有台 站场地资料的美国西部强震记录,将这些台站场 地按O1抗震规范进行场地类别划分,并将强震记 录按照震级3档、震中距6档、场地3类进 行分组,计算每一条地震记录阻尼比为5%的反 应谱,再拟合成标准化反应谱,提取有效峰值加速 收稿日期2Ol0-09-29 作者简介郭锋1982一,男,湖北黄冈人,硕士,研究方向为工程抗震与地震动Emailguofeng9279163.COB 7O 土木工程与管理学报 2011芷 度EPA,统计各分组中EPA的平均值。结果发现 EPA随场地条件的不同有明显变化的规律性,设 计反应谱最大值应随场地条件调整,并以Ⅱ类场 地为基准,将EPA分成7个区间,将I、Ⅲ类各区 间EPA除以Ⅱ类场地相对应区间的EPA,即得出 了场地系数。由于数据有些离散,参照1997版 NEHRP规范作了一些调整,给出了场地系数建议 值。 上述研究中,一些是采用人工合成地震动,利 用场地计算模型计算场地地表反应;另一些是利 用美国西部强震记录来研究场地系数,且这些强 震记录是地表的。两种研究方法存在的主要问 题I场地土十分复杂,用人工合成地震动和场 地计算模型来研究场地系数,会使得场地系数变 化反映的是计算模型表现出的规律性,没有强震 观测数据直接反映的规律性可靠;2震中距相 差10 km,震级相差0.5级,地表的地震动差别显 然较大,将强震记录按照震级、震中距、场地进行 分档分组的方法来研究场地系数,结论有待强震 记录的检验。吕红山 指出研究场地对地震动 峰值加速度、反应谱的影响,最直接的方法是 建立井下台阵进行强震观测,即在同一地点的地 下不同深度设置强震仪,通过比较地表土层与地 下深处基岩的强震记录,分析场地土对地震动的 影响。这种方法综合考虑了震源机制、震级、震中 距等因素,能更加全面反映地震动本身的特性。 本文利用日本KIKNET基岩强震观测台网地下 基岩面和地上地表面的强震数据,研究场地条件 对设计反应谱最大值的影响,并提出场地系数建 议值。 1数据来源 日本KIKNET台网是基岩强震观测台网, 1995年兵库地震后,日本防灾科学技术研究所 NIED于1997年开始在全国建设KIKNET台 网,共建立约700个观测台站,台站的分布间距一 般为20 km,并对这些台站的场地进行了详细勘 察。该台网在每个台站的地表以及地下100~ 200 m处的基岩上分别设置一个强震仪,同时记 录相同地点不同深度的三分量E。W、NS、UD 地震动加速度数据 J。本文从该台网数据库中 选取了85个台站12次地震共242组484条水 平向地震记录每组含有地下基岩和地表2条地 震波数据,并根据台站场地资料,按照01抗震 规范进行场地分类,数据的基本情况见表1。 表1数据基本情况 注括号中数字表示地震波条数。 2场地条件对设计反应谱的影响 首先对每条地震波数据进行统一的基线校 正,提取地下基岩处峰值加速度PGA,再计算每 一条地震波阻尼比为5%的加速度反应谱。将地 下基岩处峰值加速度PGA分为四个区间小于 0.05g,0.05~0.13g,0.13~0.18g,大于0.18g, 分别对应基岩输入地震动为0.05g,0.10g,0.15 g,0.20g。由于地下基岩处PGA大于0.25g的 地震波较少,故地下基岩处PGA只分为四个区 间。将各PGA区间对应的地表反应谱进行算术 平均,即得到了各类别场地在不同基岩输入地震 动情况下的地表平均反应谱曲线,见图1。 图1表现出较为明显的规律性1在短周 期段,Ⅱ类场地的反应谱值最大,表明Ⅱ类场地在 短周期段的场地放大作用最大;2I类场地的 反应谱最大值仅比Ⅱ类场地小,且所处的周期 范围很小;3Ⅲ、IV类场地的反应谱最大值较I、 目 3 赵 口 目 搀 氇 越 嘲 口 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 周期s1 aPGA0.05g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 周期s bPGA0.10g 如∞如∞如∞如∞如∞如。如 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 一 O O O O O O ∞ ∞ ∞ ∞ 加 第1期 郭峰等场地条件对抗震设计反应谱最大值的影响 71 芝 日 期 蛊 0 拯 丰≈ 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3 O 周期s cPGA0.15g 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 周期s dPGA0.20g 图1 各类别场地、不同地下基岩输入地震动强度的 地表平均反应谱比较 Ⅱ类场地小,且所处的周期范围较大;4在长周 期段,Ⅳ类场地的反应谱最大,I类场地的反应谱 最小,即反应谱值随场地的变软而变大。由此可 知自振周期较短的结构在硬土地基上所受的地 震作用较大,其震害较重;自振周期较长的结构在 软土地基上所受的地震作用较大,其震害较重。 这与实际地震中的震害是一致的。01抗震规范 中,在长周期段,场地越软,所考虑的地震作用越 大,这与3、4相吻合;而在短周期反应谱 平台段,未考虑场地类别对反应谱的影响,与 1、2不相符,说明0l抗震规范关于设计反应 谱最大值的规定尚需改进、完善。 3不同场地类别的场地系数 0l抗震规范中,设计反应谱最大值平台段的 范围为0.1~ ,特征周期 的范围为0.25~ 0.9 s,参照美国NEHRP规范,取各场地地表与地 下基岩在0.1~0.5 S范围内的加速度反应谱比 平均值作为该场地的场地放大倍数。将地下基岩 处各PGA区间对应的场地放大倍数进行算术平 均,其结果见表2。 表2场地放大倍数 场地类别 以I类场地为基准,将Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类场地放大 倍数分别除以I类场地对应的场地放大倍数,即 得到各类场地设计反应谱最大值的场地系数以 下简称“场地系数”,见表3。 表3各类场地的场地系数 场地类别 表2、表3所表现的规律性十分明显1不 同类别场地在短周期对地震动的放大作用有显著 的差别,因此设计反应谱最大值应随场地类别进 行调整;2Ⅱ类场地对基岩输入地震动的放大 作用最强,其场地放大倍数达到6.44,场地系数 达到1.8,其次是Ⅲ类场地,而I类场地最小,这 反映了土的非线性作用;3场地放大倍数场地 系数随着基岩输入地震动强度的增大而减小。 需要指出的是,Ⅳ类场地由于地震波数量偏少,其 规律性弱于I、Ⅱ、Ⅲ类场地情况。 依据上述规律,将场地系数做小幅调整,并推 导至基岩输入地震动为0.3g和0.4g两种情况, 得到的场地系数建议值见表4。 表4场地系数建议值 4 结 语 本文根据国内外关于场地系数研究现状,通 过直接利用井下强震观测台网强震记录的方法研 究场地条件对加速度反应谱的影响,得出了不同 类别场地在短周期对地震动的放大作用差别较 大,设计反应谱最大值应考虑场地条件的影响。 经过计算与分析,给出了不同类别场地的场地系 数建议值,可供抗震设计规范修订时参考。 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞O∞ 加 4 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞o∞ 加 m 8 6 4 2 72 土木工程与管理学报 2011在 由于Ⅳ类场地强震数据较少,且缺少地下基 岩输入地震动为0.3g和0.4g的强震数据,其场 地系数属于推导性质,尚待积累更多的强震数据 [4] 对此进行检验和进一步研究。 [2] [3] 参考文献 [5] NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regula‘ tions for New Buildings and Other Structures1997 e r ] dition[S].Washin..on DCBuilding Seismic Safe ty Council,1998. 耿淑伟.抗震设计规范中地震作用的规定[D].哈 尔滨中国地震局工程力学研究所,2005. 薄景山.场地分类和设计反应谱调整方法研究博 士后研究报告[R].哈尔滨中国地震局工程力学 研究所,1998. 李小军,彭青,刘文忠.设计地震动参数确定中的 场地影响考虑EJ].世界地震工程,2001,17434 41. 吕红山,赵凤新.适用于中国场地分类的地震动反 应谱放大系数[J].地震学报,2007,29167- 76. Takumi Hayashida.Fumiko Tajima.Calibration of锄 plification factors using KiKnet strong-motion records toward site effective estimation of seismic intensities [J].Earth,Planets and Space,2007,59101111- l】25. Ef16ect Of Site Condition on the Maximum Value of Seismic Design Response Spectrum GUO , Dong一 ,XU Guo ,Jt Yulin’ 1.Central-south Architectural Design Institute Co Ltd,Wuhan 43007 1,China; 2.Hubei Research Institute of Geophyeics Survey and Design,Wuhan 430056,China; 3.a.School of Civil Engineering and Mechanics,b.Hubei Key Laboratory of Control Structure, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China AbstractWith the 242 group strong earthquake records of 85 stations at KIKNET in Japan,the sites was classified as 01 seismic code.the acceleration response spectrum with 5%damping ratio of underground bedrock and surface at each site were calculated,and according to the size of the ground motion of underground bedrock PGA was divided into four intervals.This article studied the effect of site condition on surface acceleration response spectrum at each site,and concluded Class I1 site with the largest ground motion amplification in short period,Class 1 with the least,after ClassⅢsite.The result shows the maximum response spectrum adjusted by site classification,proposes the maximum value of site coeftlcient of VOUS sites design response spectrum. Key wordssite classification;seismic;design response spectrum;site coefficient

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