场地卓越周期的测定及其在建筑抗震设计中的应用

场地卓越周期的测定及其在建筑抗震设计中的应用

2005-11-04 15:41:43

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郑柱坚

中国有色金属工业昆明勘察设计研究院 650051

摘要：文中讨论了场地卓越周期在场地土分类和确定抗震设计参数方面的应用。

关键词：卓越周期场地土类型峰值加速度

我国正处于地震活动最频繁的时期，如果发生地震，将给国家和人民财产带来巨大损失，因此，建筑抗震设计是地震区必须考虑的问题。通常除了测定场地土的剪切波速、评价场地土类型、计算动力参数外，测定场地卓越周期也是一个重要指标。如果场地卓越周期与拟建构筑物自振周期接近或一致，在发生地震时，地基土与构筑物将产生共振作用，使振动幅值变大，导致建筑物的严重损坏。因此，从地震工程的角度，测定场地土的剪切波速和卓越周期，是地震区岩土工程勘察的重要内容。

地微振实测信号采样后，可进行频率域、幅值域分析。对实测信号进行快速富里叶变换，得到场地卓越周期；对实测信号进行概率密度谱分析，得到幅值分布规律。通过工程实践和对比，笔者认为，根据场地卓越周期，可划分场地土类型，预测地震动峰值加速度及其分布规律。为此，本文介绍地微振与地震动的关系、地微振的测定技术及场地卓越周期在抗震设计方面的应用。

一、地微振与地震动的关系

由于风等自然因素的多种原因而产生并合成的地面振动称为不规则微振，这些不规则微振的一部分性质中，反映着地震时地基的振动特性。这些不规则微振称为常时微动或地微振。

场地微振是由包括自然震源和人工震源的共同影响下场地土的振动反应，是一种平稳的随机振动。地基土的固有周期一般为0.10s～4.0s，其中周期为0.1s～1.0s的地基土是工程勘察和建筑抗震设计研究的重点。

研究表明[1]，地微振测定的场地卓越周期与地震动的特性（地震动的频谱）大体相同，如图1所示。因此，只要根据地微振测定的卓越周期，就可确定地震时地基土的振动特性。

地震波包含着各种频率成分和不同的振幅。在地震波的大小振幅中，其幅值的分布是以大振幅为主，还是以小振幅为主？只要对实测波形作概率密度谱分析，便得到地震动幅值的分布规律。图2为美国埃尔森特罗地震波和概率密度谱[2]，该地震波的最大加速度为326gal，相对标准差为0.314，相应的加速度为102gal。因此，该地震波的振动幅值分布以小于102gal为主，约占75.6％，大振幅的

波分布很少。

二、测试技术

地微振测定由拾震器、低频放大器、信号采集仪和计算机组成，地微振测定宜选在夜深人静的晚上进行。观测时，把拾震器水平放置在测定的土层上，并使它作自由振动。然后，通过连接电缆把拾震器拾取的场地微振信号送到信号采集仪，由计算机按一定的采样间隔进行采样并记录。记录时间应连续观测四分钟以上，以保证采集到的微振信号是平稳的随机信号。

三、工程实例

1. 抗震设计

场地卓越周期主要为评价给定场地设计地震作用与结构抗震验算作依据，也为考虑地基与拟建构筑物在发生地震时，是否产生共振作用及确定对策提供依据，因为振动周期短的刚性构筑物在硬质地基上震害大，周期长的柔性建筑物在松散地基上震害严重。

昆明市南亚整形美容中心，共计22层。场地内主要地层有：①人工土；②粘土；③淤泥；④粉土；

⑤圆砾。

波速测试结果表明，该场地属中软场地土类型，地微振测定的时域速度曲线、频域功率谱曲线见图3，其卓越周期为0.474s。因此，在进行建筑抗震设计时，拟建建筑物的自振周期应避免与场地卓越周期一致或接近，以免产生共振，导致建筑物的严重破坏。

2. 场地土类型的划分

现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GBJ11－89）中规定，场地土类型宜用剪切波速划分。那么，是否能用场地卓越周期划分场地土类型?

笔者在文献[3]中介绍了实测剪切波速与场地卓越周期的关系，并通过实测卓越周期与由剪切波速计算的卓越周期的工程对比，说明场地卓越周期实际上定性反映了场地覆盖层一定深度内的软硬程度，可用于评价地基的优劣。因此，参照国标《建筑抗震设计规范》（GBJ11－89）用剪切波速划分场地土类型的标准，提出了按场地卓越周期划分场地土类型，其划分标准见表1。

(1)攀钢经营生产调度指挥中心，共28层。该场地覆盖层很薄或直接裸露出强风化、中风化辉长岩。地微振测定的时域速度曲线、频域功率谱曲线见图4，其卓越周期为0.12s，按卓越周期划分为坚硬场地土，与按剪切波划分结果一致。

(2)曲靖兴海大厦，共15层。该场地地层为：①人工土；②粘土；③泥灰岩。地微振测定的时域速度曲线、频域功率谱曲线见图5，其卓越周期为0.20s，按卓越周期划分为中硬场地土，与按剪切波划分结果一致。

(3)十四冶三公司综合楼，共17层。该场地地层为：①杂填土；②粉质粘土；③粘土；④细砂；

⑤圆砾。地微振测定的时域速度曲线、频域功率谱曲线见图6，其卓越周期为0.34s，按卓越周期划分为中软场地土，与按剪切波划分结果一致。

3. 预测地震动峰值加速度及其分布规律

地震动峰值加速度是抗震设计规范中的一项重要基本参数，在工程设计中取值的高低，将直接影响抗震设防的标准和基本建设投资。因此，地震动峰值加速度的取值尤其重要。

研究推算地震动峰值加速度一般有两种：一是在地震危险区建立长期观测站，以获得在大地震时的地面运动加速度记录；二是采用分析计算的方法，对于水平土层，可采用一维波动理论，对于非水平土层，采用有限元法计算。

研究表明[1]，根据强震区场地的卓越周期、地震烈度和强震地面运动加速度记录，我们可以建立地震动峰值加速度值与地基土的卓越周期、地震烈度之间的关系：

(1)

上式中，为峰值加速度；T为场地卓越周期；I为地震烈度（按12度）。图2所示的美国埃尔森罗地震波，用(1)式计算得到的峰值加速度为335gal，实际记录为：326gal。

云南省电力试验所职工住宅区，共六幢。该场地地层为①人工填土；②植物层；③粘土；④粘土；⑤粉土；⑥粘土；⑦粘土；⑧粉土；⑨细砂；⑩圆砾。

地微振测定的速度曲线、功率谱曲线和概率密度谱曲线见图7，其卓越周期为0.366s。该场地的卓越周期为0.34s～0.366s，公式(1)计算结果，该场地50年超越概率为10％的峰值加速度平均值为

113gal，利用剪切波进行地震反应分析计算的场地峰值加速度平均值为114gal，两种计算结果吻合。概率密度谱分析表明，相对标准差为0.32，相应的加速度为36gal，因此，振动幅值分布以低振幅为主，约占70％，大振幅的振动分布占很低的比例。

四、结束语

由于场地微振在地层中传播规律和特点与地层条件、地基的振动特性关系密切，其卓越周期、频率和振幅是地下一定深度内地层的综合反映。因此，笔者认为，利用场地卓越周期划分场地土类型，预测地震动峰值加速度值是可行的。

对于大多数工程而言，由于工程造价等客观原因，极少工程为计算地震动峰值加速度而对场地进行地震反应分析。但通过场地卓越周期计算地震动峰值加速度，则很容易做到。

本文对场地卓越周期在抗震设计中的应用作了探讨，但难免存在不妥之处，望读者予以指正。

参考文献

[1] [日本]金井清著，工程地震学

[2] [日本]大崎顺彦著，地震动的谱分析入门

[3] 郑柱坚，波速测试及其在抗震设计中的应用，工程抗震，1998年第二期