特殊长周期地震动的参数特征研究

第28卷第6期2008年12月地 震 工 程 与 工 程 振 动J OURNAL OF EARTHQUAK E ENG I N EER I NG AND ENG I NEER I NG V I BRAT ION V o.l 28N o .6D ec .2008收稿日期:2007-10-11; 修订日期:2008-04-19基金项目:国家自然科学基金项目(50808168);青岛市城市建设科技发展项目(J K07-13)作者简介:徐龙军(1976-),男,副教授,博士,主要从事地震工程研究.E m ai:l xu l ong j un80@163.co m文章编号:1000-1301(2008)06-0020-08特殊长周期地震动的参数特征研究徐龙军1,胡进军2,谢礼立1(1.哈尔滨工业大学(威海)土木工程灾害与防御研究中心,山东威海264209;2.中国地震局工程力学研究所,黑龙江哈尔滨150080)摘 要:近断层脉冲型地震动和远场软土层场地类谐和地震动是两类特殊的长周期地震动,当前的规范均很少对这两类地震作用进行具体的规定。

研究了近断层脉冲型和远场类谐和地震动的幅值、幅值比(V /A,D /V )、傅里叶幅值谱和反应谱的差别,分析了相位角和作用循环周期数对简单脉冲的影响,并用于解释两类特殊地震动的工程特征。

以集集地震动为数据基础,分析了两类长周期地震动的傅里叶谱和反应谱特征;将平均加速度和位移规准反应谱分别与规范设计谱进行了比较。

建议设计谱在长周期段考虑近断层作用和软土场地面波效应的影响。

关键词:脉冲型地震动;类谐和地震动;相位;反应谱;抗震设计谱中图分类号:P315.915 文献标志码:AOn characteristics of ground m otion para m eters for special long period ground m otionsXU Long jun 1,HU Ji n j u n 2,X I E L ili1(1.Research C enter ofC i vil Engi n eeri ng D is asters and Preven ti on ,H arb i n I n stitute of Technology atW ei ha,iW ei hai 264209,Ch i na ;2.Instit u t e of Eng i neeri ng M echan ics ,Ch i na Eart hquake Adm i n i strati on ,H arb i n 150080,Ch i na)Abst ract :N ear fault pulse type ground m oti o n and so ft so il far fiel d har m on ic li k e ground m oti o n are t w o k i n ds of typ i c al long period ground m oti o ns .Current codes all pay less attenti o n to these t w o k i n ds of earthquake e ffects .Th is paper i n vesti g ates the differences bet w een the far fie l d and near fau lt ground m otions based on m oti o n a m plitude ,a m p litude ratios (V /A,D /V),Fourier a m plitude spectra and response spectra .By m eans o fmode ls of si m plified pu lses w it h d ifferen t phases and c irc l e num bers ,ana l y tica l expressions are derived to fit the observations of t h e features f o r these t w o types ofm oti o ns .Based on g r ound m o ti o n data fro m the Chi Chi earthquake ,Fourier a m plitude spectra and response spectra of these t w o k i n ds o f spec i a l ground mo tions are ana l y zed ;averaged accelera ti o n and d isp l a ce m ent nor m alized response spectra for bo th k i n ds ofm otions are co m pared w ith code desi g n spectra ,respecti v e l y .It i s suggested that the effects of near fau lt and surface w ave on soft site need to be considered in long period spectral range .K ey w ords :pulse type ground m otion ;har m on ic li k e g r ound m o tion ;phase ;response spectrum;seis m ic design spectra地震动是由震源释放出来的地震波引起的地表附近土层的振动。

它是一个复杂的现象,受到震源、距离、场地土、震级等多种因素的影响[1]。

在现有地震动记录资料中,有两类地震动被认为是特殊的,一类是近断层脉冲型地震动,一类为远场软土场地的类谐和地震动,在过去许多的研究中,这两类地震动通常是不与普通地震动一同考虑的。

目前,不仅我国抗震设计规范[2]未对两类地震作用进行专门的规定,国外规范也少有相关地震作用的具体规定。

两类地震动的特殊性首先表现在其地震动时程上,近断层脉冲型地震动具有幅值大、波形简单、脉冲周期长、作用时间短的特征。

从图1(a)所示的1999年集集地震TC U 068台站的NS 分量地震动中可以观察到近断层地震动的上述明显特征。

远场软土场地类谐和地震动更为独特,图1(b)所示为集集地震I LA056台站E W 分量地震动,这类地震动的后期振动阶段可以清晰地观察到多个循环周期的长周期脉冲,非常类似于谐和振动,类谐和振动的时间长达几十秒或更长。

类谐和振动阶段的加速度幅值(HA )小于地震动加速度时程的幅值(PGA ),但类谐和振动阶段的速度和位移幅值就决定了这类地震动的速度和位移时程的幅值。

两类地震动的特殊性还体现在各自产生的机理上。

根据断层的破裂过程和波的传播模式以及断层破裂方向与场地的相对关系,近断层作用主要分为方向性效应和滑冲效应,它们作用的结果都可以表现为长周期脉冲型地震动[3]。

这类地震动在近期的几次大地震中都造成了近断层地区工程结构的严重破坏,已经引起广泛关注[4,5]。

类谐和地震动主要是面波和场地土共同作用的结果,由面波激励和场地土放大作用共同引起的类谐和振动又称为面波效应,它主要产生于距离震源较远的厚冲击层平原或盆地[6,7]。

在1985年墨西哥地震、最近的集集地震中都可以观察到类谐和地震动的存在和由其引起的工程结构尤其是长周期结构破坏的例证。

图1 近断层和远场脉冲型地震动时程曲线F i g .1 T i m e h isto ries o f near-fault and far field pulse-type ground m o tions近断层脉冲型地震动和远场软土场地类谐和地震动是两类看似无关的地震动,结构工程师所关注的主要是两类地震动的工程特性。

本文首先对两类典型地震动的参数(加速度幅值A (PGA )、速度幅值V (PGV )、位移幅值D (PGD)及其比率V /A 、D /V 、傅里叶谱、反应谱等)进行了对比;为了对所观察到的结果进行解释,考虑脉冲作用循环周期数和相位角的影响,讨论了三角函数脉冲地震动相应参数的特征。

以集集地震中总共42条两类地震动为数据基础,分析比较了它们傅里叶谱和反应谱的特性,对两类地震作用下设计谱的修订进行了讨论。

1 地震动参数地震动加速度幅值A 、速度幅值V 、位移幅值D 及其比率V /A 、D /V 、傅里叶谱、反应谱等是用以反映地震动特征的重要参数。

仍以图1所示地震动为例,近断层脉冲地震动的加速度、速度和位移幅值分别为462c m /s 2、263c m /s 和430c m,约是远场类谐和地震动相应幅值的6.5、8.7和16.5倍。

近断层地震动的V /A 、D /V 率分别为0.57和1.63;而远场地震动的V /A 为0.42(仅考虑类谐和振动阶段时为0.73),D /V 为0.87。

可以发现近断层脉冲地震动的D /V 值明显大于远场类谐和地震动的D /V 值。

由于高频分量会对A 进而对V /A 产生较大的影响,这里仅将D /V 值作为区别两类地震动的主要地震动参数之一。

图2给出了图1中两条地震动的傅里叶幅值谱和加速度规准反应谱(阻尼比 =0.05)。

近断层脉冲型和远场类谐和地震动都包含明显的卓越周期,分别为11.8和5.6s 。

值得注意的是,尽管近断层地震动的幅值显著大于远场地震动,但远场地震动规准反应谱在长周期段明显高于近断层规准谱。

反应谱的这一特征与地震动中包含的长周期脉冲的循环作用周期数有密切关系。

本文定义循环周期数c i 为速度时程中纵坐21第6期 徐龙军等:特殊长周期地震动的参数特征研究标为 PGV /2的平直线窜过的波峰数之和除以2。

如图3所示,近断层和远场地震动的循环作用数分别为c i N =1和c iF =4。

另外,从图2中反应谱来看,近断层脉冲型地震动影响的反应谱频率范围大于远场类谐和地震动的影响范围。

图2 近断层和远场地震动的(a)傅里叶谱和(b)规准谱F i g .2 (a)F ou rier a mp litude spectra and (b)no r m alized response spectra o f near fau lt and far fi e l d ground motions图3 近断层和远场地震动的脉冲作用循环周期数F ig .3 A ppli ed c i rc l e number of long pe ri od pu l se of near fau lt and far fi e l d ground mo ti ons2 脉冲地震动及其参数近期,国内外关于简单脉冲地震动特性的研究较多[8-10]。