第五讲 场地分类和设计反应谱的特征周期

第五讲场地分类和设计反应谱的特征周期

周锡元樊水荣苏经宇

一、国内外概况

现行《建筑抗震设计规范》（GBJ11－89）（以下简称89规范）中的场地分类标准和相应设计反应谱的规定是在1974年发布的《建筑抗震设计规范》（TJ11－74）中有关场地相关反应谱的基础上修改形成的。有关规定的背景材料见文献[1]—[3]。需要指出的是抗震设计反应谱的相对形状与许多因素有关，如震源特性、震级大小和震中距离，传播途径和方位以及场地条件等。在这些因素中震级大小和震中距离以及场地条件是相对易于考虑的因素，这两个因素的影响在89规范已有所反映，震级和震中距离的影响涉及到区域的地震活动性，应该属于大区划的范畴。在现行建筑抗震设计规范中的设计近震、设计远震是按由所在场地的基本烈度是否可能是由于邻区震中烈度比该地区基本烈度高二度的强震影响为准则加以区分的。这显然只是一种粗略划分。划分设计近震、设计远震实际是根据场地周围的地震环境对设计反应谱的特征周期加以调整。关于地震环境对反应谱特征周期的影响，今后将在地震危险性分析的基础上由新的地震动参数区划图来考虑。

关于场地条件对反应谱峰值αmax和形状(T g值)的影响是一个非常复杂的问题，其实质是要预估不同场地条件对输入地震波的强度和频率特性的影响。首先，如何确定输入基准面或基岩面就是很困难的，在89规范中，将剪切波速大于500m/s的硬土层定义为基岩，可以说是迁就钻探深度的一种粗略的处理方法。在美国的建筑抗震设计规范中，剪切波速度大于760m/s的地层才算作是软基岩，而软基岩和硬基岩对地震波的反应特征也是有区别的。另外土层的剪切波速分布千变万化，如何将其对反应谱的影响准确的加以分类，同样也很是困难的。在各国的抗震设计规范中尽管大家都承认考虑场地影响的重要性，可以说都还没有找到很满意的实施方法。美国关于场地相关反应谱的研究始于1976年，1978年以后才开始进入抗震设计规范。美国规范应用了Seed等[4]提出的S1～S3类场地划分标准。他们与我国规范一样只考虑场地类型对反应谱形状(Tg值)的影响。1985年墨西哥地震以后，美国规范增加了剖面中存在软粘土的S4类场地。这一分类标准从定义到分类方法都有一些含糊不清的地方[5]。进入90年代以后，美国根据1989年Loma Prieta 等地震中不同场地上的强震观测记录和土层地震反应分析比较结果，提出了一个以表层30m范围内的等价剪切波速为主要参数的场地分类标准和相应的设计反应谱调整方案NEHRP[6]，在这一方案中同时考虑了场地类型对反应谱峰值(αmax)和特征周期(Tg)的影响

[7]。为适应美国东部地区的地震动特性，林辉杰等对这一方案作了一些调整[8]。NEHRP 方案已基本上被美国2000年建筑规范草案接受，按照这一新方案，对低烈度区(≤7度)最软场地上的αmax 将是坚硬场地的2.5倍，对高烈度区在软硬场地上的αmax 值保持不变，中间的情况大体上是依次逐渐变化的。场地条件对反应谱Tg 值的影响在美国规范中是用周期为1s 的谱加速度值来表示的。场地条件对反应谱形状的影响是用周期为1s 和0.2s 的谱加速度比值来表示，此值实际就是我们所说的特征周期Tg 值有关，其数值范围为0.4～1.0s 。考虑到所在场地地震环境的不同，对Tg 值，尚需作进一步的调整，调整幅度与场地类别和周期为1s 时的谱加速度有关。美国2000年建筑规范中的设计反应谱随场地条件的变化幅度比以前的规范有所扩大。从统计意义上看这样的调整也许是合理的，问题是目前使用的场地分类方法和相应的场地相关反应谱还不能很好与其预期值相适应。另外，诸如震源机制等其他因素的影响还可能掩盖由于场地条件可能造成的谱形状的差异，在这种情况下，调整的幅度尚不宜过细过大。对此在这此修订中已有所考虑[15]。

日本1980年颁布的建筑抗震设计规范将场地简单地分为三类：即硬土和基岩，一般土和软弱土，相应的Tg 值分别为0.4，0.6和0.8s 。从文献[9]中可以看到目前各国抗震设计规范中所采用的场地分类方案大多比较简单，相应的反应谱Tg 值范围一般都在0.2～1.0S 之间。只有墨西哥城是一个例外，那里采用的反应谱特征周期有大至2.0～2.5s 的情况。这是由于特殊的地震和地质环境造成的。我国的地震以板内地震为主，地震动的主要频率考虑在1.0～10HZ 之间看来是合适的。关于场地类别对地震地面运动强度的影响，在1995年日本阪神地震以后日本学者也十分重视。他们从对规范中3类场地上峰值加速度和速度比值的统计结果中发现，2、3类场地的峰值加速度平均约为1类场地的1.5倍，2、3类场地的峰值速度平均约为1类场地的2倍和2.5倍。

二、现行规范场地分类的基本考虑

从理论上讲，对于水平层状场地，当其岩土分布和柱状，各层土力学特性（包括非

线性特性），以及入射地震波等均为已知时，场地反应问题是可以解决的。目前的问题是关于输入和介质的信息都不够完备，因此很难满足工程设计的要求。抗震设计规范中只能应用目前在工程设计中可能得到的岩土工程资料，对场地土层的地震效应作粗略的划分，以反映谱特征周期一般性变化趋势。众所周知，对于均匀的单层土，土层基本周期s V H

T 4=。此式表明覆盖土层H 愈厚，剪切波速V S 愈小，基本周期愈长。值得注意的是这一基本公式主要适用于岩土波速比远大于1.0的情况，且有V S 和H 这样两个评价

指标。由于场地土层剪切波速一般都具有随深度增加的趋势，用一般工程勘察深度范围内实测剪切波速的某种平均值来表示场地的相对刚度，应该说是比较合理的。考虑到当平均波速V S 相同时，由于覆盖层厚度H 不同，基本周期也将有很大的差异，因此在现行

规范中增加了覆盖层厚度的指标，并由此产生了双参数的场地类别划分的构想。按照H 愈大，V S愈小，Tg值愈大的一般规律将场地划分为Ⅳ类，应用可能得到的强震加速度反应谱进行分类统计获得了各类场地的平均设计谱。在实际应用统计结果时考虑到经济方面的原因，在选用各类场地Tg值时采取了平均偏小的值。另外，考虑到这种分类方法的把握不是很大，因此在分类中有意识地扩大Ⅱ类场地的范围，把Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ类场地的范围缩得较小。在某种意义上讲这也是一种协商的结果。与国外抗震设计规范中的场地分类标准和相应的Tg值相比，我国规范中取的值约偏小15％-30%左右。从不同场地上的大量实测反应谱资料看，在中短周期段(0.1～1.0秒)实际记录分析得到的谱加速度值比规范规定大很多的情况常有出现，但按规范设计的建筑大多能经受(指不产生严重破坏)这种超规范的地震作用。例如在我国1988年云南澜沧—耿马地震的一次6.7级余震中，在震中附近Ⅰ～Ⅱ类场地上记录到的地面加速度达0.45g，反应谱特征周期达0.5秒。但台站周围的建筑震害并不很严重。这些情况说明设计中采用场地分类和相应的反应谱可能会与未来地震中实际经受的谱有较大的差异，但一般来讲，这种不确定性可能造成的后果并不是十分严重的。

三、实用中提出的问题和处理意见

89规范中的场地分类和相应的设计反应谱特征周期值划分方法已为我国工程界熟识。在93年的局部修订中对这部分内容未提出强烈的修改要求。不过在实用中以及与其他规范的协调过程中还是反映出来一些问题，归纳起来大致有以下几条。

1、在构筑物抗震设计规范修订过程中对此分类方案的阶梯状跳跃变化提出了异议。工程界也有一些意见认为场地类别的分界线不容易掌握，特别是在覆盖层厚度为80m，平均剪切波速为140m/s的特定组合下，当覆盖层厚度或剪切波速稍有变化时场地类别有可能从Ⅳ类突变到Ⅱ类，相应地震作用的取值差别太大。这种情况是因为在征求意见和审查过程中有相当一部分人要求将Ⅲ、Ⅳ类场地范围尽量划小，以减少设防投资而人为地将一部分Ⅲ类场地划成了Ⅱ类后造成的结果。随着我国经济情况的好转，这一问题已不难解决了。

2、89规范中的划分方案在边界附近的场地类别差一类，反应谱Tg值也相应跳一档，例如从Ⅲ类场地跳到Ⅳ类场地时引起Tg值以及中长周期结构的地震作用有较大的突变，在设计中不好掌握。因此提出可否考虑采用连续化的划分方法。这个问题实际是反映了需要与可能之间的矛盾。事实上场地类别和Tg之间的这种分档对应关系在实际地震中是很可能出现矛盾的。上面提到的1988年澜沧—耿马地震中的实际记录就是一个例子。再说现行建筑抗震设计规范中的相邻场地类别Tg值的差异已不是成倍的变化了，因此过细的区分必要性不是很大的。为了满足形式上的连续化可以采用插入的方法。关于这一点