成都地区区域性场地的地震响应分析

陈 琪，张玉萍

(1.西南交通大学高速铁道线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

成都地区位于我国南北地震带中段东部，历史上曾遭受过来自龙泉山断裂带和蒲江—德阳断裂近震的袭击及川西地区各主要地震带中、远震的影响。从区域构造背景和地震活动分析可知，成都市区地质构造稳定。1978年四川省地震局、地质局等单位编写的《成都地区基本烈度鉴定报告》，将本区基本烈度定为Ⅶ度，为本区工程建设提供了重要依据［1］。曾勇［2］也研究了本区未来地震危险性趋势及强震地面运动特征，但是上述研究都没有考虑成都黏土结构的特殊性及其动力反应特性。2008年5月12日发生的四川汶川特大地震［3］，震中距成都达70 km，但却给成都的结构造成了严重破坏。其原因或许是成都表层黏土对地震波有放大作用，但是黏土的放大程度和周期的影响等关系到结构抗震的问题，却较少被研究，本文将针对这些问题开展工作。拟采用国际上普遍使用的由Bardet和Tobita开发的软件NERA(Nonlinear Earthquake site Response Analyses)进行分析，此软件主要用于非线性一维地震场地反应分析。

根据成都地区曾发生过的地震可知，龙泉山断裂带和龙门山断裂带距成都地区的距离分别为10 km和70 km左右。为此本文从台湾集集地震记录中选取了震中距为10 km内和60～80 km各25个地震动记录(汶川地震记录没有足够的硬土场地记录)，并分别计算了加速度谱和不同谱周期下的谱比，确定了成都表层黏土对地震波的放大效应。然后对不同震中距下的25个加速度谱进行了平均，进而把平均地面反应谱与成都地区的设计地震谱进行了比较。

1 场地土层性质

成都地区是中生代坳陷盆地，地表堆积了第四系松散沉积层，本次研究即对此第四系松散沉积层对地震动的反应进行了分析。所选场地的地勘深度为36.5 m，此范围内地层主要由第四系全新统人工填土层(Qml4)及第四系中下更新统冰水堆积物(Qfgl1+2)组成，下伏白垩系灌口组(K2g)泥岩。在场地钻孔内未见地下水，部分地段有地表积水。土层性质如表1所示。

表1 土层性质和剪切波速

由剪切波速和土层密度，可计算最大剪切模量Gmax，从而得到由 Hardin and Drnevich 模型［4］拟合的G/Gmax和阻尼比随剪切应变变化的关系，即G/Gmax－γ和λ－γ曲线。

2 地震动输入

根据成都地区地质条件，由剪切波计算公式可以计算出土层的平均剪切波速Vs=420 m/s，并由《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)得到场地类别为Ⅱ类。根据断层类型(汶川地震为逆冲断层)、震级(台湾集集地震震级是7.6，汶川地震震级是7.9)、场地类别(Ⅱ类场地对应台湾地区的C类场地)、震中距的相似性，本次计算选取的是台湾集集地震记录中的部分记录。为了探讨近源地震的影响，选取了震中距为10 km内的25个地震记录。考虑龙门山距成都70 km，选取了60～80 km内的C类场地的地震记录。

图1和图2分别给出了震中距9.77 km、地震加速度0.345g和震中距64.15 km、地震加速度0.044g的时程曲线。

3 计算分析

3.1 峰值加速度放大比

本节重点研究峰值加速度放大比(地表输出PGA与输入PGA的比值)。为此分别把震中距为10 km内的25个地震记录输入，计算了PGA的放大比，并得到了PGA放大比与输入PGA的关系。以及把60～80 km内的25个地震记录输入，得到了在此条件下的PGA的放大比与输入PGA的关系，计算结果如图3所示。

图1 地震动“Chy006-n”的加速度时程曲线

图2 地震动“Chy022-n”的加速度时程曲线

由图3可以看出，当震中距在10 km内时，输入PGA集中在0.1～1.0g范围内，场地对地震最大加速度的放大比为0.5～2.0倍。同时可以看出，震中距为10 km内时，PGA放大比明显随输入PGA的增大而减小。当输入PGA＜0.32g时，放大比＞1，而输入PGA＞0.32g时，放大比＜1，即场地对地震动有减小效应，原因是成都表层黏土发生了非线性反应。此结论也与Idriss［5］提出的结论(当 PGA ＞0.3～0.4g时放大比 ＜1)相符。而震中距为60～80 km时，输入PGA集中在0.02～0.10g范围内，放大比却为1.6～2.8倍。即当震中离场地较远时，场地对峰值加速度的放大较大。由于汶川地震发生在距成都约70 km，因此场地对地震动有放大作用，对建筑物的影响不容忽视。

图3 峰值加速度放大比

3.2 谱加速度放大比

根据建筑物自振周期与其高度的关系，低层建筑自振周期约0.2 s，一般高度建筑物的自振周期为0.5～1.0 s，为此这里分别计算了周期为 0.2 s，0.5 s，1.0 s时的谱加速度(SA)放大比(输出SA与输入SA的比值)与输入SA的关系，计算结果如图4所示。

图4 不同自振周期下的SA放大比

由图4(a)可以看出当T=0.2 s时，震中距为10 km内时SA放大比为0.7～2.0倍，且随SA的增加放大比有减小的趋势。当输入SA＜1.25g时放大比＞1，当输入SA＞1.25g时放大比＜1。震中距为60～80 km时SA放大比为1.5～2.6倍，且由于输入SA范围较小，其放大比没有随输入SA明显增大或减小。但可以看出相对震中距较小时，震中距较大时放大比也较大。

由图4(b)可以看出，T=0.5 s时，震中距为10 km内时SA放大比为0.7～2.0倍，且随SA增大放大比有减小的趋势。当输入SA＜1.3g时放大比＞1，当输入SA＞1.3g时放大比＜1。震中距为60～80 km时SA放大比为1.4～2.2倍。

由图4(c)可以看出当T=1.0 s时，震中距为10 km内时SA放大比为0.9～1.4倍，放大比基本集中在1.25左右，并且放大比基本不再小于1(由于统计数据有限，图中拟合曲线有一定误差)。震中距为60～80 km时SA放大比为1.1～1.3倍，但都集中在1.2倍附近。

3.3 放大比比较

此场地地表对峰值加速度的放大比在震中距大时较大，且相同自振周期下，震中距大时SA放大比较大。相同震中距下，自振周期大时放大比较小，即地震对场地内的高层建筑比低矮建筑影响小，这是由场地表层软土的非线性反应引起的(见表2)。

表2 放大比汇总

4 设计谱

成都地区场地类别为Ⅱ，取特征周期分区为二区，根据《铁路工程抗震设计规范》［6］，得到地震动反应谱特征周期Tg=0.4 s。其中曲线部分动力放大系数为

将相同震中距下的25个地震动输出的加速度谱换算为动力放大系数β并进行平均，可得拟合曲线如图5所示。由图5(a)可以看出，震中距为10 km内时，设计地震谱与本文拟合的曲线有一定差别。在0.2～4.0 s范围内设计地震谱动力放大系数偏小，约小10%～50%。但由于此次计算采用的是7.6级地震记录，而离成都10 km的龙泉山断裂带发生大地震的可能性极小，所以设计地震谱在一般情况下应该依然适用。由图5(b)可以看出，震中距为60～80 km时，设计地震谱在0.4～2 s之间基本适用。当周期在0.2～0.4 s之间时，计算出的曲线出现了较大峰值，因此在这个周期范围，使用设计地震谱设计时将可能偏于危险。比较不同震中距下的曲线可以看出，当震中距不同时，设计地震谱也应不同，因此在使用设计地震谱时，要谨慎考虑震中距的影响。

图5 设计谱拟合曲线

5 结论

通过对一个典型成都场地输入震中距为10 km内和60～80 km的各25个加速度时程记录的分析计算，得到结论如下:

1)当震中离场地10 km内时，场地对地震峰值加速度的放大比为0.5～2.0倍，而震中距为60～80 km时，放大比却为1.6～2.8倍，即当震中离成都场地较远时，场地对峰值加速度的放大比反而大。

2)在相同震中距的情况下，场地对T=1.0 s时谱加速度的放大比T=0.2 s时的小，地震对场地内高层建筑的影响相对低层建筑较小。在相同短周期的情况下，震中距大的谱加速度放大比稍大，即对于低矮建筑，当震源离场地较远时所受影响偏大;在相同长周期的情况下，不同震中距的谱加速度放大比相差不是很大。

3)成都地区对设计地震谱在震中距为60～80 km时基本适用。当震中距为10 km内时，设计地震谱在0.2～4.0 s范围内偏小约10% ～50%;不同震中距的设计地震谱应有所不同。

［1］国家地震局西南烈度队.西南地区地震地质及烈度区划探讨［M］.北京:地震出版社，1978.

［2］曾勇.成都平原东部地震危险性及强震地面运动特征［D］.成都:成都地质学院，1990.

［3］闵卫鲸，张炳焜，李磊，等.汶川地震中高路堤的抗震响应分析［J］.铁道建筑，2010(12):66-69.

［4］HARDIN B O，DRNEVICH V P.Shear modulus and damping in soils:measurement and parameter effects［J］.Journal of the soil mechanism and foundation division，ASCE，1972，98(6):603-624.

［5］IDRISS I M.Response of soft soil sites during earthquakes［C］//Proceedings of memorial symposium to honor professor Harry Bolton Seed.Berkeley California，1990:273-289.

［6］中华人民共和国建设部.GB 50111—2006 铁路工程抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.