场地分类和设计反应谱的特征周期

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1、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

2、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amax和形状(Tg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

3、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。198

4、5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LomaPrieta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(amax)和特征周期(Tg)5-9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

5、，对低烈度区(£7度)最软场地上的amax将是坚硬场地的2.5倍，对高烈度区在软硬场地上的amax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

6、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

7、。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