陇东黄土高原地区建筑抗震设防参数研究①

2012-01-27王爱国赵泽贤

地震工程学报 2012年1期

王爱国，赵泽贤

（1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州 730000；2.中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，甘肃兰州 730000）

0 引言

陇东黄土高原主要指位于六盘山以东、子午岭以西的甘肃庆阳地区，是我国典型的黄土发育区（图1）。黄土分布高程一般为1 400～1 600m，地势西北高，东南低，第四系黄土沉积厚度由北向南逐渐减薄，至董志塬厚约250m。区内泾河及其支流纵横其中，形成南部保存最完好的黄土塬及北部沟壑纵横的黄土梁峁地貌［1］，河流最大切割深度达300m。

该区位于鄂尔多斯台地西南部，大地构造属于华北地台鄂尔多斯中坳带南段和鄂尔多斯西缘褶断带［2］。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306－2001），该区基本水平地震动峰值加速度0.05～0.10g，特征周期Tg为0.45s，相应地震烈度Ⅵ～Ⅶ度［3］。由于区内活动构造不发育，地震活动水平较低，建筑抗震设防工作一直重视不够。2008年5月12日四川省汶川县MS8.0特大地震给距离震中最近540km的陇东地区带来巨大损失［4］①甘肃省地震局.2008年5月12日四川汶川MS8.0级地震灾害损失评估报告（甘肃灾区）.2008.，特别是几栋新建小高层建筑的受损，引起政府对于抗震设防工作的高度重视。在灾后重建工作中，庆阳市人民政府印发通知②庆阳市人民政府办公室.关于灾后重建工程质量管理地震设防工程监督检查验收的意见（庆政办发〔2008〕100号）.2008.，要求灾后重建工程设防在国家新的标准未颁布以前将灾后重建项目及新建建筑设防标准统一提高1度进行设防，对学校、医院、商场、高大公共建筑等人流密集、使用功能特殊的房屋建筑和电力、广播电视、邮电、通讯、道路桥梁、交通运输等生命线工程及抗震防灾、党政军首脑、应急指挥中心所在的办公建筑，则要求按Ⅷ度加强抗震构造措施。

黄土地区的地震地质背景和地震活动环境以及其特有的地形地貌和黄土厚度等决定了其地震地面运动规律有其自身的特性［5］，陇东黄土高原地区尤为特殊。本文以陇东黄土高原西峰市及环县为例，对黄土高原地区建筑抗震设防参数进行研究，以期为黄土高原地区建筑抗震设防提供合理有效的参考。

图1 陇东黄土高原地理位置及区域地震构造图Fig.1 The geographical position and the seismotectonic map of eastern Gansu province.

1 历史地震影响及破坏特征

表1 主要历史地震对陇东黄土高原的影响烈度

对于黄土高原区的两次中等强度地震，震害记载比较简单，只是说明该区有地震，有一定破坏，而无具体描述。历史资料有详细记载的震害破坏主要有：

1556年陕西华县MS8.0地震：庆阳“城垣坍倒，城橹尽倾，山崖崩覆，穴居之民死伤者众以万计。府治后宅尽覆。城隍庙倾颓”；平凉“城垣尽摧，城中死者10余人，而山居穴处死者数千”。

1654年天水南MS8.0地震：环县“崩塌城垣房屋”；庆阳“城垣房屋俱圮”；宁县“墙屋悉倾，覆穴多压死者”；崇信“崩坏城堡窑庄，伤人甚众”。

1709年中卫南县MS7.5地震：庆阳“墙垣多倒，人物不伤”。

1879年武都南县MS8.0地震：镇原“城垣及四乡土窑有坍塌者”。

1920年海原县MS8.5地震：宁县“衙署房屋摇平，城垣崩陷，房窑倒塌十之六七，压死4 000余人，牲畜10 000头”；庆阳“城楼、垛口、学校、寺庙、民房、衙署等建筑均震塌，东南城门崩裂尤甚。共倒窑房15 394间，民庄1 209处，压死2 405人，牲畜26 000余头”；环县“倒塌房屋十分之七，死3 000余人，牲畜75 000余头”。

看出上述破坏形式及人员伤亡主要以窑洞为主。由于黄土裂隙发育，加上窑洞本身无抗震措施，因此地震破坏相对较重。

在东营乃至山东，最具代表性的地方文化是吕剧。东营区牛庄镇时家村是吕剧创始人时殿元的故乡，素有“要听吕剧腔，就到时谭武杜张（“时谭武杜张”是牛庄镇相邻的五个村庄的简称）”的美誉。吕剧由民间说唱艺术山东琴书演化而来，迄今已有100多年的历史。20世纪初期，在时殿元等老艺人的共同努力下，通过对山东琴书的直接继承和改革发展，改《王小赶脚》、《王汉喜借年》等坐腔扬琴为化妆演出，吸收融合其他民间曲艺如“大鼓”、“弋阳腔”、“坠子”、“花鼓”等艺术精华，同时又借鉴化用“五音戏”、“柳腔”、“京剧”、“河北梆子”等剧种的某些腔调、艺术表演形式，不断丰富、完善、发展而逐步形成［1］。

2008年汶川地震对陇东黄土高原建筑破坏也表现出明显的结构选择性和场地分区性［3］，以窑洞破坏最为严重，其次为高耸烟囱、水塔、薄长围墙、大跨度结构及高层建筑，反映出无抗震性能结构及长周期结构的破坏相对较重。同时，震害在梁塬上比较重，而沟谷区相对较轻；黄土区相对重，基岩区轻。

2 陇东地区概率地震危险性计算

综合中国地震局编制2001地震动参数区划图［3］所用潜源划分方案及该区最新研究成果，取陇东黄土高原周边250km半径范围作为计算区域，对该区代表性地点西峰市和环县进行概率地震危险性计算。计算中地震动衰减关系经过对比分析，选用了俞言祥2004年对青藏高原东北缘地区烈度衰减关系统计结果及转换得到的地震动反应谱衰减关系［8］，该结果能比较真实的反映本区地震动传播特性。

表2为计算得到的结果综合数据。对比计算结果与区划图结果，以中硬场地进行系数调整［9］，该区水平峰值加速度分档与区划图保持一致，但西峰地震烈度有所提高，反映黄土地区烈度的衰减相对较慢。

对各概率水准下的基岩水平地震动峰值加速度，最大的贡献潜源主要来自与计算场地相距大于150km的海原8.5级潜源，其次有固原北7.5级潜源、礼县8.0级潜源及中卫8.0级潜源。相应的等效震级M与等效距离R均比较大，显示本区的地震影响主要来自远距离大震，与历史地震破坏记载一致。采用麦圭尔90%能量持时公式［10］

ln（Td）＝0.19＋0.15 M＋0.35lnR

计算地震动持续时间，得到各概率水准下地震动90%能量持时均大于20秒，比西北地区一般场地持时高出约一倍，可见远距离大震的直接影响之一是地震动持时的大幅增加，加大了结构特别是软弱结构破坏的可能性。

表2 陇东黄土高原地震危险性分析计算结果

图2为计算得到的西峰及环县不同概率水准下的基岩地震动反应谱曲线。从图可以看出，两地的基岩反应谱特征周期均比较大，在50年超越概率63.5%、10%和2%三个水准下，特征周期Tg分别为0.4s、0.5s和0.6s，已经比地震动参数区划图一般场地条件高，低概率事件情况下尤为突出。

图2 西峰与环县不同概率水准下的基岩地震动反应谱曲线Fig.2 The response spectrum curves of bedrock ground motion in Xifeng and Huanxian under different exceeding probabilities.

3 黄土场地的放大作用

本区地表虽然沟壑纵横交错，但梁塬顶面基本为一微倾斜的平面，地层发育情况也很稳定。根据区域地质图［11］及该区实地调查情况，该区典型地层剖面如图3所示，地表为厚度大于250m的第四纪黄土，下部为第三系及白垩系粘土岩、砂岩、砂质泥岩、泥岩。塬面区岩土工程勘察资料及地震安评报告揭示［12］③兰州地震工程研究院.甘肃庆阳电信枢纽楼工程场地地震安全性评价报告.2004.，第四系黄土剪切波速总体随深度线性增大，地表剪切波速约150m／s，至约60m深度达到500m／s。该区场地土总体为中软土，场地类别为Ⅲ类，浅部黄土的平均土动力学参数如表3。

图3 黄土高原典型黄土地层剖面Fig.3 Typical stratigraphic section in loess plateau.

表3 浅部黄土相应剪应变下的平均剪模比G／G0和阻尼比D值

根据前面概率地震危险性分析计算结果，生成西峰及环县不同概率水准下的基岩地震动时程各3条，采用一维等效线性化方法，进行剪切土层地震反应分析，得到地表地震动时程及反应谱（图4）。表4对计算结果进行了总结。可以看出，在黄土高原区场地土对地震动峰值加速度的放大倍数基本为1.8～2.0，超越概率越大，放大倍数越大。考虑深部黄土相对较硬且密实，而计算采用的黄土动力学参数为浅层黄土参数，建议放大倍数取为1.8。黄土场地对高概率地震动反应谱特征周期有放大作用，但低概率事件则不明显，反应谱特征周期总体在0.6s左右。对比《建筑抗震设计规范》GB50011－2001，西峰与环县设计地震分组均为第三组，对Ⅲ类场地，特征周期对应为0.65s，与计算结果基本一致，可直接采用。

表4 陇东黄土高原场地对地震动参数的放大结果

图4 黄土地层地表地震动反应谱曲线Fig.4 The response spectrum curves of ground motion on the loess surface.

图5 陇东黄土高原区典型地貌剖面及边坡Fig.5 Typical geomorphology profiles and side slopes in eastern Gansu province.

4 黄土高原地形的放大作用

陇东黄土高原地形地貌特殊，沟谷切割深度大，地貌上以粱塬为主（图5），这种地形地貌对于地震动也有较强的放大作用。《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）对于地形放大调整系数有一定的规定［13］，以突出地形的相对高差H、坡降角度的正切H／L以及场址距突出地形边缘的相对距离L1／H为参数，归纳了各种地形的地震力放大作用调整系数λ：

λ＝1＋ξα其中ξ为附加调整系数，与场址距突出地形边缘的相对距离L1／H 相关；α为突出地形地震动参数的增大幅度，与突出地形的相对高差H及坡降角度的正切H／L相关。

为研究陇东黄土高原地形对地震动的放大作用，对该区梁塬峁地形的边坡进行了统计研究。统计数据表明，黄土高原区边坡类型基本可划分为三类，即塬边坡、梁边坡与梁塬峁地貌边坡带发育的深切冲沟（图5）。其中塬边坡相对比较缓，梁边坡次之，深切冲沟坡度最陡，各类边坡的参数如表5。

对比《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001），梁边坡与塬边坡的地震动增大幅度α为0.3，深切冲沟的地震动增大幅度α为0.4。由于梁峁与深切冲沟顶面无宽阔台地，其附加调整系数ξ均取1；而对于黄土塬来说，以距塬面边坡距离0.62km、1.25 km为界，ξ分别取1、0.6和0.3。因此，深切冲沟地震动参数放大系数λ为1.4，梁边坡λ为1.3，塬边坡λ则以距塬面边坡距离0.62km、1.25km为界，可分别取1.3、1.18、1.09。可见，塬面中间黄土地形放大作用不明显，而梁峁地貌区地震动则有较大的放大作用。综合黄土场地放大效应，该区地震动放大达2.0～2.5倍。