设计地震动参数中的几个问题探讨★

李红光

(中国地震应急搜救中心，北京 100049)

0 引言

近年来，随着我国城市化进程的发展，城市建设和交通建设工程越来越多，建设场地条件也越来越不利，尤其是汶川地震以后，随着人们对地震灾害认识的提高，建筑物(构筑物)的抗震设计越来越重要。防震减灾法中也明确规定:重要建筑物的选址、设计过程中，必须进行地震安全性评价工作。地方防震减灾法里对地震安全性评价的建筑进行了明确规定，很多地区已经把设计地震动参数纳入建设审批程序。

地震安全性评价是一项技术含量非常高的科学工程，很多技术手段还处于快速发展阶段，而且在设计地震动参数过程中还存在很多问题，比如潜源划分、时程拟合、土层地震反应等问题［1，2］。本文主要介绍作者多年来在地震安全性评价工作中遇到的问题和总结的经验，从理论计算和实例方面进行讨论，为从事地震安全性评价工作的技术人员提供参考。

1 地震危险性分析

目前在一般建筑场地的地震安全性评价工程中使用的地震危险性分析方法都是采用概率方法［3］，这个方法也是国家区划图中使用的方法。地震局推荐的计算软件是中国地震局地球物理研究所研制的ese程序，该程序使用的计算方法已经很成熟，被大部分地震安全性评价单位使用。用该程序计算基岩某超越概率下地震动参数时，往往得到的基岩反应谱不平滑，某些点会出现锯齿状条纹，这很明显与实际情况不符。这是由于在计算某一超越概率下的地震动参数时，只能靠“试射法”，ese程序要求提供10个加速度值，计算这10个加速度值的超越概率，然后用线性插值法求取所要求的概率下的加速度值。

表1 ese程序计算时提供的两组加速度值

表1是我们给的两组加速度值，用这两组加速度值分别对某弱震区进行地震危险性分析，图1是计算得到基岩反应谱值，情况1给出的加速度值不合适，周期1 s～2 s以后峰值加速度相对较小，而2 s后峰值加速度不变，这与实际严重不符，对建筑设防非常不利。我们建议应该根据实际经验来调节这10个加速度值，首先要估计所要计算的加速度值，然后估算一个可能区间，最后在这个估计区间中尽量平均的取10个值，最后通过试算来找一个比较平滑合理的值。

图1 两种情况下地震基岩反应谱比较

2 人工合成时程

人工合成时程方法比较多，但目前由于天然地震波比较少，而且分布也不均匀，一般在地震安全性评价工作中普遍使用三角级数拟合法［3］，该方法能够简洁方便的求取任一反应谱的时程曲线，但由于该方法没有考虑地震波的方位角(随机给出)，所以对应一个反应谱，能拟合出无数个人工时程，这些时程在土层反应时会表现出明显的不同。即使地震安评规范中要求人工时程不少于3条，但根据我们的经验，我们要合成尽量多的时程曲线(一般至少50条)，归准反应谱时要综合考虑人工合成时程带来的误差。

另外，在时程合成时一定要给出适合当地地震环境的拟合参数。对于弱震区，由于主要是受远震的影响，所以拟合中上升段的截止时间应该稍微大一些;对于强震区，上升段截止时间应该稍微小点。

3 场地地震工程条件勘测

3.1 钻孔数量应根据场地实际情况确定

地震安全性评价工作不仅考虑了场地周边的地震环境，还要对工程场地进行勘测，为进行地震土层反应提供基础数据。根据规范要求，一个场地钻孔数不能少于两个，以致目前大部分工程都是直接打两个孔，然后进行土层反应计算。这样做是非常不科学的，场地地震工程条件勘测的目的是探测场地下土层的变化情况，如果场地下土层变化非常平缓，用两个钻孔基本就能反映场地的地下情况;如果场地地形变化很大，那么两个孔肯定不能反映所有地下情况，应该打尽量多的钻孔来控制场地地层，从而更能合理的建立地震反应计算模型。

3.2 土动力实验结果应使用更合理的拟合公式

对土体动力学参数的描述，工程界普遍使用剪切模量比和阻尼比与剪切应变的关系。试验研究表明，饱和软土的动剪切模量(G)与动剪应变(γ)基本符合双曲线关系，Hardin等提出了预测动剪切模量与动剪应变的经验关系，称之为Hardin-Drnevich模型，随后Martin等提出了采用3个参数A，B，γ0拟合G/Gmax—γ曲线的方法，该模型称为Davidenkov模型。土的阻尼比随剪应变变化的规律比较复杂，工程上通常根据试验的阻尼比结果采用如式(1)所示的经验公式。

其中，n为阻尼比曲线的形状系数;Dmax为土的最大阻尼比。

陈国兴等［4，5］通过对江苏长江以南地区大量土体试验结果的研究，对Davidenkov模型进行了修正，对于土体阻尼比与应力关系建议采用如式(2)所示的经验公式。荣棉水等［6］使用陈国兴改进的土动力参数模型对海域软土进行了拟合，发现上述模型能更好的拟合实验数据。

其中，n和D0均为土体的拟合参数;Dmin为与土体初始动剪切模量Gmax相对应的土的最小阻尼比，它与土的性质、固结状态有关。

在土动力实验时，使用上述拟合公式，不仅能更好的反映土的动力学特性，还会在计算土层反应时得到更合理的计算结果。

4 土层反应分析

在确定土层场地地表及其以下不同土层层位处设计地震动参数的程序时大多采用等效线性化方法［2］。等效线性化方法作为一种权宜方法在工程中获得广泛应用，尤其在中国，这一方法几乎是唯一的选择。大量实践证明，在大震作用时，地震安全性评价中普遍使用的等效线性化方法计算土层反应程序不再适用。特别是近年来，探讨软弱土工程场地地震安全性评价的相关技术和方法成为当今和未来地震学和工程地震应用研究中非常重要的课题［1］。考虑到等效线性化方法只能粗略地估计土体的非线性影响，对于土体反应将进入大非线性范围及对土体非线性物理过程较为关心的情况，等效线性化方法的应用受到较大的限制［3］，因此针对强震区的工程场地，在计算大震的土层反应时不能使用等效线性化方法，可以使用直接时域积分方法［8］等。

5 设计参数的确定

设计地震动参数是地震安全性评价工程最重要的一步，也是提供给设计单位唯一的一组数据，地震动参数的合理设计成了最关键的一项工作。

大多数人直接根据ese程序计算的峰值加速度作为场地的峰值加速度，然后根据实际反应谱曲线进行归准，得出反应谱的放大系数。为了归准反应谱，一般会把放大系数任意的放大或者缩小以达到与反应谱曲线适合的目的。这明显是不合理的，放大系数一般是一个工程定量，尽量不要去改变，我们应该先在反应谱曲线的合适位置画出平台值，然后根据放大系数来求峰值加速度值。

致谢:感谢中国地震局地壳应力研究所荣棉水副研究员对本次工作的技术支持;感谢防灾科技学院张鹤翔副教授为这次工作搜集了大量基础资料。

［1］李小军.海域工程场地地震安全性评价的特殊问题［J］.震灾防御技术，2006，1(2):97-104.

［2］廖振鹏，李小军.地表土层地震反应的等效线性化解法［M］.北京:地震出版社，1989:141-153.

［3］胡聿贤.地震安全性评价技术教程［M］.北京:地震出版社，1999:363-364.

［4］陈国兴，刘雪珠.江苏长江以南地区新近沉积土动剪切试验研究［J］.地下空间与工程学报，2007，3(4):745-750.

［5］陈国兴，刘雪珠.南京新近沉积土动剪切模量比与阻尼比的试验研究［J］.岩土工程学报，2006，28(8):1023-1027.

［6］荣棉水，李红光.Davidenkov模型对海域软土的适用性研究［J］.岩土工程学报，2013，35(S2):596-598.

［7］卢 滔，周正华，霍敬妍.土层非线性地震反应一维时域分析［J］.岩土力学，2008，29(8):2170-2176.

［8］荣棉水.对含厚软表层海域工程场地设计地震动参数的一点建议［J］.地震学报，2013，35(2):1-10.