场地卓越周期在抗震概念设计中的运用

马 振 袁 伟 于德湖

(1.菏泽规划建筑设计研究院，山东 菏泽 274000； 2.青岛理工大学，山东 青岛 266000)

场地卓越周期在抗震概念设计中的运用

马 振1袁 伟1于德湖2

(1.菏泽规划建筑设计研究院，山东 菏泽 274000； 2.青岛理工大学，山东 青岛 266000)

从抗震概念设计基本原则出发，介绍场地卓越周期的确定方法，结合工程实例，采用统计学的方法，给出本地区的场地卓越周期数理统计值，分析卓越周期与自振周期之间的关系，并提出相应的设计对策和建议，对结构设计有一定的参考价值和借鉴意义。

场地卓越周期，自振周期，概念设计

场地卓越周期代表场地的固有周期，反映了地震波经过场地滤波和放大作用后的地面运动特征，表征场地土振动可能出现最大振幅时的周期，它随场地岩土特性而变化，若场地土较硬，则周期较短，振幅较小；若场地土较软，则周期较长，振幅较大[1]。

场地卓越周期作为反映场地土地震动力特性的重要参数，可以防止特殊地震效应的发生，避免在地震发生时地基与建筑物因发生共振或类共振而对结构带来破坏。

但是，一些结构设计人员往往不重视场地卓越周期，使得建筑物自振周期与场地卓越周期相接近，造成建筑物在共振或类共振效应下因其承受过大的荷载而倒塌。

1 场地卓越周期的确定

根据研究对象不同,场地卓越周期主要有以下三种确定方法。

1.1 直接计算法

它是根据场地卓越周期的定义,利用场地的实测强震记录进行Fourier分析,从而确定场地卓越周期[2]。这种方法的优点在于它能真实地反映场地在强震时地面运动情况的周期，但是，它只能测得地震动记录点的周期，无法得出附近一个区域的地震动情况，当某场地地层条件或地形地貌变化比较剧烈时，该方法存在一定的近似性。

1.2 常时微动测试分析法

它是应用高灵敏的地震仪观测地面脉动，将所得记录进行Fourier分析，从而确定场地卓越周期[3]。因抗震需要,某工程为确定场地卓越周期特进行常时微动观测，传感器分别按东西、南北两个方向放置,测试时间选在晚22:00点至次日凌晨。

图1,图2为一典型记录子样常时微动功率谱曲线，根据计算分析可得东西、南北两个方向观测的平均频率分别为:东西向2 188 Hz、南北向2 171 Hz,相应的周期分别为0.134 s和0.136 s,平均周期为0.135 s,那么场地土卓越周期为0.135 s。

1.3 经验公式法

可根据场地分层剪切波速测试结果计算场地卓越周期，可按式(1)计算：

(1)

其中，T为场地卓越周期,s；hi为各层土的厚度,m；Vsi为土的剪切波速,m/s。

2 菏泽地区场地卓越周期数理统计值

2.1 确定方法选择

因适宜的强震记录不易获得，而且地层结构及局部地形地貌的改变会较大影响场地卓越周期，工程应用中多用常时微动测试分析法和经验公式法确定场地卓越周期。本文选择经验公式法作为理论分析的基础[4]。

2.2 计算深度的确定

场地计算深度的取值，对场地卓越周期的计算影响很大，即不同的计算深度，对场地卓越周期带来的误差很大。鉴于此，本文参考《工程地质手册》(第四版)的相关规定，将计算深度取至Vsi>500 m/s坚硬土层顶面。

2.3 场地卓越周期的计算

针对菏泽地区，选择4个工程的地质资料，根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范规定分别计算场地卓越周期，见表1。

表1 场地卓越周期

2.4 场地卓越周期的数理统计

针对以上4组卓越周期计算值,采用数理统计的方法，计算场地卓越周期标准值。

1)样本均值:

2)变异系数:

3)修正系数:

4)场地卓越周期标准值:Tk=φ·μ=0.34。

3 卓越周期与自振周期之间的关系

概念设计中明确指出“结构的自振周期应尽量避开场地卓越周期,以免发生共振而加重震害”,也有文献通过对建筑震害宏观和微观数据对照,考虑到建筑周期与地震卓越周期相接近是引起建筑共振破坏的主要因素和直接原因后,提出在设计中应尽量加大建筑物基本周期与场地卓越周期的差距。

文献[5]根据地震作用是瞬态冲击的特性,在理论上和数值上分析结构自振周期与场地卓越周期在不同比值情况下对结构抗震性能的影响,提出第一振型自振周期是场地卓越周期的1.73倍时,结构的自振周期较为合理。

4 设计对策和建议

实际设计时，第一振型自振周期与场地卓越周期到底应该相差到什么程度才算合适。对于这一问题，基于上述“卓越周期与自振周期之间的关系分析”，本文认为对单自由度体系或以第一振型为主的结构,在其他各项计算指标都满足规范要求的前提下，通过结构有限元整体计算分析，在确定场地卓越周期的数理统计值后，将结构第一振型自振周期调整到场地卓越周期的1.73倍，结构方案较为合理。

[1] 龚晓南.土塑性力学[M].杭州：浙江大学出版社，1997：18-23.

[2] 王四巍.多轴应力下塑性混凝土力学性能及破坏特征[M].北京：中国水利水电出版社，2015：124-127.

[3] 屈智炯.土的塑性力学[M].北京：科学出版社，2011：180-185.

[4] 扶长生.抗震工程学[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：56-57.

[5] 徐至钧.建筑抗震设计与工程应用[M].上海：同济大学出版社，2012：312-313.

Applicationofsitepredominantperiodinseismicconceptualdesign

MaZhen1YuanWei1YuDehu2

(1.HezeInstituteofPlanningandArchitecturalDesign,Heze274000,China; 2.QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266000,China)

Starting from the basic principle of seismic conceptual design, introduced determination method of site predominant period, combined with practical work, by method of significant, mathematical statistics value of site predominant period in this area are given, anslysis on the relation between predominant period and natural vibration period, corresponding design countermeasure are proposed, which might give structure design some advice for their decisions.

site predominant period, natural vibration period, conceptual design

TU318

：A

1009-6825(2017)24-0032-02

2017-06-16

马 振(1982- )，男，硕士，工程师