新疆喀什原场地地震动频谱特性研究

2023-12-15梁晓敏韩小雷

地震工程学报 2023年6期

季静,梁晓敏, 付豪, 韩小雷

(华南理工大学土木与交通学院, 广东广州 510640)

0 引言

新疆是我国多震省区之一,自1996年以来,喀什—阿图什等地连续发生10余次6级以上地震,引起国内外有关专家的关注。新疆属中国边远贫困地区,城乡经济情况较差,每次震级较高的地震均导致房屋、构筑物等基础设施损坏,造成一定的人员伤亡和较大经济损失[1-4]。

2020年1月19日,新疆喀什地区伽师县发生6.4级的地震,震中位于39.83°N,77.21°E,震源深度16 km。震中距伽师县56 km、距阿图什市90 km、距克孜勒苏柯尔克孜自治州90 km。此次地震造成1人死亡、2人受伤及15.26亿元经济损失[5-6]。2020年2月21日,该地区再次发生MS5.1地震,震中位于39.87°N,77.47°E,震源深度10 km。虽然并未造成人员伤亡,但仍然造成了一定的经济损失。MS6.4和MS5.1两次地震发生时间相近,震中距相隔仅23 km,距喀什市区约100 km。喀什地区土质以黏土、粉土、粉砂、砾砂为主,地层结构相对稳定,变化不大,属于Ⅱ类场地土[7-8]。因此,对此地震动记录进行研究分析,可以为新疆喀什地区工程结构抗震设计提供依据。

1 喀什原场地地震动的收集

本次地震动均从新疆强震动观测台网收集,从43个强震动观测台站获取MS6.4地震,其中21个强震动观测台站获取MS5.1地震,观测台站分布如图1所示。

图1 观测台站分布图Fig.1 Distribution map of observation stations

43个台站与地震中心的距离在13.7～491.7 km,其中21个台站的震中距在100 km以内,其余大部分台站在100～200 km,仅有一个台站的震中距接近500 km。两次地震动加速度记录分别列于表1、表2。

表1 MS6.4台站信息及地震峰值加速度Table 1 Information of MS6.4 stations and peak acceleration of earthquakes

表2 MS5.1台站信息及地震峰值加速度Table 2 Information of MS5.1 stations and peak acceleration of earthquakes

本研究仅考虑水平地震作用,共获得地震波128条,其中MS6.4地震波86条(A1-EW～A43-EW、A1-NS～ A43-NS),MS5.1地震波42条(B1-EW～ B21-EW、B1-NS～B21-NS),A1-EW、A1-NS分别代表某台站测得的东西向和南北向地震波,A1～A43按照震中距大小进行排序。并对上述128条地震动的峰值加速度按式(1)统一调幅到1.0g,以此来研究地震波特性。

(1)

2 地震波反应谱

2.1 两次不同震级地震反应谱对比

地震波反应谱是在给定的地震加速度作用时间内,单自由度弹性体系的最大位移反应、速度反应和加速度反应随体系自振周期变化的曲线。单自由度体系在地震作用下最大绝对加速度反应Sa为:

(2)

在给定的地震波作用下,最大加速度反应量与自振周期T的关系即为加速度反应谱,对各地震波反应谱进行算术平均得到相应的平均谱。MS6.4与MS5.1两次地震的各个地震波加速度反应谱及其平均谱如图2所示,阻尼比取5%。其中,黑色粗线代表平均谱曲线,其余颜色细线代表每条地震波反应谱曲线。可见,不同测点的地震波反应谱曲线有较大差别。

图2 两次地震的地震波反应谱Fig.2 Seismic response spectrum of two earthquakes

同一震级下震中距小于100 km和大于100 km地震波的反应谱对比如图3所示,同一次地震随着监测台站与震中距离的不同,地震波反应谱显示出不同的特性。无论对于MS6.4还是MS5.1地震,在0～0.6 s和3～10 s周期段,震中距小于100 km、大于100 km地震波反应谱与平均谱相差很小;在0.6～3 s周期段,震中距小于100 km的地震波反应谱偏大,震中距大于100 km的地震波反应谱衰减速度快。

图3 同一震级下震中距小于100 km和大于100 km地震波反应谱对比Fig.3 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and more than 100 km under the same magnitude

不同震级下震中距小于100 km和大于100 km地震波的反应谱对比如图4所示,震中距相同时,震级越大地震波反应谱越大,在短周期段内MS5.1比MS6.4地震波反应谱衰减快。

图4 不同震级下震中距小于100 km和大于100 km地震波反应谱对比Fig.4 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and more than 100 km under different magnitudes

不同震级下地震波反应谱对比如图5所示,MS6.4和MS5.1地震的反应谱峰值周期均在0.3 s以内,卓越平台窄,MS5.1比MS6.4地震波反应谱小,MS5.1比MS6.4地震波反应谱衰减速度快。从形状看,两次地震的平均反应谱曲线相近。

图5 不同震级下地震波反应谱对比Fig.5 Comparison between seismic response spectra under different magnitudes

2.2 与规范反应谱对比

《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》,(下文均简称《抗规》)[9]按照场地土分类、地震分组等,给出了结构设计加速度谱,广东省标准《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程(DBJ/T 15-151—2019)》(以下简称《性能规程》)[10]根据近5万条世界各国强震记录统计分析,提出结构设计加速度谱。新疆喀什地区的设防烈度为8.5度,场地土类型为Ⅱ类,在此基础上,《抗规》和《性能规程》中水平地震影响系数最大值均为0.24,特征周期在不同地震分组下的取值如表3所列。其中,近震(震中距<100 km),中震(100 km<震中距<1 000 km),远震(震中距>1 000 km)分别相当于设计分组的第一、二、三组[11-12]。

表3 特征周期值(单位:s)Table 3 Characteristic period value (Unit: s)

震中距小于100 km的地震波反应谱与第一地震分组下的规范设计反应谱对比如图6所示。在0～0.5 s周期段,《抗规》《性能规程》设计反应谱与当地小于100 km地震波的平均反应谱很接近;在0.5～2 s周期段,当地平均反应谱比两个规范设计反应谱都要大,且《抗规》设计反应谱与当地平均反应谱更为接近;大于2 s周期段,《性能规程》设计反应谱与当地平均反应谱较为接近,而《抗规》设计反应谱误差较大。

图6 震中距<100 km的地震波反应谱与第一地震分组下规范设计反应谱对比Fig.6 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance less than 100 km and the design response spectra of codes in accordance with the first earthquake grouping

震中距大于100 km的地震波反应谱与第二地震分组下的规范设计反应谱对比如图7所示。在0～0.5 s周期段,《抗规》《性能规程》设计反应谱与当地地震波的平均反应谱很接近;周期大于0.5 s时,两个规范设计反应谱相比当地平均反应谱而言都偏大,随着周期增大《性能规程》设计反应谱与当地平均反应谱更为接近。

图7 震中距>100 km的地震波反应谱与第二地震分组下规范设计反应谱对比Fig.7 Comparison between seismic response spectra with epicentral distance more than 100 km and the design response spectra of codes in accordance with the second earthquake grouping

可见,根据新疆喀什地区强震下记录的128条地震动分析统计得到的反应谱,与我国现行规范根据世界各国强震记录得到的反应谱相比,在大量普通建筑结构基本周期0.5～2 s范围内,相差很大,故建筑结构抗震设计应采用当地记录到的强震记录为依据。

3 同一台站不同地震波频谱分析

地震动主要特性可以通过三个基本要素来描述,即地震动幅值、频谱和持时,我国规范要求对结构进行动力时程分析时,将选取的地震波加速度时程最大值调幅到规范规定的各设防烈度所对应的取值。因此在设防烈度确定之后,各条地震波的PGA峰值是相同的,此时频谱特性的不同和持时的长短是导致各条地震波作用下结构响应差别的最主要原因[13]。

反应谱是地震动频谱特性最常见的表达形式,是工程结构抗震设计的基础,可以分为加速度反应谱、速度反应谱及位移反应谱。由表1、2可知,有21个台站同时记录到MS6.4和MS5.1地震动,共获得84条地震波。计算出各地震波的加速度谱、速度谱及位移谱,大部分的地震波都呈现出一定的规律。限于篇幅,此处仅给出MS6.4和MS5.1地震东西向、南北向的加速度谱、速度谱及位移谱平均值,如图8～10所示。