湖北省域不同超越概率水平下地震动峰值加速度比例关系

余 松 吴建超 胡 庆 杨 钢

1 中国地震局地震研究所,武汉市洪山侧路40号,430071

2 武汉地震工程研究院有限公司,武汉市洪山侧路40号, 430071

基于50 a超越概率水平10%(475 a一遇)的地震动峰值加速度和加速度反应谱特征周期,《中国地震动参数区划图:GB 18306-2015》给出全国国土面积上的地震动参数分区结果,供一般新建、扩建和改建建设工程的抗震设防取值[1]。然而,不同行业在不同设计阶段会使用不同概率水平的地震动峰值加速度[2-4]。为满足各抗震设计需求,对不同超越概率水平的地震动峰值加速度进行合理取值,成为工程抗震设计中非常重要和实际的问题。许多学者通过对不同超越概率水平的地震动参数关系进行研究,取得了相应成果[5-12],但这些研究多集中于我国西部及西北部高烈度区,未见有学者对低烈度区不同超越概率水平下的地震动峰值加速度比例关系进行研究。

湖北地处我国中部,是重要的工农业生产基地和综合交通通信枢纽,经济社会发展综合水平在中部地区居领先地位,对我国的经济发展起着不可替代的重要作用,其中90%省域的地震基本设防烈度为0.05g区(Ⅵ度区)。本文以第一次全国地震灾害风险普查工作成果为基础,统计分析湖北省域不同超越概率水平下地震动峰值加速度比值,通过对比《建筑抗震设计规范:GB 50011-2010》和《中国地震动参数区划图》中的取值,指出湖北省域高烈度区多遇地震动参数计算结果偏小的问题,并初步分析可能的原因及解决方法,以期为研究低烈度区地震动参数提供基础数据和思路。

1 数据来源及计算方法

1.1 潜在震源区划分

本文采用《中国地震动参数区划图》中提出的Ⅲ级潜在震源区划分技术方案,即底层为地震带、中间层为地震构造区、上层为潜在震源区[13]。依据该方案,湖北省域主要涉及长江中游地震带、华北平原地震带、郯庐地震带和长江下游-南黄海地震带,在此基础上划分了32个潜在震源区,其中5.5级潜在震源区5个,6.0级潜在震源区21个,6.5级潜在震源区4个,7.0级潜在震源区2个(图1)。潜在震源区活动性参数以第5代区划图潜源参数为基础,结合湖北省域最新地震活动性及地震构造认识,增加部分潜在震源区,并对参数进行适当调整。

图1 湖北省域地震带和潜在震源区划分Fig.1 Division of seismic zone and potential source area in Hubei province

1.2 地震活动性参数

地震活动性参数的研究主要分为地震带地震活动性参数和潜在震源区地震活动性参数,其中地震带地震活动性参数主要包括地震带的震级上限、震级下限、地震活动的指数分布系数b值及年平均发生率v4值,潜在震源区地震活动性参数主要包括震级上限、空间分布函数及地震破裂方向概率分布函数。地震活动性参数直接采用《中国地震动参数区划图》中的统计结果,表1为湖北省域地震带的地震活动性参数。

表1 湖北省域地震带的地震活动性参数

1.3 地震动预测方程

本文采用《中国地震动参数区划图》中适用于中强地震区和东部强震区的地震动预测方程[14]。该方程是采用中线映射原则转换方法,将美国西部作为参考区,利用新近资料补充重新回归得到的我国分区地震动预测方程,以新回归的美国西部基岩场地自由地表水平向地震动参数及加速度反应谱衰减关系作为地震动预测方程,得到适合我国的分区地震动参数、加速度反应谱预测方程式。具体形式为:

lgY=A+BM+Clg(R+DeEM)

(1)

式中,Y为地震动峰值加速度,M为面波震级,R为震中距,A、B、C、D、E为回归系数。各分区峰值加速度衰减关系回归系数取值如表2所示。

表2 分区峰值加速度衰减关系回归系数

该地震动预测方程作为中国地震局的最新研究成果,使用美国NGA数据库的强震资料,采用能较好反映地震动饱和特性的分段线性地震动衰减模型,利用使结果更加稳定的分步回归方法,在地震动预测方程分区时考虑地震活动性特征[15-16]。方程的适用范围为:M=4.5～8.0(中强地震区M=4.5～7.0),R=0～200 km。

1.4 计算方法

根据确定的地震带、潜在震源区划分﹑地震活动性参数和地震动预测方程,对湖北省域按照30 s间隔选取计算控制点,共得到253 771个控制点,采用概率性地震危险性分析方法和自编MATLAB程序,分别对各控制点50 a超越概率63%、10%和2%的基岩峰值加速度进行计算。

2 结果分析

2.1 基岩的地震动峰值加速度比例关系

将50 a超越概率63%、10%、2%的基岩峰值加速度分别记为R63、R10和R2,表3(单位cm/s2)为湖北省域不同超越概率水平下的基岩峰值加速度数值范围。由表可知,R63值为7.4～28.3 cm/s2,R10值为24.2～135.3 cm/s2,R2值为45.8～302.2 cm/s2,说明湖北省域不同地区不同超越概率的基岩地震动峰值加速度差异较大。

表3 湖北省基岩峰值加速度值

表4为湖北省域50 a超越概率63%、2%的基岩峰值加速度分别与10%的基岩峰值加速度的比值分布,可见R63/R10、R2/R10的均值分别为0.31、1.86,标准差分别为0.038、0.139。

表4 湖北省不同超越概率水平下基岩峰值加速度比例分布

图2为R63/R10、R2/R10在不同比值分区中的比值分布,可以看出,R63/R10主要分布在0.27～0.35,占比74.0%;R2/R10主要分布在1.70～2.00,占比86.4%。

图2 不同超越概率水平下基岩峰值加速度比例分布Fig.2 Histograms of the proportional distribution of bedrock peak acceleration at different levels of exceedance probability

图3为湖北省域50 a超越概率63%、2%的基岩峰值加速度分别与10%的基岩峰值加速度的比值随R10的变化分布。由图可知,随着R10的增大,R63/R10整体变小,而R2/R10则有整体变大的趋势,但比例变化较离散,特别当R10为24～90 cm/s2时,离散更加明显。由此可知,湖北省域50 a超越概率63%、10%和2%的基岩峰值加速度的比值与该地区50 a超越概率10%的基岩峰值加速值并不是简单的线性关系。

图3 R63/R10、R2/R10比值随R10的变化规律Fig.3 The variation of R63/R10 andR2/R10 ratios with R10

图4为湖北省域不同超越概率水平下基岩峰值加速度比值空间分布。由图4(a)可见,在6.0级及以上高震级上限潜在震源区内部及附近(竹山、竹溪、恩施等)地区,R63/R10比值较小,低震级上限潜在震源区内部和附近地区比值较大,R63/R10随与高震级上限潜在震源区距离的加大而逐渐增大。由图4(b)可以看出,在高震级上限潜在震源区内部和附近R2/R10的比值较大,低震级上限潜在震源区内部和附近的比值较小,R2/R10随与高震级上限潜源距离的加大而逐渐增小,这与R63/R10的变化规律相反。

图4 湖北省域不同超越概率水平下基岩峰值加速度比值空间分布Fig.4 Ratios spatial distribution of bedrock peak acceleration at different levels of exceedance probability in Hubei province

通过分析湖北省域基岩峰值加速度比值的空间展布情况可知,湖北省域基岩峰值加速度比值的分布与潜在震源区的划分密切相关,而湖北省域地震活动和地质构造特征是划分潜在震源区的主要依据。由此可见,湖北省域不同超越概率水平下基岩峰值加速度之间的比例关系与该地区地震构造环境息息相关[12]。

2.2 场地的地震动峰值加速度的比例关系

依据湖北省地震灾害风险普查项目共享得到的省域宏观场地类别数据,按照《中国地震动参数区划图》中基于Ⅰ1类场地的场地调整系数取值,计算得到湖北省域50 a超越概率63%、10%和2%的地震动峰值加速度值。为方便叙述,将研究区50 a超越概率63%、10%、2%的地震动峰值加速度分别记为A63、A10和A2。

表5为湖北省域不同加速度分区的A63、A10和A2数值统计结果。由表可知,A10为24.2～168.2 cm/s2,即湖北省域50 a超越概率10%的地震动峰值加速度跨越0.05g、0.10g和0.15g三个加速度分区,其中0.05g加速度分区中,A63、A10和A2均值分别为20.3 cm/s2、65.1 cm/s2和117.7 cm/s2;0.10g加速度分区中,A63、A10和A2均值分别为29.8 cm/s2、101.5 cm/s2和183.1 cm/s2;0.15g加速度分区中,A63、A10和A2均值分别为26.1 cm/s2、151.4 cm/s2和299.0 cm/s2。在不同加速度分档中,A63/A10分别为0.31、0.30、0.17,标准差分别为0.033、0.050、0.008;A2/A10分别为1.81、1.80、1.98,标准差分别为0.125、0.196、0.032。

表5 湖北省域不同加速度分区不同超越概率水平下地震动峰值加速度及比例关系

3 讨 论

3.1 与《建筑抗震设计规范》、《中国地震动参数区划图》的比较

《建筑抗震设计规范》和《中国地震动参数区划图》均对不同加速度分区内多遇地震、基本地震和罕遇地震的地表峰值加速度的取值和比例关系给出了相应参数。表6为《建筑抗震设计规范》、《中国地震动参数区划图》及本文在多遇地震、基本地震、罕遇地震作用下地震动峰值加速度和比例的对比,图5为3种规范的A63/A10和A2/A10比值分布。结合表6和图5可以看出,0.05g加速度分区中,建筑规范的罕遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值都大于区划图的推荐值及本文计算值,基本地震的取值与区划图的推荐值一致,但小于本文计算值,对于多遇地震的取值三者相差不大;0.10g加速度分区中,建筑规范的罕遇地震及多遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值大于区划图的推荐值及本文计算值,对于基本地震的取值三者基本相同;0.15g加速度分区中,建筑规范的罕遇地震及多遇地震取值和A63/A10、A2/A10比值也大于区划图的推荐值及本文计算值,基本地震的取值三者也基本相同。综上可知,建筑规范对于罕遇地震的地震动峰值加速度取值和A63/A10、A2/A10比值均大于区划图的推荐值及本文计算值,说明在湖北省域采用《建筑抗震设计规范》的取值对建筑物进行抗震设计,考虑的地震作用是保守且安全的,能够实现大地震抗倒塌的目标。

表6 3种规范中不同地震作用下地震动峰值加速度和比例关系

图5 3种规范下A63/A10和A2/A10比值分布Fig.5 Ratio distribution of A63/A10 andA2/A10 under three specifications

3.2 存在的问题

需要注意的是,在湖北省域0.15g分区中,多遇地震作用下地震动峰值加速度均值仅为26 cm/s2,对应的A63/A10比值仅为0.17,明显小于《建筑抗震设计规范》和《中国地震动参数区划图》中给出的0.37和0.33,且湖北省域0.15g分区主要分布于鄂西北竹山-竹溪7.0级地震潜在震源区。造成这一问题的原因可能与采用的概率地震危险性分析方法有关。目前,我国使用的地震危险性概率分析方法是在概率地震危险性分析方法理论框架基础上,结合我国地震活动时空不均匀性,吸收地震中长期预测的大量科研成果,经过一些关键环节改进形成的。该方法首先统计地震区、带的地震活动性参数,然后将各震级档的地震年平均发生率分配给区、带内的潜在震源区,从而造成由于多个潜在震源区在较低震级档参与分配,较高震级上限潜在震源区地震发生率变小,使不同加速度分区内的工程场地多遇地震的地震动参数略有变化,基本地震和罕遇地震的地震动参数发生较大变化[17]。针对这种情况,在抗震设计中直接使用地震安全性评价得到的多遇地震的地震动参数进行承载力验算而不加以控制,可能存在较大的风险。《中国地震动参数区划图》和《建筑抗震设计规范》中以不低于基本地震地震动峰值加速度的1/3进行折算的方法对多遇地震进行控制,很好地保证了小震不坏的设防目标。

综上所述,在湖北省域高烈度区进行地震危险性分析和地震灾害风险评估时,宜参照《中国地震动参数区划图》进行调整,即多遇地震的地震动峰值加速度值应按不低于基本地震的地震动峰值加速度的1/3进行确定。

4 结 语

本文通过对湖北省域不同超越概率水平下峰值加速度之间的比例关系进行研究,得到以下几点认识:

1)湖北省域50 a超越概率63%、2%的基岩峰值加速度与10%的基岩峰值加速度比值的均值分别为0.31、1.86,标准差分别为0.038、0.139。

2)湖北省域基岩峰值加速度R63/R10比值随R10的增大总体变小,R2/R10则随R10的增大总体变大,但R63/R10及R2/R10的比值与R10的线性关系不明显,R63/R10、R2/R10的比例关系与湖北省域地震构造环境相关。

3)在0.05g加速度分区中,湖北省域50 a超越概率63%与10%的峰值加速度比值(R63/R10)的均值为0.31,标准差为0.033,2%与10%的峰值加速度比例(R2/R10)的均值为1.81,标准差为0.125;在0.10g加速度分区中,R63/R10的均值为0.30,标准差为0.050,R2/R10的均值为1.80,标准差为0.196;在0.15g加速度分区中,R63/R10的均值为0.17,标准差为0.008,R2/R10的均值为1.98,标准差为0.032。

4)湖北省域参考《建筑抗震设计规范》对建筑物进行抗震作用计算,所考虑的地震作用是合理且安全的,能够实现大地震抗倒塌的目标。

5)在湖北省域高烈度区进行工程场地地震危险性分析时,多遇地震的地震动峰值加速度值应按不低于基本地震的地震动峰值加速度的1/3进行调整。