王篤國 尤紅兵 張 合 呂國軍

1）中國地震災(zāi)害防御中心，北京 100029

2）河北省地震局，石家莊 050021

引言

近年來，隨著海上風(fēng)電、海洋石油平臺、跨海大橋、海底隧道等海洋工程建設(shè)的不斷發(fā)展，對海域工程場地地震動參數(shù)的需求越來越迫切?！吨袊卣饎訁?shù)區(qū)劃圖》（GB 18306－2015）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局）是目前我國陸域新建、改建、擴(kuò)建一般建設(shè)工程抗震設(shè)防基礎(chǔ)依據(jù)，而海域地震動參數(shù)區(qū)劃尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，已不能滿足海洋工程建設(shè)相關(guān)需求。海域場地表層多具有較厚軟土，且覆蓋層較厚，場地條件與陸域場地具有較大差異（李小軍等，2020；Hu 等，2020），需建立與海域場地條件相適應(yīng)的場地地震動參數(shù)確定方法。

海域工程地震安全性評價工作的開展為研究地震動在海域工程場地中的傳播規(guī)律積累了豐富資料，李小軍（2006）對海域工程場地地震動參數(shù)確定的特殊問題進(jìn)行了分析，指出需特別重視海底軟弱土層場地對地震動參數(shù)的影響。王炳輝等（2007）、潘華等（2011）、孫田等（2013）、榮棉水等（2014）針對海域土體剪切波速隨深度變化規(guī)律、海域土體動模量和阻尼比等土體動力非線性參數(shù)問題展開了研究，分析了海域土體動力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律。目前，關(guān)于海域工程場地地震動參數(shù)的研究主要集中于海域土體動力參數(shù)和土層反應(yīng)分析方法等，關(guān)于海域不同類別工程場地地震動參數(shù)變化規(guī)律的研究相對較少。

基于海域場地分類標(biāo)準(zhǔn)（李小軍等，2021），選取南海海域典型鉆孔剖面作為計算模型。由于海域?qū)崪y鉆孔資料有限，人工構(gòu)造部分鉆孔計算模型，對126 條不同特性地震動輸入下5 種場地計算模型開展了土層反應(yīng)分析計算，分析了不同地震動輸入下不同類別場地峰值加速度和特征周期變化規(guī)律。

1 地震動輸入確定

輸入地震動加速度反應(yīng)譜采用《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306－2015）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局）給出的形式：

式中：Amax為設(shè)計地震動峰值加速度；β(T) 為設(shè)計地震動加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜；βm、T0、Tg、Tm、γ分別表示地震動放大系數(shù)反應(yīng)譜平臺值、第一拐點周期、第二拐點周期（即特征周期）、周期值范圍上限值、下降段下降速度控制參數(shù)。本研究βm、T0、Tm、γ分別取2.5、0.10 s、6.0 s、0.9。峰值加速度取50、100、150、200、300 、400 gal，特征周期取0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.55、0.65 s，共42 種工況。峰值加速度為150 gal 時，不同特征周期下輸入地震動加速度反應(yīng)譜如圖1 所示?？紤]隨機(jī)相位的影響，每種工況計算3 個隨機(jī)相位加速度時程，采用三角級數(shù)法共合成126 條輸入地震動加速度時程。合成的時程均以0.02 s 為間隔，時程離散值點數(shù)均為4 096。目標(biāo)反應(yīng)譜在0.04～6 s 內(nèi)取80 個控制點，以保證合成地震動時擬合目標(biāo)反應(yīng)譜精度。在合成過程中，利用逐步逼近目標(biāo)譜的方法，使合成的加速度時程精確滿足目標(biāo)峰值加速度，并近似滿足目標(biāo)加速度反應(yīng)譜，擬合目標(biāo)加速度反應(yīng)譜時的相對誤差＜5%。

圖1 輸入地震動加速度反應(yīng)譜Fig. 1 Input earthquake acceleration response spectrum with different characteristic periods

2 計算模型

由于海域地震工程地質(zhì)鉆孔資料相對缺乏，本研究選取部分海域鉆孔實測資料，另外，根據(jù)海域工程場地分類標(biāo)準(zhǔn)，人工構(gòu)造部分鉆孔計算模型，以補(bǔ)充海域?qū)崪y鉆孔資料的不足。根據(jù)表1 所示海域場地分類標(biāo)準(zhǔn)（李小軍，2021），人工構(gòu)造3 個鉆孔計算模型，分別對應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地（場地分類名稱為本文自定義），2 個實測鉆孔對應(yīng)Ⅳ、Ⅴ類場地。

表1 海域場地分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Site classification standards for ocean areas

2.1 實測鉆孔計算模型

依據(jù)南海海域海洋石油平臺地震安全性評價工作工程地質(zhì)鉆孔（陸鳴等，2003，2005）構(gòu)造實測鉆孔計算模型，分別對應(yīng)Ⅳ、Ⅴ類場地，其中Ⅳ類場地表層為非常松散的砂土、粉質(zhì)黏土，Ⅴ類場地表層為非常軟的粉質(zhì)黏土。限于篇幅，僅給出Ⅴ類場地鉆孔計算模型，如表2 所示，海域土體動剪切模量比和阻尼比如圖2 所示。

表2 Ⅴ類場地計算模型Table 2 Calculation model for V classification site

圖2 土樣動剪切模量和阻尼比隨剪應(yīng)變變化曲線Fig. 2 Change curves for shear modulus and damp ratio with shear strain of soil specimens

2.2 人工構(gòu)造鉆孔計算模型

依據(jù)海域場地分類標(biāo)準(zhǔn)，主要參考Ⅴ類場地計算模型資料，土動力非線性參數(shù)采用圖2 給出的結(jié)果，人工構(gòu)造3 個鉆孔計算模型，分別對應(yīng)Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ類場地，限于篇幅，僅給出Ⅰ1類場地鉆孔計算模型，如表3所示。

表3 Ⅰ1 類場地鉆孔計算模型Table 3 Calculation model for Ⅰ1 classification site

3 計算方法

假定海域場地介質(zhì)特性、地形變化沿水平面方向并不顯著，采用一維場地模型考慮場地條件對地震地面運動的影響。對一維場地模型地震地面運動影響的分析，采用《工程場地地震安全性評價》（GB 17741-2005）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局）推薦的一維土層剪切動力反應(yīng)分析等效線性化方法，基本原理可參考Idriss（1992）的研究，本文不再詳細(xì)論述。

4 結(jié)果分析

基于126 條輸入地震動時程和5 種場地計算模型，采用等效線性化方法進(jìn)行土層反應(yīng)分析計算，得到場地地表地震動參數(shù)，并對不同類別場地條件下峰值加速度和特征周期變化規(guī)律進(jìn)行分析。

4.1 地震動峰值加速度放大系數(shù)變化規(guī)律

峰值加速度放大系數(shù)定義為土層反應(yīng)分析計算得到的峰值加速度與輸入地震動峰值加速度的比值，不同輸入地震動特征周期和峰值加速度下Ⅰ1類場地峰值加速度放大系數(shù)如表4 所示。由表4 可知，輸入地震動特征周期取值對峰值加速度放大系數(shù)的影響較小，輸入地震動強(qiáng)度對峰值加速度放大系數(shù)的影響較大，因此，在分析不同類別場地峰值加速度放大系數(shù)變化規(guī)律時，主要考慮地震動輸入強(qiáng)度的影響。

表4a Ⅰ1 類場地峰值加速度放大系數(shù)Table 4a Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site

表4b Ⅰ1 類場地峰值加速度放大系數(shù)Table 4b Amplification coefficient of peak acceleration for Ⅰ1 classification site

不同地震動輸入下不同類別場地峰值加速度放大系數(shù)如表5 所示，由表5 可知，同一場地類別下，隨著地震動輸入強(qiáng)度的增大，峰值加速度放大系數(shù)總體上越來越??；同一地震動輸入強(qiáng)度下，隨著場地變軟，峰值加速度放大系數(shù)越來越??；對于Ⅰ1、Ⅱ類場地，在本研究考慮的工況下，峰值加速度放大系數(shù)均＞1.0；對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類場地，當(dāng)輸入地震動峰值加速度＞150 gal，甚至100 gal 的情況下，峰值加速度放大系數(shù)開始＜1.0，這是由于隨著地震動輸入強(qiáng)度的增大，厚軟場地非線性效應(yīng)顯著，地震動高頻成分被濾掉，導(dǎo)致地表峰值加速度較輸入地震動峰值加速度小。

表5 不同類別場地峰值加速度放大系數(shù)Table 5 Statistical charts of peak acceleration amplification coefficient for different classification sites

4.2 地表反應(yīng)譜特征周期變化規(guī)律

對場地地震動加速度反應(yīng)譜進(jìn)行規(guī)準(zhǔn)，從而確定場地地表反應(yīng)譜特征周期，規(guī)準(zhǔn)譜與場地地表加速度反應(yīng)譜的對比曲線如圖3 所示。由圖3 可知，利用同一加速度目標(biāo)反應(yīng)譜生成的3 個隨機(jī)時程進(jìn)行土層反應(yīng)分析計算時，得到的場地地表反應(yīng)譜特征周期基本一致，因此對3 個隨機(jī)時程樣本地表反應(yīng)譜特征周期取相同值。

圖3 場地地表加速度反應(yīng)譜與規(guī)準(zhǔn)譜Fig. 3 Relationship between site surface acceleration response spectrum and calibration spectrum

不同輸入地震動特征周期和峰值加速度下Ⅰ1類場地地表加速度反應(yīng)譜特征周期如表6 所示，由表6 可知，場地地表反應(yīng)譜特征周期與輸入地震動特征周期密切相關(guān)，輸入地震動特征周期越大，場地地表反應(yīng)譜特征周期越大；輸入地震動強(qiáng)度對地表反應(yīng)譜特征周期具有一定影響，輸入地震動強(qiáng)度越大，可能導(dǎo)致地表反應(yīng)譜特征周期越大。

表6 Ⅰ1 類場地反應(yīng)譜特征周期Table 6 Characteristic period of acceleration response spectrum for Ⅰ1 classification site

考慮我國陸域場地地震動參數(shù)區(qū)劃圖對特征周期進(jìn)行調(diào)整時主要考慮場地類別的影響，本研究在歸納特征周期變化規(guī)律時采用了同樣原則，不同類別場地地表反應(yīng)譜特征周期如表7 所示。由表7 可知，隨著場地變軟，特征周期變大，對于Ⅴ類場地，特征周期最高可達(dá)1.8 s，表明強(qiáng)地震動作用下厚軟場地呈現(xiàn)出強(qiáng)非線性特征，地震動長周期成分豐富。

表7 不同類別場地地表反應(yīng)譜特征周期Table 7 Characteristic period of acceleration response spectrum for different classification sites

5 結(jié)論

在實測鉆孔模型和人工構(gòu)造計算模型的基礎(chǔ)上，采用等效線性化方法，對不同輸入地震動下不同類別場地開展了土層反應(yīng)分析計算，歸納總結(jié)了不同類別場地峰值加速度放大系數(shù)和特征周期變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

（1）海域不同類別場地峰值加速度放大系數(shù)隨著地震動輸入強(qiáng)度的增大，總體上呈減小趨勢，尤其是對于Ⅴ類場地，強(qiáng)地震動作用下地表峰值加速度僅為輸入地震動峰值加速度的50%左右。

（2）海域場地特征周期較大，很多工況下特征周期＞1 s，海域場地地震動長周期成分豐富，對于自振周期較長的海洋工程，應(yīng)充分考慮長周期成分豐富的地震動對結(jié)構(gòu)的影響。

本研究給出的海域不同類別場地峰值加速度放大系數(shù)和特征周期變化規(guī)律，可為海域工程抗震設(shè)防和編制海域場地地震動參數(shù)區(qū)劃圖提供參考。由于海洋工程地質(zhì)條件復(fù)雜，本研究采用的計算模型和計算方法具有一定局限性，需對海域土體非線性動力特性和計算方法開展進(jìn)一步研究工作，即采用多種計算方法開展多個不同類別海域場地地震反應(yīng)分析研究，探討海域場地地震動工程特性，為海域工程抗震設(shè)防提供科學(xué)依據(jù)。