2009年3月
世 界 地 震 工 程WORLDEARTHQUAKEENGINEERING
Vo.l25,No.1
Mar.2009
文章编号:1007-6069(2009)01-0107-04
分析美国规范中场地条件对设计反应谱的影响
付丽艳,赵 艳,郭明珠,韩 卫
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(1.佳木斯大学建筑工程学院,黑龙江佳木斯154007;2.北京工业大学建筑工程学院,北京100022)
摘 要:通过分析美国规范中有关场地系数的演变历程,发现从1978年的ATC规范到2003版的NEHRP规范,有关场地系数的规定变化较大。同时,在场地类别划分、计算场地系数时所用的参数和方法等方面都有很大的区别。关键词:场地条件;设计反应谱;场地系数中图分类号:P315195 文献标志码:A
Influencofsiteconditionsonresponsespectrafor
AmericanSeismilDesignCodes
FULiyan,ZHAOYan,GUOMingzhu,HANWei
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(1.TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,JiamusiUniversity,Jiamusi154007,China;2.TheCollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China)
Abstract:TheevolutonofsitecoefficientsforseismicdesigncodesinUnitedStatesisintroducedinthispapor.Itis
foundthatthevariationoffrom1978ATCeditiomto2003editionNEHRP(NationalEarthquakeHazardReductionProgram)isnotable.Theappliedmethodologyandparametersareprodigiousdifferencesintheclassificationofsitecategoryandthecalculationofsitecoefficients.Keywords:sitecondition;designresponsespectra;sitecoefficient
引言
地震作用下在结构中产生的内力、变形和位移等称为结构的地震反应。地震作用的取值是抗震设计的基础,目前各国的抗震设计规范中关于地震作用的描述一般均采用设计反应谱的形式。
随着场地条件对地震动参数影响研究方面认识的加深,人们便试图在工程抗震设计中考虑这一影响因素。各国的建筑抗震设计规范也先后引入了对这一影响因素考虑的规定。最早是1935年美国在统一建筑规范中考虑了场地条件对设计地震作用力的影响,日本在1950年的建筑基准法中也考虑了这一影响,而中国在1959年提出的第1个抗震设计规范草案中就引用前苏联的规范经验考虑了场地条件影响问题(胡聿[1]
贤,1988)。但各国的规范相关方面规定差别较大,本文试图通过分析美国规范中有关场地条件对设计反应谱的影响来找出规律性,以利于我国规范修订时参考。
收稿日期:2008-10-12; 修订日期:2008-12-12 基金项目:佳木斯大学科学技术研究项目(L2008-074)
作者简介:付丽艳(1964-),女,副教授,主要从事地震工程及防灾减灾工程方面的研究1E-mai:lzylyjms@yahoo.com.cn
108世 界 地 震 工 程 第25卷
1 演变历程
1.1 初期
美国关于场地条件对抗震设计反应谱的相关研究始于1976年,1978年以后开始进入抗震设计规范(周锡元等
[2]
,1999)。当时美国规范应用了Seed等(Seed等
[3]
,1976)提出的S1~S3类场地划分标准。他们与
我国现行规范一样只考虑场地类别对抗震设计反应谱形状(Tg)的影响,而不考虑对平台值的影响(如图1)。
1985年墨西哥地震以后,美国规范增加了剖面中存在软粘土的S4类场地(Whitman等,1989),相应的场地系数用S表示(表1),具体的场地描述请参考文献(Dobry等
[5]
[4]
,2000),此处不再详述。
表1 1994NEHRP以前的场地系数
Table1 Sitefactorscontainedinseismiccodespriorto
the1994NEHRPProvisions
场地类别
S1S2S3S4
场地描述基岩和硬基岩沉积岩和砾岩土层和粘土
冲击层和未固结的沉积物
场地系数S
1.01.21.52.0
图1 美国ATC(1978)中S1,S2,S3场地设计谱曲线Fig.1 SpectralshapesproposedbyATC3(1978)
forthreetypesofsoilprofilesS1,S2andS3
1.2 1994版NEHRP
进入90年代以后,美国根据1989年LomaPrieta地震和在这以前的强震观测记录,通过土层地震反应分析比较结果,提出了一个以表层30m范围内的等效剪切波速为主要参数的场地分类标准和相应的设计反应谱调整方案NEHRP(NationalEarthquakeHazardReductionProgram)(Borcherd,1994),在这一方案中同时考虑了场地类型对反应谱峰值(AMA,1995)(图2)。从1994版的NEHRPmax)和谱特性(Tg)的影响(FE
规范开始,美国抗震设计规范就用Fa和Fv2个场地系数来表示场地条件对设计反应谱的调整,Fa表示对短周期加速度反应谱的调整(Fa即调整设计反应谱的平台值),Fv表示对长周期速度反应谱的调整(Fv即调整设计反应谱的下降值),并开始用30m深度范围内的等效剪切波速作为场地分类指标。
[8]
1996年Crouse和McGuire(Crouse等,1996)利用1933~1992年间获取的238条强震记录资料统计分析给出了1组场地系数Fa和Fv值,(表2:括号外表示Fa,括号内表示Fv,下述相同不再赘述)。这一研究的目的是为1997版NEHRP推荐规范考虑场地影响提供基础资料。研究者们首先,将观测数据按场地条件分类,考查每一类场地的数据在各个震级Ms(4组)、断层距离R(5组)分组的数目。对数据分布比较均匀的B类和C类场地,分别拟合地表峰值加速度(PGA)和拟速度反应谱(PSV,5%阻尼比)在周期0.04s、0.1s、0.15s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s、0.8s、1.0s、1.5s、2.0s、3.0s和4.0s幅值的衰减关系。数据相对比较缺乏的A类和D类场地的衰减关系,分别由B、C两类衰减关系乘上相应的折算因子给出。因为受到数据的限制,折算因子仅随周期变化,并不随
图2 从1994NEHRP开始的美国规范中
的场地设计谱曲线
Fig.2 Two-factorapproachtolocalsiteresponseincorporatedintonewseismiccodes,after
the1994NEHRPProvisions
[7]
[6]
PGA变化。然后,根据PGA的衰减关系,可以得到一系列与加速度峰值0.1g,0.2g,0.3g和0.4g对应的震级、距离对,分别考虑了3个震级和3个距离,据此可按各类场地PSV的衰减关系算出0.3s处的PSVi/PSVA(i代表不同场地类别,共4类)比值作为Fa,1s处的PSVi/PSVA比值作为Fv。最后,将同一地震动强度得到的Fa、Fv的平均值取为场地系数值。从Crouse计算Fa和Fv的过程可以看出,他是先拟合衰减关系,再从中第1期 付丽艳,等:分析美国规范中场地条件对设计反应谱的影响109
提取规律,这样做可能增加了稳定性,但是有可能掩盖某些波动变化,同时,数据较少的场地用相邻场地类别的衰减关系折算,也相当勉强,必然掩盖了两者间的一些差别(耿淑伟
表2 Crouse所给的Fa和Fv值
Table2 SitecoefficientsforshortperiodsFaand
longperiodsFv(Crouse)
场地类别
ABCD
地震动强度Aa/g
[0.11.0(1.0)1.3(1.8)1.6(2.3)2.1(3.2)
0.21.0(1.0)1.3(1.8)1.5(1.7)1.9(2.5)
[10]
[9]
,2005)。
表3 Hwang等人所给的Fa和Fv值Table3 SitecoefficientsforshortperiodsFaand
longperiodsFv(Hwang)
场地
0.41.0(1.0)1.8(1.8)1.2(1.2)1.8(1.8)
类别ABCD
E
[0.10.8(0.8)1.0(1.0)1.3(1.8)1.6(2.3)2.1(3.2)
0.20.8(1.0)1.0(1.0)1.3(1.4)1.7(2.6)
2.2(3.1)
地震动强度Aa/g
0.30.8(0.8)1.0(1.0)1.4(1.4)1.5(2.7)
1.9(3.3)
0.40.8(0.8)1.0(1.0)1.4(1.4)1.3(2.8)
1.7(3.4)
0.50.8(0.8)1.0(1.0)1.4(1.4)1.1(2.8)
1.5(3.6)
0.31.0(1.0)1.3(1.8)1.4(1.4)1.8(2.1)
Hwang(Hwang等,1997)利用人为构造的15个场地模型,结合土层地震反应分析的等效线性化方法
[11]
计算得到场地地表反应,通过非线性场地反应分析提出了美国东部的场地系数Fa和Fv(表3,李小军等,2001)。Hwang在研究中,将每类场地都设计了50个不同的土层波速剖面模型,将生成S0场地的地震动时程分别入射到SA、SB、SC、SD、SE类场地模型,计算得到自由地表的地震动时程、反应谱及其与S0场地反应谱的比值,建立此比值在不同周期上与S0场地PGA的对应关系,最终得出场地系数Fa和Fv。对比表2和表3发现二者有一些差别,前者是Ô类场地,后者是Õ类场地,地震动强度也增加了一个,场地系数的计算是各类场地与B类场地的比值;在后者中A、B、C类场地随着地震动强度的提高,场地系数几乎不变,这一点与前者中的A、B类场地相仿,但前者中的值偏大;在后者的Fa中D、E类场地随着地震动强度的提高,场地系数值减小,这一点与前者相同,但在Fv中却有增大的趋势,这一点却与前者相反;在后者中,在各个地震动强度中(Fa中的0.4g和0.5g除外),随着场地变软值增大,这一点与前者相仿。
美国1994版NEHRP提出了利用随(基岩)地震动强度变化的场地系数Fa和Fv来描述不同类别场地对基岩地震动强度(Aa和Av)的影响(BSSC,1995),统一建筑规范(UBC)1997版在考虑场地条件影响方面引入了1994版NEHRP推荐规范的这一思想,且利用随地震分区因子Z(基岩地震动峰值)变化的地震系数Ca和Cv来描述不同场地上的地震动参数,地震系数Ca和Cv(表4,李小军,2001),表中Na和Nv为近场调整因子。从表4中可以看出,随着地震动强度提高(0.40g除外),各类场地值相应增大,这表2,表3不同;在同一地震动强度时,随着场地变软,值增大,这一点都相同;但表4中的值较前2个表中的值小得多。
表4 地震系数Ca和Cv值
Table4 SeismiccoefficientsforshortperiodsCa
andlongperiodsCv(1997UBC)
场地
地震分区因子(基岩地震动峰值)Z/g
场地类别
ABCDEF
0.0750.150.200.300.40类别A0.06(0.06)0.12(0.12)0.16(0.16)0.24(0.24)0.32Na(0.32Nv)BCDEF
0.08(0.08)0.15(0.15)0.20(0.20)0.30(0.30)0.40Na(0.40Nv)0.09(0.13)0.18(0.25)0.24(0.32)0.33(0.45)0.40Na(0.56Nv)0.12(0.18)0.22(0.32)0.28(0.40)0.36(0.54)0.44Na(0.64)Nv0.19(0.26)0.30(0.50)0.34(0.64)0.36(0.84)0.36Na(0.96)Nv
需特殊考虑
[0.10.8(0.8)1.0(1.0)1.2(1.7)1.6(2.4)2.5(3.5)
[12]
表5 美国1997年NEHRP规范场地系数Fa和Fv值Table5 SitecoefficientsforshortperiodsFaandlong
periodsFv(1997NEHRP)
对应B类场地的地震动加速度峰值Aa/g
0.20.8(0.8)1.0(1.0)1.2(1.6)1.4(2.0)1.7(3.2)
0.30.8(0.8)1.0(1.0)1.1(1.5)1.2(1.8)1.2(2.8)*
0.40.8(0.8)1.0(1.0)1.0(1.4)1.1(1.6)0.9(2.4)
\\0.50.8(0.8)1.0(1.0)1.0(1.3)1.0(1.5)*
注:括弧内为Cv的值,括号外为Ca的值。
*需要进行专门的场地地质调查和场地动力反应分析
1.3 1997版NEHRP
美国1997版NEHRP推荐规范沿用和发展了1994版的考虑方法,给出的场地系数Fa和Fv(表5,Dob-ry,2000)。其实表中的Aa和Av是1994版表示地震动强度的符号,在1997版分别用Ss和Sl来代替Aa和Av表示地震动强度,Ss的值等于Aa对应项的2.5倍,Sl的值等于Av对应项的值,与此相对应前面图2中的Aa和Av也要作相应的转化。本文为了方便只用了Aa和Av来表示地震动强度,所以在此做以说明。规范中所采用的场地系数,是经过大量的研究确定的,对应基岩加速度值小于或等于0.1g的情况,Fa和Fv数值主要根据1989年LomaPrieta地震中和在此之前获取的地震动记录统计分析得到的;基岩加速度值大于0.1g时由于观测数据不够,它是根据场地反应的数值计算结果归纳的(图3,Dobry,2000,图中左下2个黑框分别表示主要依据1985年墨西哥地震和1989年美国LomaPrieta地震数据的范围,上部的白框表示主要依靠数值110世 界 地 震 工 程 第25卷
计算结果归纳的范围)。
表5中的Fa是取所有类别场地与相应B类基岩场地在0.1~0.5s周期范围内谱比的平均值,Fv是取所有类别场地与相应B类基岩场地在0.4~2.0s周期范围内谱比的平均值。用LomaPrieta地震中获取的数据验证了所采用的一维成层场地地震反应分析的等效线性化计算程序。从表5中可以看出,场地系数值随场地逐渐变软而增大,由于场地土的非线性影响,这个放大作用随着地震动强度增大而逐渐减弱,当地震动强度\\0.4g时Fa便不再增大,很软的场地(Fa的E类)甚至有所减小。1.4 2003版NEHRP
统一建筑规范(UBC)2000版在考虑场地条件影响方面采用了1997版NEHRP推荐规范中的规定,2003版的NEHRP规范中仍然使用1997版的场地系数。
图3 基岩场地与软土场地(E类)加速度峰值之间的关系(Idriss,1990,1991)Fig.3 Relationbetweenmaximumaccelerationofonrockandsoftsiteconditions(Idriss,1990,1991)
2 结论
通过分析美国规范的演变历程,可以看出,同时期的规范中有关场地条件对设计反应谱的影响变化很大,无论是从场地类别的划分还是从场地系数的取值变化都很大,主要在以下4个方面有区别:
(1)场地类别的划分有变化。
(2)计算场地系数时所用的参数不同。
(3)得出场地系数时所用到的方法各不相同。(4)所得到的场地系数值变化较大。
参考文献:
[1] 胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,1988:588-6131
[2] 周锡元,樊水荣,苏经宇.场地分类和设计反应谱的特征周期-5建筑抗震设计规范6修订简介(八)[J].工程抗震,1999,15(4):3-81[3] SeedHB,UgasC,LysmerJ.Sitedependentspectraforearthquakeresistantdesign[J].Bul.lSeis.Soc.Am.1976,66(1):221-2441
[4] WhitmanRV.WorkshopongroundMotionparametersforseismichazardmapping,technicalreportNCEER-890038[R]1NCEER,StateUniver-sityofNewYorkatBuffalo,N.Y,19891
[5] DobryR,BorcherdtRD.Newsitecoefficientsandsiteclassificationsystemusedinrecentbuildingseismiccodeprovisions[J].EarthquakeSpec-tra,2000,16(1):41-671
[6] BorcherdRD.Estimatesofsite-dependentresponsespectrafordesignmethodologyandjustification[J].EarthquakeSpectra,1994,10(4):617
-6531
[7] FEMA.NEHRPrecommendedprovisionsforseismicregullationfornewBuilding[R].1994Edition.FederalEmergencyManagementAgency.
WashingtonD.C.,19951
[8] CrouseCB,McGuireJW.siteresponsestudiesforpurposeofrevisingNEHRPSeismicprovisions[J].Earthquakespectra,1996,12(3):408-4391
[9] 耿淑伟1抗震设计中的地震动输入参数的研究[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2005:44-691
[10] HwangHM,LinHJ,HuoJR1SitecoefficientsfordesignofbuildingsineasternUnitedStates[J]1SoilDynamicsandEarthquakeEngineering,
1997,16(1):29-40.
[11] 李小军,彭青,刘文忠.设计地震动参数确定中的场地影响考虑[J].世界地震工程,2001,17(4):34-411
[12] BuildingSeismicSafetyCouncil(BSSC).1994EditionNEHRPrecommendedprovisionsforseismicregulationsfornewbuildings[R].FEMA
222A/223A.Vo.l1(Provisions)andVo.l2(Commentary).DevelopedfortheFederalEmergencyManagementAgency,Washington,DC,1995.
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