地震安全性评价方法及其应用

1、地震安全性评价方法及其应用魏国良 结构工程 研10-1班 S摘 要： 根据建筑场地地震安全性评价工作的要求，结合实际工程讨论了场地地震安全性评价工作的技术思路、区域及近场区地震地质调查、地震活动性分析、地震地质背景、地震动衰减关系、地震危险性概率分析、场地地震动设计参数的确定等。经研究认为，在研究区域中存在发生七级左右地震的地质背景，本场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为类。在研究中同时得到的场地设计地震动参数,可供设计部门参考。关键词：工程场地；地震安全性评价；设计地震动参数中图分类号：P 631.4 文献标识码：AAbstract: According to the national r

2、equest o f seismic safety evaluation of engineering site, the evolution technique, seismic geological investigate, seismicity analysis, seismic geology background, attenuation relationship of seismicity of so lid rock, seismic risk analysis with probability, the design parameters of ground motion et

3、c. are discussed in detail by combining an engineering instance. The research suggests that the dangerousness is existent for taking place 7 degree earthquake according to the geo logy background; The soil type of the site is medium so ft and its category is . A t the same time, design parameters of

4、 ground motion are obtained, and they can be provided to the design section as references.Key words: site; seismic safety evaluation; design parameters of ground motion0 前言工程场地地震安全性评价是以地震的震源、传播路径、场地条件为基础,从工程的角度来研究地震的发生和发展规律,以及地震发生后的传播、衰减规律和场地地震效应。也就是对工程场地未来可能遭遇的地震影响进行评价,其目的是为工程结构抗震设计提供依据。因此,这项工作对于实现

5、防震减灾目标和服务于经济建设,具有十分重要的意义。为此,结合工程实例,作者在本文中介绍了工程场地地震安全性评价工作的方法与过程,以及它们的应用。某工程拟建建筑物主体为框架结构,楼高28层,由住宅楼、写字楼构成。为给建筑设计部门提供工程结构抗震设计依据,作者开展了本场地的地震安全性评价工作。1 研究内容及技术思路(1)广泛收集该地区地震地质及地震活动性方面的有关资料和前人研究成果,并对场区(半径不小于150km范围)和近场区(半径25km)范围,进行野外地震地质调查。(2)对历史地震对场区的影响,和近代地震的活动进行深入研究,对场地地震危险性进行评估。(3)根据剪切波速度测试结果及有关土力学参数

6、,建立场地土动力学模型。(4)利用现代分析技术进行分析计算,给出工程场地设计地震动参数。2 区域及近场区地震地质调查和地震活动性分析2.1 区域地震活动时空特征分析 工作区域：北纬33303700,东经1120011600。该区域主要涉及三个地震带：河北平原地震带;汾渭地震带与河淮地震带。历史地震情况见下页图1。在未来百年内,河北平原带地震活动将以发生中强地震为主;汾渭带地震活动仍将处于地震活跃时段,有发生七级以上地震的可能;河淮带目前所处的活跃期将要结束,其后转入平静时段,估计发生最大地震震级为六级左右。(1-2002,12, M 4.7)图1 区域历史震中分布图2.2 现代构造应力场本区应

7、力场主压应力轴走向为北东东向,主张应力轴为北北西向,这说明区域主要处于以北东东走向的水平压应力,和北北西走向的水平张应力为特征的构造应力场中,见下页图2。图2 震源机制解分布图3 地震地质背景3.1 区域地质构造背景 区域内分布有太行断块、冀鲁断块和豫皖断块三个二级大地构造单元。重力场总体按北北东向展布,从东向西重力值逐渐降低。河北平原地震带、汾渭地震带曾多次发生中、强地震。主要活动断裂有:太行山山前断裂带、东濮地堑断裂带、沧东断裂带、封门口五指岭断裂带、磁县大名断裂带、盘古寺新乡断裂、新乡 商丘断裂。近场区断裂构造发育, 北北东向断裂带包括:汤西断裂、汤东断裂;北西向断裂带包括:新乡商丘断裂

8、、朱营断裂、凤凰岭断裂。3.2 近场及场区地震构造综合评价 强震多发生在大型隆起与大型坳陷的交接部位和规模大、活动强烈的断裂交汇部位。中等地震多发生在断裂的上升盘,发震部位多在与次一级断裂的交汇处。近场区的东北部是汤阴地堑, 其东西二断裂都是断距大、切割深的第四纪活动断裂。近场区的东部有新乡商丘断裂,它切割了古生界和中生界地层。而近场区西部的一组近东西向断裂,也是规模较大的压扭性断裂。这几组断裂在新构造时期以来,区内以差异运动为主,且较为强烈,历史上曾发生过五级地震,现今小震活动较为频繁。综合分析认为,近场区存在发生七级地震的构造条件。4 基岩地震动衰减关系4.1 地震烈度衰减关系地震烈度衰减

9、关系表达式为 （1）式中、分别代表烈度和震级;为震中距,在统计时可以是长半径,也可以是短半径; 为给定的常数;、为通过二元回归分析求得的待定系数。 按烈度衰减公式分别对烈度衰减的长轴、短轴进行统计,得到本区的地震烈度衰减关系如下: 长轴: 短轴: 通过分析本地区烈度统计资料,本结果适合于震级为5级 8级、距离为3 km 700 km的地震。4.2 地震动衰减关系 基岩地震动衰减模型关系式为 （2）式中为地震动参数;为回归常数,可通过统计回归的方法求得;为回归方差。据此原理,利用华北地区以及美国西部的地震烈度和地震动参数衰减关系,推导出华北地区基岩地震动衰减关系。5 地震危险性概率分析5.1 潜

10、在震源区划分 划分潜在震源区主要遵循二条原则:历史地震重演原则:历史上发生过大地震的地方,将来还可能发生大地震;构造外推原则:通过研究已发生过强震地区的地震构造条件, 外推到具有同一或相似地震构造条件的地方。二者必须有机地结合起来,才能收到较好的效果。区内地震危险性贡献较大的潜在震源区为:新乡潜在震源区(震级上限7.5级);汤阴潜在震源区(震级上限7.0级);修武潜在震源区(震级上限6.5级);林州潜在震源区(震级上限6.0级);菏泽潜在震源区(震级上限7.5级)。5.2 地震活动性参数的确定(1)震级上限。历史地震判断。若历史资料足够长, 并确认该带已经过了几个地震活动周期, 则可以按该带已

11、发生过的最大地震强度确定;构造类比。在同一大地震活动区内, 按已知的大震发生的构造条件进行类比外推。(2)起算震级。由于我国大陆地区绝大多数是浅源地震,历史上不少4级左右地震也造成轻破坏效应,因此一般将起算震级定为4级。(3) 值。主要依据地震带历史地震和现今小震目录进行回归统计得到。(4)地震年发生率。选取了该带在1487年1815年共329年间,大于等于6级以上地震资料确定0值。各地震带确定的地震活动性参数见表1。表1 地震带地震活动性参数地震带河北平原地震带5.130.630.7978.018汾渭地震带4.910.610.8978.514河淮地震带5.300.730.3647.0125.

12、3 震源区地震活动性参数的确定(1)各震级档地震年平均发生率和空间分布函数。为如实反映地震活动时、空不均匀性, 需将地震带内地震年平均发生率, 按预测结果合理地分配到相应的各潜在震源区中去: (3)式中;为震级分档间隔。可以确定各潜在震源区的地震年平均发生率 (4)式中为地震空间分布函数。(2)本底地震的震级和年平均发生率.在计算中,给出单位面积本底地震的年平均发生率,以充分估计本底地震对场点地震危险性的贡献.5.4 地震危险性概率计算设有n个地震带对场址有影响,若第n个地震带对场点的地震动年超越概率为,则场点一年内地震动Z超过定值z的概率表示为 (5)若在年内年平均发生率为,则统计区内年发生

13、次地震的概率为 (6)超过给定值(z)的概率值, 按下式计算（7）式中Z为地震动参数或地震烈度;z为给定的地震动参数值或地震烈度值;P(Zz )为地震烈度或地震动参数大于等于某一给定值的概率; 为第i个潜在震源区的方向性函数;为可能的主破裂方向;为第i个潜在震源区的面积；P(Zz|E)为第i个潜在震源区内发生特定事件时,场地地震烈度或地震动参数值超过某一给定值的概率。在危险性分析计算程序中,按下式进行校正 （8）式中k为常数,取3;为回归分析中不确定性的随机变量;为衰减关系中不确定性随机变量的概率密度函数。5.5 基岩水平峰值加速度采用基岩地震加速度峰值衰减关系,通过地震危险性概率分析计算,可

14、得到工程场地基岩水平加速度危险性分析结果。对场地基岩水平峰值加速度贡献,主要为新乡和汤阴二潜在震源,见表2。表2 潜在震源区贡献潜在震源50年超越概率63%10%3%新乡81.7100100汤阴11.000修武5.000林州1.700菏泽0.600采用基岩地震加速度反应谱衰减关系,通过地震危险性概率分析,对每个周期点进行计算,可以得到工程场址五十年超越概率63%、10% 和3%的基岩地震加速度反应谱,如图3所示。图3 63%、10%和3%超越概率的基岩地震动反应谱6 场地地震动参数的确定6.1 场地工程地震条件该场地做了二个孔的钻探及单孔检层法剪切波速测试。从结果看, 二孔揭示的地层基本一致,

15、场地的土类为粉质粘土、中密砂、粉土和密实砂四类。根据各土类的动力学参数、波速测试结果,判定工程场地土类型为中软场地土,场地覆盖层厚度为76m,场地类别为类。6.2 场地的地震反应分析模型 各土层基本上水平展布,宜采用一维等效线性化方法,进行土层地震反应计算。主要步骤为:(1)依据工程地质勘察和土层剪切波速测试结论,确定地震动输入面,并对土层进行分层。(2)确定各层的初始剪切模量Gj、阻尼比j,并由边界条件计算剪应变传递函数。 (3)对输入地震动进行傅立叶变换得U(,Zm),其中,m为地震动输入层号,Zm为该层内深度。(4)根据剪应变传递函数和输入地震动U(,Zm),确定各土层中点的剪应变的频域

16、(i,Zj),经傅立叶逆变换得到其时域过程j (t,zj )。根据简谐振动的概念,将其等效平均应变振幅j = cj,max。(5)对比计算得到的j,与步骤(2)假设的等效模量Gj与阻尼比 j是否相符。若不相符,则由计算结果重新设Gj和j。重复步骤(3)至步骤(5) ,直至Gj和j全部满足给定的精度为止。6.3 输入地震动参数的确定6.3.1 基岩地震动合成方法概述以基岩地震加速度反应谱为目标谱,采用三角级数迭代法拟合地震动时程,方法概述如下:（1）确定地震动强度包络函数f(t)。（2）根据规范要求,确定需要控制的反应谱Sa(T)坐标点数和反应谱控制允许误差。(3)选择初始a0(t)函数 （9）

17、式中为第k个傅里叶分量的频率;为第k个傅里叶分量的振幅; 为功率谱;为加速度反应谱;为阻尼比;Td 为持时;p为反应不超过反应谱值的概率,一般取p0.85。(4)计算a0(t)反应谱Sa0 ()与目标谱相比较,修改A()=Ak,并考虑调整少量频率分量的相位。(5)重复上述步骤,直至反应谱在所有控制点处的误差,均不大于5%为止。6.3.2 地震动持时及包络函数的确定由于地震时程为非平稳过程,所以在拟合地震动时程时,必须研究强度包络函数。 f(t)= (t/t1)2 (tt1上升阶段)1 （t1tt2平衡阶段）exp(-c(t- t2) (tt2下降阶段) （10）式中t1为上升段时间;t2-t1

18、=ts为平稳段时间;td为地震动持时。强度包络函数的特征参数与震级、距离的关系采用下列模型 （11）式中Ye可以为t1、ts和C三者之一。6.3.3 基岩地震动时程的合成 有了地震动强度包络函数,采用地震动时程的合成方法,就可得到工程场址不同超越概率水准的基岩地震加速度时程。考虑到地震动时程拟合过程的随机性,每个超越概率水准提供三条时程,共合成九条时程,误差均小于5%。6.4 场地地震反应计算与场地地震相关反应谱6.4.1 场地地震反应计算与场地地震相关反应谱根据土动力学分析模型,由基岩输入面将场址的不同超越概率水平的多条基岩地震动时程作为输入。经过土层反应分析,可以计算出相应输出层位的地震动

19、参数,包括土层地震加速度峰值,地震加速度反应谱和地震动时程。6.4.2 场地相关地震加速度反应谱地震动时程的合成具有随机性,所以对工程场址的三个超越概率, 分别给出三条地震动时程。土层反应分析时,三个地震动时程分别输入进行计算,这样每个超越概率的土层反应结果均有三组。本研究场地设计地震动参数,采用多个土层反应结论的平均值。6.5 场地地震动参数的确定为了便于设计使用,我们对不同超越概率的动力放大系数进行了规范化处理,得到设计标准加速度反应谱(谱)。 1+(m-1.0)T/T1 0TT1(T)= m T1 TTg (12) mTg/Tr Tg Tk对于不同概率的场地,设计地震影响系数用式(13)计算 (13)式中K为地震系数(K=Amax/g);T单位为s;)单位为g。7 场地地震安全性评价及设计地震动参数确定7.1 场地地震环境评价综合地震地质和地震活动性分析认为,近场区存在发生七级左右的地震地质背景。7.2 场地工程地震条件评价判定本工程场地土类型为中软场地土,建筑场地类别为类。场地设计地震动参数,见表3、表4