最大峰值加速度与有效峰值加速度的大小比例关系及影响因素探讨

最大峰值加速度与有效峰值加速度的大小比例关系及影响因素探讨 最大峰值加速度与有效峰值加速度的大小 比例关系及影响因素探讨 22卷2期 2006年6月 世界地震工程 WORLDEARTHQUAKEENGINEERING V01.22.No.2 Jun..2006 文章编号:1007-6069(2006)02—0034—05 最大峰值加速度与有效峰值加速度的 大小比例关系及影响因素探讨 钟菊芳胡晓易立新吴胜兴 (1.河海大学土木工程学院,江苏南京210098;2.中国水利水电科学研究院,北京108044;3.南开大学建筑工程学院,天津300071) 摘要:分别以最大峰值加速度(以下简称PGA)和有效峰值加速度(以下简称EPA)为参数,对金沙江 流域上I2个工程场点进行了地震危险性分析,得到了各个场点在不同的年超越概率下的基岩PGA 和EPA值.通过对PGA,EPA值比较分析认为:PGA与EPA值的大小比例关系主要受年超越概率大 小的影响,当年超越概率较大时,表现为PGA>EPA;当年超越概率较小时,PGA与EPA的比例关系还 与场点周围的潜源分布形式及潜源的震级上限的大小有关,不同的年超越概率,不同的潜源分布形式 和震级上限,可使PGA>EPA,也可使PGA<EPA. 关键词:有效峰值加速度(EPA)最大峰值加速度(PGA);年超越概率;潜在震源 中图分类号:P315文献标识码:A, Studyonrelationsofeffectivepeakacceleration andpeakgroundacceleration ZHONGJu—fangHUXiaoYILi—XinWUSheng—xing (1.CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.ChinaInstituteofWaterResourceandHydropowerResearch Beijing100044,China;3.NankaiUniversity,Tianjin300072,China) Abstract:Therelationsbetweeneffectivepeakacceleration(EPA)andpeakgroundacceleration(P6)ofearth— quakesarecompared.andtheinfluencesofannualexceedprobabilityofearthquakesandpotentialearthquake sourcesinsitesontherelationsareanalyzed.ThePGAislargertlqanEPAwhentheannualexceedprobabilityis large;whentheannualexceedprobabilityissmall,therelationsbetweenPGAandEPAarecomplex,itdepends thedistributionandthemaximummagnitudeofthepotentialearthquakesourcesinsites.Differencesintheannual exceedprobability,thedistributionandthemaxilTlUmmagnitudeofthepotentialearthquakesourcesinthesites couldmakePGAlargerthanEPA,itPGAsmallerthanEPA. Keywords:effectivepeakacceleration(EPA);peakgroundacceleration(PGA);theannualexceedprobability; potentialearthquakesources. 1概述 目前我国抗震设防用地震动参数的确定方法主要有两种:一是针对一般工程而言 的,直接依据国家质量 收稿日期:2005一l2—19;修订日期:2006一o4-27 基金项目:科学技术部资助(项目编号:2002DIAl0002,名称:中国重要大坝强震监测 与地震动输入机制研究.) 作者简介:钟菊芳(1972一),女,江西龙南人,博士研究生,主要从事重大工程地震动 输入机制研究. 2期钟菊芳等:最大峰值加速度与有效峰值加速度的大小比例关系及影响因素探讨35 技术监督局2001年2月颁布的国家(GB18306—2001)《中国地震动参数区划图》(以下简称第四代区划 图)来确定地震峰值加速度和特征周期,依据相应设计规范确定设计反应谱;另一是针对重大工程的,因重 大工程本身的重要性及其结构的复杂性,要求进行专门的地震危险性分析来确定抗震设计用地震动参数,如 峰值加速度和反应谱等参数.目前重大工程场地地震危险性分析依据国家标准(GB17741—1999)《工程场 地地震安全性评价技术规范》(以下简称安评规范)进行,地震动参数采用基岩峰值加速度.陈厚群等指 出:第四代区划图中的峰值加速度与安评规范中峰值加速度是两个不同概念的参数,第四代区划图给出的地 震动峰值加速度是指与地震动加速度反应谱最大值对应的水平加速度,即有效峰值加速度(以下简称 EPA),而安评规范要求采用的参数是最大峰值加速(以下简称PGA). 2PGA与EPA的定义 最大峰值加速度(PGA)通常是指地表地震动加速度时程中的最大值,在实测地震动时程中,PGA值常由 一 些脉冲型的高频尖峰所决定.大量的研究表明:加速度过程中个别特别尖锐的峰值对反应谱的影响不显 着.胡聿贤从结构抗震的观点出发,认为只有对结构反应有明显影响的量才是重要的.结构计算中发 现,假设人为截去地震动加速度时程中的少量最大尖峰,尽管PGA值降低较多,但对加速度反应谱的影响很 小.陈厚群等?认为:一方面是因为地震时震源释放出来的极高频的地震波只存在于震源附近,传播过程 中会迅速衰减而消失;同时建筑物的刚性基础也会滤掉极高频的波.另一方面当地震动频率远离结构物自 振频率时,由该地震动引起的反应与接近结构自振频率时的共振效应相比,影响甚小.因此认为PGA并不 是反映地震作用的理想抗震设计参数,提出用有效峰值加速度(EPA)代替PGA. 用EPA来代替PGA的关键是如何合理地确定EPA的取值,目前还没有国内外通用的EPA定义式.7O 年代美国应用技术委员会ATC一3结构抗震设计样本规范中将EPA定义为:阻尼比为0.05(以下提到的S. 均为该阻尼比下的反应谱)的地震动加速度反应谱中周期0.1,0.5s问的平均反应谱值,除以这个周期范围 内的平均动力放大系数(以下用2.5,即EPA=S.(O.1,0.5)/2.5.90年代末,美国地质调查局(USGS)的全 国地震危害区划图中,把有效峰值加速度取为EPA=S(0.2)/2.5.陈厚群等…通过对不同震级和震中 距的基岩强震统计分析发现:就统计平均而言,与强震记录加速度放大系数谱的最大值对应的周期是 0.2s,相应的放大倍数为2.5,认为基岩的有效峰值加速度定义为EPA=S.(O.2)/2.5较为合适.第四代"中 国地震动参数区划图"(GB18306—2001)编制过程中也取EPA=S.(O.2)/2.5. 用EPA取代PGA,首先需要知道PGA与EPA的大小比例关系,以及在抗震设计方面如何衔接等问题, 目前相关的文献不多见,陈厚群等…指出从大量记录统计结果来看,PGA略大于EPA.易立新等指出:在 大的年超越概率下,PGA>EPA.但他们没有对特定工程的PGA,EPA大小比例关系及其影响因素进行分 析.本文采用EPA=S.(0.2)/2.5定义式,对金沙江流域12个重大工程场点的 PGA,EPA计算结果进行比 较分析,以探讨工程场点PGA与EPA的大小比例关系及其影响因素. 3地震危险性分析 为了得到12个重大工程场点的PGA,EPA值,首先采用综合概率法对这些场点进行地震危险性分析. 综合概率法假定地震在时间上的分布服从分段的泊松过程,地震带内震级分布遵从修正的震级频度关系. 根据分段泊松分布模型和全概率定理,场点的地震动年超越概率为: P(Y?Y)1—11[1一P(YY)] 式中:J7v为地震带总数,以J7v.表示地震带内潜在震源区总数,J7v表示震级分段数.=b×lnl0,l,为地震年发 生率,AM为震级分档值,,为空间分布函数,)为等震线长轴取向,S为潜在震源的面积,则第n地震 带对场点地震动的年超越概率: ,,?-?m... p(y,,)=1一exp(一??JffPi(y?YJ()sinh(M)f(O)f,u/sdxdydO, 其中,震级概率密度分布函数为:(M)=. 世界地震工程22卷 地震危险性分析需根据地震构造和历史地震等资料进行地震带及潜在震源区的划分及其参数的确定, 这里直接引用第四代"中国地震动参数区划"综合,各场点与潜源的位置关系见图1.衰减关系选用《地 震安全性评价技术教程》中推荐的霍俊荣?型衰减关系: PGAlgY=一1.822+1.448M一0.052Mz一2. 0181g(R+0.182exp(0.707M))=0.187 EPAlgY=一0.840+1.212M一0.035』I一I.881lg(R+0.182exp(0.707M))=0.213. 金沙江流域I2个工程场点在不同年超越概率下的PGA,EPA值计算结果见表1,相应的年超越概率曲 线见图2. 4结果分析 图1场点与潜源位置图(,-为场点所在位置,1—12号为场点编号) (6,6.5…775,8等数字为潜源的震级上限) 从表1和图2可以看出,不同场点在不同的年超越概率下的PGA与EPA大小关系不太一致,总的趋势 是:当年超越概率PO.008时,所有场点的PGA<EPA;当年超越概率P<0.008时,其中1,5,6,11和l2号 场点的PGA<EPA;3号场点在0.OO4<PO.008区间内PGA<EPA;PO.OO4 时PGA>EPA;7,9,10号场点 在0.001<PsO.008区间内PC,A<EPA;PO.O01时,PGA>EPA;8号场点在0.0008<P0.008区间内 PGA<EPA;PO.0008时,PGA>EPA;2号场点在0.OO4PO.008区间内PGA>EPA;当P<0.0008时 PGA<EPA;4号场点在0.OO4,0.002区间内,PGA>EPA;当P<0.002时PGA<EPA. 由于12个场点均采用相同的计算方法和同一对衰减关系,因而可以排除因计算方法和衰减关系而引起 的PGA与EPA大小关系的差异;分析认为:PGA,EPA值的大小主要受年超越概率的大小,潜源与场点的位 置关系,潜源的分布及潜源的震级上限等因素影响.因年超越概率的大小对应着在场点处能被超越的地震 动参数幅值的大小,一般来说,年超越概率越大,能被超越的地震动参数幅值就越小.而地震动参数幅值的 大小又与能在场点产生该幅值的地震的震级的大小和距离的远近有关,震级越大,相应的地震动参数的幅值 也就越大,距离越远,由于衰减,幅值越小.地震的震级的大小又与潜源的震级上限有关,各个潜源内能发生 的最大震级即潜源的震级上限值. 当年超越概率大时,对应能被超越的加速度幅值小,小峰值地震加速度主要由近场小震和远场大震控 制,近场小震的高频较少,大震的高频丰富,但高频成分只存在于震源附近,随着距离的增加,高频成分会因 衰减而很快消失,远距离地震的低频丰富,高频分量较少,而PGA主要受高频分量所控制,因而表现为PGA <EPA,如文中PsO.008时,12个场点一致表现为PGA<EPA. 2期钟菊芳等:最大峰值加速度与有效峰值加速度的大小比例关系及影响因素探讨37 随着年超越概率的减小,相应的能被超越的加速度幅值在增加,能在场点产生该幅值的地震的震级也在 相应增大.当场点处在小震级上限的潜源内,且附近又不存中等震级上限的潜源时,超越概率小到某一限值 后,周围的潜源对场点无贡献,这时场点的地震动大小受远距离的大震的影响,表现为PGA<EPA;如文中I, 5,6,ll,12号场点处在震级上限为Mu=6.5的潜源内,且场点周围不存在Mu7.0的潜源,当年超越概率 小时,主要受远处震级上限为7.5和8.0的潜源的影响,因而表现为PGA<EPA. 当场点处在中等或大震级上限的潜源内时,在大年超越概率时主要受小震的影响,PGA<EPA;中等概 率时主要受近处中震的影响,PGA>EPA;小概率时同时受到近处大震和远处大震的影响,PGA<EPA.如2 号和4号场点,2号场点处在Mu=7.5的潜源内,而4号场点处在Mu=8.0的潜源内,且场点附近的潜源震 级上限Mu?7.0,因而在不同的年超越概率下表现出不同PGA,EPA大小关系. 当场点处在中等震级或大震级上限的潜源附近,或场点在小震级上限潜源内,但潜源附近存在大震级上 限潜源时,如3,7,9号场点处在Mu7.0的潜源内或附近,10号处在Mu=7.5的潜源 内,8号潜源附近存在 Mu=8.0的潜源,当P较小时,受近处的大震的影响,表现为PGA>EPA. 造成各个场点PGA,EPA大小比例关系不一致的原因,还与EPA定义式是个统计平均结果有关,就个别 场点而言,加速度最大反应对应的周期点不一定刚好在0.2s,0.2s周期处的实际动力放大倍数也不一定 恰好为2.5,有可能大于或小于2.5.只有当0.2s周期点对应的场点实际加速度反应的放大倍数K=2.5 时,PGA=EPA;当实际的K>2.5时,采用EPA=a(0.2)/2.5定义式计算得到的EPA>PGA,当实际的K< 2.5时,计算EPA<P. 表112个工程场点各年超越概率下的PGA和EPA值 38世界地震工程22卷 瓣 籀 疆 廿 瓣 籀 疆 廿 瓣 籀 骝 廿 龉 籀 廿 瓣 籀 廿 峰值加速度,gal峰值加速度,gal峰值加速度,gal峰值加速度,gal 5结论 瓣 籀 疆 廿 瓣 授 疆 廿 峰值加速度,gal峰值加速度,gal峰值加速度al峰值加速度,gal 图2各场点EPA和PGA的年超越概率曲线 通过地震危险性分析,得到了l2个工程场点在不同年超越概率下的PGA,EPA值.从l2个场点不同年 超越概率下的PGA,EPA值的大小关系比较发现,PGA与EPA的大小与年超越概率,潜震源与场点的位置, 潜震源的分布及潜震源的震级上限的大小等多种因素有关.当年超越概率P较大时,PGA与EPA的大小主 要受年超越概率的大小的影响,表现为PGA<EPA.当年超越概率P较小时,PGA与EPA的大小与场点与 潜源间的位置关系,潜源分布形式及潜源的震级上限的大小有关;总的趋势是:若场点的贡献量来自于近场 小震或远场大震,则PGA<EPA;若场点的贡献量来自于近场大震,则PGA>EPA;若场点的贡献量来自于近 场中震和远场大震的共同作用,则PGA<EPA.另外PGA,EPA的大小关系还与EPA=Sa(0.2)/2.5定义式 是一个基岩条件下的统计平均式有关,但不是主要影响因素. 参考文献: [1]陈厚群,郭明珠,重大工程场地设计地震动参数选择[A].中国水利水电科学研究院2000年学术交流会议集[C],2002 [2]胡聿贤.地震工程学[M],北京:地震出版社,1988. 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