前言

地震是危害人類生命財產安全最嚴重的突發性自然災害之一。我國是一個多地震國家,地震分布廣、頻度大、強度高,很多重大工程如核電站、大壩、海底隧道、大跨度橋梁等將不可避免地建于高地震烈度區。這種“難以避讓”的抗震安全問題凸顯了防止地震災變、確保工程抗震安全的戰略重要性[1]。隨著人類社會的發展和人們生活的高度城市化,地震必將對人們生命和生活設施及工業生產體系帶來愈來愈嚴重的威脅。近10年來的幾次大地震,造成的城市基礎設施破壞、人員傷亡和財產損失令人觸目驚心。如何確保重大工程的抗震安全,防止嚴重地震災變的發生,是2008年我國“5·12”汶川大地震和2011年日本“3·11”大地震帶給我們的新思考,也是我國重大工程建設中必須面對的嚴峻挑戰。

為防止嚴重地震災變的發生,重大工程抗震性能的研究引起了社會和工程界的重視。深入分析地震造成工程結構嚴重破壞的原因,改進和完善現有的抗震設計理念和方法,提高工程結構的抗震能力,減少未來地震引起的震害損失,是目前各國學者和工程師共同努力的方向[2]。減輕地震災害的有效途徑是進行抗震設防。結構抗震設防的首要任務是確定輸入地震動參數,合理的地震動輸入是保證設計結果可靠和經濟的必要條件[3]。當前重大工程結構的抗震分析主要采用反應譜法和時程輸入法。在以反應譜為參數的抗震設計理論中,僅考慮了地震動幅值和頻譜對結構地震反應的影響,對結構尤其是非線性結構地震響應有明顯影響的地震動持時沒有得到應有的體現;事實上,目前大多數國家和地區的抗震規范均未將對結構非線性響應有顯著影響的持時作為一項設計參數,在結構反應分析中沒有得到應有的重視。反應譜法是基于各輸入點具有相同地震動的假定基礎之上的,沒有考慮地震動空間變化性的影響。地震波傳播過程中受行波效應、相干效應、衰減效應及局部場地效應等的影響,使得實際的地震動存在明顯的空間變化性,且這種空間變化性的存在早已被強震記錄資料所證實[4],早在20世紀50年代地震動的時、空變化性就引起了人們的注意[5],其對大跨度結構地震響應的顯著影響也已被結構計算結果所證實[6]。但在以往的抗震設計研究中,地震動空間變化性考慮較少。在現行的抗震規范中,除歐洲規范考慮了地震動的空間變化性外,其余規范都還是采用均勻輸入方式。盡管有研究者[7]設法在反應譜法中考慮各點地震動的差異性,但由于在反應譜組合問題中存在不少問題,現仍難于在工程中得到應用。

僅將峰值加速度和反應譜作為輸入參數不能全面反映地震動的特性,重大工程還要求采用時程輸入法來了解結構在地震作用下的動力反應的全過程,目前用于輸入的加速度時程主要采用擬合目標反應譜的人工合成方法得到,常用的擬合目標反應譜的人造地震動方法只通過強度包線函數部分考慮了地震動時程的強度非平穩性,地震動時程的頻率非平穩性還沒有得到很好的解決。而實際工程場地上所遭遇到的地震動是從震源經由不同途徑到達場點的,地震波在傳播途徑中的消散,以及縱波、橫波及面波到達的時差,使得地震動不僅強度表現出明顯的非平穩性,其頻率成分也是非平穩的;而且大量研究結果表明,地震動頻率非平穩對線性和非線性結構響應均有顯著影響[8]。

我國國家質量技術監督局2001年頒布的GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》[9]中采用了有效峰值加速度(EPA),而我國重大工程場地地震危險性分析所依據的國家標準GB 17741—1999《工程場地地震安全性評價技術規范》[10]采用的仍是基巖表面的最大峰值加速度(PGA),而且許多現行的行業抗震設計規范中規定的加速度峰值也為PGA,顯然,在地震加速度峰值參數的選取方面目前國內規范存在不相銜接的問題。

重大工程場地的地震動輸入參數須經專門的地震危險性分析來確定,目前由綜合概率法推求的一致概率反應譜綜合了研究區內所有潛源的綜合貢獻,具有“包絡”特征,不是地震環境下的真實樣本實現,與實際地震反應譜相比,它過高地估計了設計地震動的中長周期成分,難于被工程界接受[11]。為了得到與場地相關、具體地震的設計反應譜,地震工程界提出了設定地震方法,但現有的設定地震方法是以加速度峰值或某一周期點的反應譜為參數,沒有考慮地震動持時對設定地震的影響,不能保證設定地震與地震構造環境的危險一致性。

本書在國家自然科學基金課題“大型泄水建筑物地震動輸入機制研究”(編號51069010)和“考慮斷層各分段間相互作用的近場強地震動模擬方法研究”(編號51468045)、水利部重大公益專項“中國重要大壩強震監測與地震動輸入機制研究”(編號2002DIA10002)和“水工程強震監測與健康動力診斷技術研究”(編號201401009)以及南昌航空大學博士啟動金項目“重大工程設定地震研究”(編號EA200711090)等的資助下,主要探討了重大工程場地地震動輸入參數確定中涉及的地震加速度峰值特性、時頻譜的衰減特性、地震動空間變化性以及綜合考慮地震動三要素影響的設定地震方法和工程場地非平穩加速度時程合成方法等內容。本書共7章,第1章以美國西部基巖和我國臺灣SMART-1臺陣土層強震記錄資料為基礎,通過對加速度反應放大系數譜的研究來確定基巖和土層的水平和豎向分量有效峰值加速度(EPA)的計算式;對最大峰值加速度(PGA)與有效峰值加速度(EPA)的相關性、比例關系及主要影響因素進行了分析,探求了PGA與EPA間的內在聯系以及統計規律;給出了PGA、EPA隨震級、震中距變化的衰減模型。第2章從工程實用出發,以美國西部基巖強震記錄資料為基礎,通過分析震級和震中距對時變功率譜模型參數及能量等效速度譜的影響規律,建立時變功率譜模型參數及能量等效速度譜隨震級和震中距變化的衰減模型。第3～4章以SMART-1密集臺陣的強震記錄為基礎,采用隨機振動理論和多元統計回歸方法,通過分析局部場地空間位置變化對地震動參數的影響,來建立峰值加速度(PGA和EPA)、強度包線模型參數、平穩功率譜模型參數及時變功率譜模型參數等隨空間位置坐標變化的隨機預測模型;通過相干性分析來探討地震動的空間相干特性。第5～7章以概率地震危險性分析為基礎,進行基于有效峰值加速度(EPA)和能量等效速度譜的設定地震方法及多點輸入非平穩加速度時程合成方法的探討。分別以克孜爾壩址、沙牌壩址和武都壩址為例,進行地震危險性分析和設定地震研究,給出壩址地震動輸入參數值,并通過與現有方法的對比分析論證所提方法的合理性,以及采用設定地震方法來確定工程場地輸入地震動參數的必要性。

在本書即將出版之際,謹向10多年來不斷給予指導和幫助的胡曉教授級高工、吳勝興教授、邢義川教授級高工、屈鐵軍教授和易立新教授等致以由衷的謝忱。向不斷給予我關心、支持和幫助的南昌航空大學土木建筑學院的領導、同事們表示感謝。感謝國家自然科學基金委員會、水利部及南昌航空大學對相關項目的資助和支持,感謝國家強震臺網中心提供的5·12汶川地震記錄資料、中國水利水電科學研究院工程抗震研究中心提供的美國西部基巖強震記錄和中國臺灣SMART-1密集臺陣記錄資料。

由于作者水平有限,書中難免存在不妥之處,敬請讀者批評指正。

鐘菊芳

2015年10月