第1章　地震加速度峰值特性分析

1.1　概述

地震動(也稱地面運動)是地震時由震源釋放的地震波引起的地表附近土層的振動[12]。工程師們通過對工程場地的地震動特性的了解來達到有針對性的工程抗震設防。在靜力設計理論階段,考慮的地震動參數僅為地震動幅值。幅值是對地震動過程最大強度的直接定義,可以為加速度、速度或位移等物理量中任何一種的峰值、最大值或某種意義下的等代值[13],提出最早、研究最多且使用最廣的是峰值加速度、速度和位移,除此之外的其他幅值均具有有效或者等效的意義。

最大峰值加速度(PGA)通常指加速度時程的最大值,常由地震動的高頻成分所決定。當考查地震動時程與結構響應之間的關系時不難發現,極高頻地震動對結構物反應并無重要影響[11-12,14-16],因為:①地震時震源釋放出來的極高頻的地震波只存在于震源附近,傳播過程中會迅速衰減。②當地震動頻率遠離結構物自振頻率時,由該地震動引起的反應與接近結構自振頻率時的共振效應相比,影響甚小。③結構物大片剛性基礎會濾掉極高頻的振動。從結構抗震的觀點來看,只有對結構反應有明顯影響的量才是重要的量,因此認為由脈沖高頻尖峰所決定的最大峰值加速度(PGA)并不是反映地震作用的理想抗震設計參數,工程界在樂于接受簡單直觀的最大峰值加速度(PGA)的同時也接受了各種具有等效意義的加速度幅值定義,如等反應譜有效加速度(a0)[17]、概率有效峰值[18,19]、持續加速度(az)[20,21]、等效簡諧振幅[22]、均方根加速度[23]、有效峰值加速度(EPA)等。

采用有效(或等效)峰值加速度代替最大峰值加速度的關鍵是如何合理地定義或計算有效(或等效)峰值加速度。1978年美國應用技術委員會ATC-3結構抗震設計樣本規范中采用了有效峰值加速度(EPA),將基巖水平向的EPA定義為EPA=(0.1-0.5)/2.5,式中(0.1-0.5)為0.05阻尼比的加速度反應譜在0.1～0.5s周期范圍內的平均譜值,2.5為這個周期范圍內的平均動力放大系數。20世紀90年代末,美國地質調查局(U.S.Geological Suever,Menlo Park,簡寫USGS)頒布的全國地震危害區劃圖[24]中,又將基巖場地水平向的EPA定義為EPA=(0.2)/2.5,其中(0.2)為0.05阻尼比的加速度反應譜對應0.2s周期點的譜值。我國2001年國家質量技術監督局頒布的國家標準GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》[9]中也采用了有效峰值加速度這一物理量,它將水平有效峰值加速度(EPA)定義為:與0.05阻尼比加速度反應譜最大值對應的水平加速度。陳厚群院士等通過對不同震級和震中距的基巖水平強震記錄統計分析認為:基巖場地水平向的EPA按EPA=(0.2)/2.5定義較為合理[11]。地震加速度峰值是抗震設計中的一項重要參數,其取值的高低直接影響抗震設防的標準和基本建設投資。本章針對目前國際上建議用有效峰值加速度EPA代替最大峰值加速度PGA但EPA無統一定義式以及國內規范在PGA與EPA的采用方面存在不相協調的現狀,以美國西部基巖和中國臺灣SMART-1臺陣土層強震記錄資料為基礎,主要就記錄EPA的計算方法、PGA與EPA兩者間的統計特性和衰減特性以及PGA與EPA比例關系的影響因素等問題進行探討,以得到水平和豎向記錄EPA的合理計算方法以及PGA和EPA衰減關系式,并論證用EPA取代PGA的可行性和兩者間的相互轉換關系,便于工程設計人員合理選用PGA、EPA及與現行規范的配套使用。