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摘要：地震具有破壞性，在建筑林立的今天，一場(chǎng)大震會(huì)造成較大地財(cái)產(chǎn)與生命損失。我們無(wú)法阻擋地震的發(fā)生，也缺乏有效的監(jiān)測(cè)預(yù)防手段，但是我們可以通過(guò)改善建筑物結(jié)構(gòu)，減小地震帶來(lái)的危害。卓越周期是建筑抗震設(shè)計(jì)中常用的參數(shù)之一，可以通過(guò)地震記錄、常時(shí)微動(dòng)等手段進(jìn)行測(cè)定。近年來(lái)，卓越周期概念的矛盾性被越來(lái)越多的人知曉，有逐漸淡化的趨勢(shì)。本文探討卓越周期概念的定義、常用測(cè)定方法，并結(jié)合實(shí)例分析計(jì)算各測(cè)定方法的數(shù)值。

關(guān)鍵詞：卓越周期；抗震；巖土工程；勘察

1概述

地震造成的破壞是地震力通過(guò)場(chǎng)地土實(shí)現(xiàn)的，因此確定場(chǎng)地土的動(dòng)力特征和地震動(dòng)參數(shù)至關(guān)重要?？梢苑从硤?chǎng)地土地震動(dòng)力特性的參數(shù)有：地震動(dòng)峰值加速度、地基承載力、剪切波速、卓越周期、特征周期等。巖土工程勘察中卓越周期是最常用的參數(shù)之一。

2卓越周期的定義

日本學(xué)者金井清在20世紀(jì)30年代提出，即使在不同地震中，同一地點(diǎn)的地震動(dòng)卓越周期也是一定的。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)同一場(chǎng)地的卓越周期并不總是一定的，而且當(dāng)?shù)鼗请p層或多層時(shí)，卓越周期不唯一。金井清所著《工程地震學(xué)》指出，卓越周期還隨震中距、震級(jí)等因素而變化。我國(guó)的研究較晚，1964年抗震建筑設(shè)計(jì)規(guī)范將卓越周期T確定為判斷場(chǎng)地類別的參考指標(biāo)之一，并進(jìn)行了大量測(cè)試工作，以滿足重大工程抗震設(shè)計(jì)中場(chǎng)地烈度的需要。近現(xiàn)代關(guān)于卓越周期的比較明確的定義有：《工程抗震術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》定義為：隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)概率最多的周期，這反映了地震特性及場(chǎng)地特性。抗震設(shè)計(jì)中研究的是地震波通過(guò)場(chǎng)地時(shí)的反應(yīng)，它是震源、傳播途徑和工程場(chǎng)地的相互作用，用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在地震作用中的響應(yīng)。《工程地質(zhì)手冊(cè)》描述為：地震波在土層中傳播時(shí)，經(jīng)過(guò)不同性質(zhì)界面的多次反射，將出現(xiàn)不同周期的地震波。若某一周期的地震波與地表土層固有周期相近時(shí)，由于共振的作用，這種地震波的振幅將得到放大，此周期稱為卓越周期。《巖土工程手冊(cè)》的描述為地表土層對(duì)不同周期的地震波有選擇放大作用，致使在地震記錄圖上某些周期的波形特別多而好，也顯得卓越，這個(gè)周期稱為卓越周期。場(chǎng)地卓越周期是地面運(yùn)動(dòng)的重要特征量，它與覆蓋土層的厚度、構(gòu)成、物理力學(xué)性質(zhì)以及場(chǎng)地的背景振動(dòng)等有密切關(guān)系。由上可知，卓越周期是地震波在場(chǎng)地地層中傳播產(chǎn)生的，它與場(chǎng)地自身特性有關(guān)，也受地震波類型的影響。它不止是場(chǎng)地的固有特性，也反映了該處場(chǎng)地在地震中的振動(dòng)特性。

3測(cè)定方法及比較

3.1測(cè)定方法

測(cè)定場(chǎng)地卓越周期T的方法有三種:a.當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)有強(qiáng)震記錄時(shí)，通過(guò)Fourier頻譜分析確定地震動(dòng)卓越周期，稱之為記錄卓越周期[4]，以Tr表示。b.應(yīng)用高靈敏度波速儀進(jìn)行常時(shí)微動(dòng)測(cè)量，將所得記錄進(jìn)行Fourier變換，得到卓越周期，有時(shí)為了簡(jiǎn)便，也通過(guò)繪制地脈動(dòng)記錄的震動(dòng)-周期曲線來(lái)確定卓越周期。稱為測(cè)試卓越周期[4]，以Tm表示。c.根據(jù)場(chǎng)地分層剪切波速測(cè)試結(jié)果按公式(1)計(jì)算之，稱為波速卓越周期[4]，以Tv表示

3.2方法比較

前兩種計(jì)算方法均基于Fourier頻譜分析理論，而頻譜分析結(jié)果具有多樣性：a.Tr是場(chǎng)地條件和震源特性共同作用的體現(xiàn)，它來(lái)源于該工區(qū)的地震記錄，因此真實(shí)地反映了工區(qū)在地震時(shí)場(chǎng)地的運(yùn)動(dòng)周期。但這是一種近似，確切的說(shuō)，它計(jì)算的是地震時(shí)工區(qū)測(cè)試點(diǎn)的周期，這對(duì)附近區(qū)域的平均化。如果工區(qū)地質(zhì)條件及地形地貌變化復(fù)雜，很顯然，Tr確定場(chǎng)地卓越周期就是錯(cuò)的。所以，我們不僅要獲得原始地震記錄，還應(yīng)知曉地震臺(tái)站或測(cè)點(diǎn)在該場(chǎng)地的空間分布情況，地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)不宜用Tr確定場(chǎng)地卓越周期。b.場(chǎng)地常時(shí)微動(dòng)卓越周期，即測(cè)試卓越周期Tm，可以較好的擬合場(chǎng)地卓越周期。然而，測(cè)試卓越周期僅是反映場(chǎng)地土層在地脈動(dòng)時(shí)場(chǎng)地震的特性，場(chǎng)地卓越周期T不僅與場(chǎng)地本身有關(guān)，還與地震波的類型有關(guān)。Tm并不含有真實(shí)地震動(dòng)時(shí)的信息，所以，Tm同樣是對(duì)工區(qū)卓越周期的一種近似值，它是測(cè)試場(chǎng)地在常時(shí)微動(dòng)下的振動(dòng)特性對(duì)真實(shí)地震動(dòng)下振動(dòng)特性的近似。c.上式（1）中波速卓越周期Tv的計(jì)算是日本學(xué)者金井清按多重反射理論獲得的。他通過(guò)在日本多地進(jìn)行調(diào)查，研究各地地震震級(jí)與卓越周期之間的關(guān)系，得出：當(dāng)震級(jí)在某一數(shù)值之上，對(duì)于該場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，地震動(dòng)的卓越周期幾乎是固定的，即Tv。此式的前提是場(chǎng)地地基土層均勻且平行?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)工程場(chǎng)地范圍內(nèi)能夠獲得強(qiáng)震記錄，且場(chǎng)地的地層結(jié)構(gòu)及地形地貌變化不劇烈時(shí)，抗震設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)優(yōu)先選用Tr，其次可選用Tm；如果有強(qiáng)震記錄，但該場(chǎng)地地形及地質(zhì)情況較為復(fù)雜時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用Tm；由于式（1）是一近似公式，故應(yīng)盡量避免選用波速卓越周期Tv。在工程實(shí)踐中，適宜的強(qiáng)震記錄是比較少的，而且各場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)及地形地貌變化復(fù)雜，不單一，常時(shí)微動(dòng)的測(cè)試簡(jiǎn)潔方便，所以工程中應(yīng)用較廣。（表1）

4工程實(shí)例分析

山東省菏澤市成武縣一處舊村改造項(xiàng)目，項(xiàng)目位于黃河沖積平原，地形平坦，地質(zhì)構(gòu)造單一，地層基本呈層狀分布。該場(chǎng)地內(nèi)主要地層為：①素填土；②粉質(zhì)粘土；③粉土；④粉砂。

4.1記錄卓越周期

Tr在山東省地震局官網(wǎng)檢索到一條成武縣地震記錄，發(fā)震時(shí)刻：2008-07-20-01:41、經(jīng)度115.941°緯度34.994°，震級(jí)2.38。由上而下分別為垂向、東西向、南北向的站臺(tái)響應(yīng)信號(hào)。利用MATLAB軟件對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，處理后得到三條不同方向的頻譜曲線?？芍鋵?duì)應(yīng)的極值周期值分別為0.312s、0.448s、0.327s。取其平均可得Tr=0.282s。

4.2測(cè)試卓越周期

Tm在場(chǎng)地挖約50cm淺坑，清除表層浮土、平整坑底、壓實(shí)。東西、南北和垂向三個(gè)方向各安置一個(gè)檢波器，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。資料處理得到三個(gè)方向的頻譜圖，進(jìn)而可知測(cè)試點(diǎn)的平均卓越頻率分別為0.23、0.199、0.259；根據(jù)T=1/f，計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)的卓越周期，得到該場(chǎng)地的測(cè)試卓越周期Tm=0.231s。

4.3波速卓越周期

Tv在該場(chǎng)地用同一儀器進(jìn)行波速測(cè)井，根據(jù)式（1）可得，波速卓越周期Tv=0.554s?？偟膩?lái)看，本工程實(shí)例三種方法測(cè)試結(jié)果差異較大。

5結(jié)論

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)抗震設(shè)計(jì)中得場(chǎng)地周期的界定一直以來(lái)都沒(méi)有統(tǒng)一結(jié)論?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》中采用的是“特征周期Tg”，而對(duì)“卓越周期T”只是一筆帶過(guò)，沒(méi)有具體描述。特征周期Tg影響因素很多，它只是根據(jù)工程應(yīng)用的需要，計(jì)算出的預(yù)測(cè)值，主要用來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)地震分組。但規(guī)范中對(duì)于特征周期的取值、測(cè)試過(guò)程等沒(méi)有提及。新的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及有關(guān)的背景材料都不再提及“卓越周期”，近幾年公開發(fā)表的有關(guān)論文及著作也鮮有“卓越周期”的描述。筆者認(rèn)為,利用場(chǎng)地卓越周期可以劃分場(chǎng)地土類型,預(yù)測(cè)地震動(dòng)峰值加速度值也是可行的，但需要在規(guī)范中進(jìn)行統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)

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作者:代方園 單位:山東省地礦工程勘察院