场地PGA放大系数与场地特征参数相关性及地震动快速评估方法研精.docx

1、场地PGA放大系数与场地特征参数相关性及地震动快速评估方法研精第 37卷 第 1期 2017年 2月地 震 工 程 与 工 程 振 动EATHQUAKEENGINEEINGAND ENGINEEINGDYNAMICSVol37No1Feb2017收稿日期 :20161101;修订日期 :20161118基金项目 :国家自然科学基金项目 (51508533 ; 黑龙江省自然科学基金项目 (LC2013C14,QC2015051 Supported by :National Natural Science Foundation of China (51508533 ; Natural Scienc

2、e Foundation of Heilongjiang Province (LC2013C14,QC2015051作者简介 :吴晓阳 (1992 , 男 , 硕士研究生 , 主要从事岩土地震工程 、 土动力学方面的研究 E-mail :wuxiaoyang1226126com 通讯作者 :陈龙伟 (1983 , 男 , 副研究员 , 博士 , 主要从事工程地震理论及应用研究 E-mail :chenlwiemaccn 文章编号 :10001301(2017 01010807DOI :1013197/jeeev201701108wuxy014场地 PGA 放大系数与场地特征参数相关性及地震动快

3、速评估方法研究吴晓阳 1, 陈龙伟 1, 袁晓铭 1, 王维铭2(1中国地震局工程力学研究所 , 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室 , 黑龙江 哈尔滨 150080; 2黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 150050摘 要 :场地地震动 PGA 放大系数是重大工程地震预警 、 烈度速报技术及结构抗震设计地震动输入的基础 。 搜集整理日本 Kik-net 台网 239个 场地台站的地震记录 , 以场地覆盖层厚度 D 、 场地特征 周期 T 、 场地 v s30以及场地等效剪切波速 v se 为场地特征参数 , 以井下记录 PGA 为地震动强度指标 , 研 究场地 PG

4、A 放大系数 F PGA 与场地特征参数之间的相关性 ; 以地表 PGA 值 40Gal 作为预警阈值 , 采用 回归决策树 CAT方法建立了地震预警的特征参数组合标准 。 分析结果表明 :场地 F PGA 与场地覆盖 层厚度 D 及场地特征周期 T 负相关 ,与场地 v s30正相关 , 与 v se 相关性可忽略 ; F PGA 与场地特征参数的 相关性随着场地地震动强度增大而增大 ; 通过搜集的地震数据对基于 CAT分类方法建立的场地地 震动预警参 数 指 标 进 行 回 判 检 验 , 检 验 的 总 体 成 功 率 达 到 9009%, 其 中 不 预 警 的 成 功 率 为 93.

5、 64%, 预警成功率 8268%。 虽然地震动快速评估方法总体成功率达到 90%以上 , 但仍存在 5. 61%偏于危险的 “ 漏判 ” , 所以本文方法仍需要进一步的改进和完善 。 关键词 :PGA 放大系数 ; Kik-net ; 地震动预警 ; 特征参数 ; 回归决策树 CAT中图分类号 :P3159文献标志码 :ACorrelation analysis of PGA amplification factor with site characteristic parameters and fast assessment of ground motionsWU Xiaoyang 1,

6、CHEN Longwei 1, YUAN Xiaoming 1, WANG Weiming 2(1Institute of Engineering Mechanics , China Earthquake Administration ; Key Laboratory ofEarthquake Engineering and Engineering Vibration of China Earthquake Administration , Harbin 150080, China ; 2College of Civil and Architectural Engineering , Heil

7、ongjiang Institute of Technology , Harbin 150050, China Abstract :The PGA amplification factor F PGA is a basic index for seismic prewarning of important engineering struc-tures and the seismic input of engineering structures designSelecting 239seismic stations from Kik-Net , Japan , and the records

8、 recorded at the stations which are on site class , the correlation of F PGA with respect to site charac-teristic parameters , ie, the site thickness D , site characteristic period T , v s30and equivalent shear wave velocity v se , are studied under different seismic intensity which is represented b

9、y the input PGA valuesTaking ground mo-tion PGA 40gal as the target prewarning threshold , the parameters combinations are presented using the classifica-tion and regression tree (CAT methodThe analytical results show :F PGA is negatively correlated with D and T , but positively correlated with v s

10、30; v se has a quite weak correlation with F PGA ; the correlation of site characteristic第 1期 吴晓阳 , 等 :场地 PGA 放大系数与场地特征参数相关性及地震动快速评估方法研究parameters and FPGAis strengthened with increasing input intensity ; by means of the CATmethod , the ground mo-tion prewarning criterion is tested on the selected K

11、ik-net data that the total success rates keep 9009%, including 9364%of non-prewarning and 8268%of prewarningAlbeit the total success rates of the criterion are greater than 90%, 561%of the prewarning data are omitted that the results could be dangerousTherefore , the method presented herein should b

12、e improvedKey words :PGA amplification factor ; Kik-net ; seismic prewarning ; site characteristic parameters ; CAT引言随着抗震技术的进步 , 强震作用下建筑物破坏引起的人员伤亡越来越少 , 但因场地因素导致的基础设施 的功能损失却没有明显减少 , 所以场地破坏导致的地震损失依然是抗震研究的重点 。 场地土层介质特性对 地震波的传播具有较大影响 , 主要表现为对不同频率的地震波具有放大和缩小作用 , 直接影响到地震灾害的 分布 1。 历次地震震害资料表明 , 即使是距离震源相近的区

13、域 , 由于场地条件不同导致的震害差别很大 , 这 之中场地条件起关键作用 。 场地条件对地震动的影响早已经被工程师和地震工程学者所认识和接受 24, 然而在工程应用中有效地考虑场地条件作用 , 在规范条文中体现场地条件的作用 , 依然是防震减灾工作一项 重要任务 。随着我国经济快速发展和城市化进程加快 , 高速铁路工程日趋密集 、 复杂 。 由于我国 41%的国土面积 处于 01g (VII 度 或 01g 以上高地震危险区 , 一旦遭遇强烈地震 , 不仅危及工程本身的安全 , 且可能产生 极为严重的次生灾害和难以估量的间接经济损失 。 地震预警及场地烈度速报技术是国家防震减灾事业中的 一项

14、重要课题 56。 预警目标区的烈度估计是地震预警中重要的功能模块之一 7, 8。 场地地震动估计是场 地烈度评定一个重要环节 。 目前场地地震动估计主要通过地震动衰减关系 (GMPE 实现 , 而对于特定场地 或者重大工程场地的地震动计算采用数值方法 (等效线性化 、 非线性程序等 计算场地的地震反应 。 前者较 直接 、 快速 , 但是离散性及不确定性大 ; 后者精度高 , 但是工作量大且滞后性 , 不能满足预警之目的 。 另外 , 我 国采用的 GMPE 给出的是二类场地的地震动估计 , 且预测方程中仅考虑距离和震级的影响 , 对于局部场地 条件没有考虑 。PGA 是抗震设计规范中普遍使用

15、的参数 , 也是高铁预警中较常用的指标 。 探寻一种快速 、 可靠 、 有效地 估计场地 PGA 方法是地震预警及烈度速报技术中一项亟待解决的问题 。 解决这一问题 , 首先需要把握场地 PGA 与场地特征参数之间变化规律 , 而且场地特征参数在工程中容易获得 , 如场地剪切波速 、 覆盖层厚度等 工程中容易获得的宏观指标 。 建立场地特征参数与 PGA 放大系数之间的关联性 , 在地震速报中快速 、 及时 预测场地地震动强度 。场地对 PGA 的放大系数最直接的方法的就是采用实际单台强震记录 。 日本 Kik-net 强震台网拥有全球 最完备的地表和井下台站 , 安装有地表和进行三向强震仪

16、, 且实现数据资源共享 。 通过搜集整理日本 Kik-net 地表和井下台站记录 , 通过实际地震记录分析场地 PGA 放大系数的关联性 。1地震数据搜集及整理日本 KiK-net (KibanKyoshin network 台阵是由遍布日本的近 700个地震台站组成的强震台网 。 每个台 站都安装有地表和井下三分量高灵敏度加速度强震仪 。 本文选取日本信息完备的地震台站 , 选取台站自 1996年 3月 1日至 2016年 6月 1日地表和井下地震记录 9。 选取地震记录时考虑了以下因素 :(1 地表输出 PGA 大于 40Gal 。(2 井下输入 PGA 大于 3Gal 。(3 选取的台站

17、场地为土层场地 。本文主要研究场地 PGA 的放大系数 (F PGA 与场地特征参数之间的关联性 。 首先 , 定义场地 PGA 放大 系数 ,F PGA =PGA sPGA b(1 901地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 37卷式中 PGA s 和 PGA b分别为台站地表和井下记录的 PGA 值 。 Kik-net 每个台站安装分别安装有地表和井下 EW 、 NS 及竖向三向加速度记录仪 , 目前国际上在选用水平向地震动时往往通过 2个水平向分量进行几何平均获取 , 而更为先进的与观测方向无关的水平地震动参数计算方法10更多的优势体现在计算 PGV 上 , 故这里采用的 PGA 值为

18、 EW 向和 NS 向的 PGA 的几何平均值 , 即PGA =NS EW (2共计搜集 Kik-net 台站 239个 , 场地类别为 类 (建筑抗震设计规范 ,2010 11, 2890条地震记录 。 对于 类和 场地 , 由于场地个数及数据记录较少 , 以后会专门研究 , 本文对 类场地进行研究 。 Kik-net 台网提 供了台站的土层信息 , 包括土层波速剖面 (v s 和 v p 及土层土性概述 。 场地特征参数选取工程中常用且容易得到 , 即覆盖层厚度 D , 等效剪切波速 v se , 场地特征周期 T , v s30这 4个参数 。 其中覆盖层厚度 D 与等效剪切 波速按照

19、v se 根据我国 建筑抗震设计规范 (GB 50011-2010 规定计算得出 。 而场地特征周期则按照金井 清12给出的公式进行估算 ,T =ni =14h iv si(3其中 ,T 是场地特征周期 , h i 和 v s i 分别是第 i 土层厚度和等效剪切波速 , n 为计算的土层总数 。 v s30在美国及欧 洲抗震规范常用 , 即距地表 30m 范围内平均剪切波速 。 图 1给出选用的台站记录按照覆盖层厚度 D 、 等效 剪切波速 v se 、 场地特征周期T 以及 v s30统计柱状图 。 图 1搜集的 Kik-net 台站场地特征参数统计分布 Fig1Distribution

20、of characteristic parameters of the selected stations由图 1可以看出 , 场地覆盖层厚度主要集中在 40m 以内 , 也有一些巨厚场地 , 覆盖层厚度超过 100m ; 场地的特征周期主要集中在 10s 以内 , 有 17个场地的特征周期超过 10s ; v se 和 v s30的分布范围较宽 。 本文 选取的四个场地特征参数在工程中均容易得到 , 而且是结构设计中地震作用输入常用参数 。2参数相关性分析土层在强地震动作用下会表现出非线性 , 势必影响场地 PGA 的放大系数 4, 所以将数据根据场地地震动强度进行分组 。 参照 中国地震动

21、参数区划图 (GB 18306-2015 中地震动峰值加速度分区的标准 13, 按照地表 PGA 值将数据分为 6组 , 即 004g 009g 、009g 014g 、 014g 019g 、 019g 028g 、 028g 038g 和 038g 075g , 分别代表不同的地震动强度 。 进而每一分组内分别计算场地 PGA 放大 系数 F PGA , 其随着场地覆盖层厚度 D , 等效剪切波速 v se , 场地特征周期 T , v s30的散点图如图 2 图 7, 其中红线 表示采用简单的线性拟合数据 , 揭示 F PGA 随着特征参数的变化趋势 。 图 2 图 7所示不同地震动强度

22、下 , F PGA 与场地特征参数之间的关系 。 场地特征参数与 F PGA 的离散性较 大 , 但仍可看出 F PGA 随场地特征参数的变化趋势 , 即 F PGA 随着 D 与 T 的增大趋于减小 , 但随着 v s30的增大趋 于增大 。 值得注意的是 , F PGA 与 v se 的相关性很小 , 说明了我国现行规范中采用的场地等效剪切波速不适宜描 述场地 PGA 放大系数 。 而 v s30与 F PGA 的相关性较好 , 可以用作 F PGA 的表征参数 。 相关系数表示两个量相关程度的指标 , 定量化观测值与变量之间的线性关系 。 表 1列出 F PGA 与场地特征参数之间的相关

23、系数 。 由表可以看出 , F PGA 与 D 和 T 负相关 , 而与 v s30正相关 , v se 与 F PGA 的相关系数很小 , 可以忽略 。 另一方面 , 随着场地地震动强度的增大除了 v se 场地特征参数与 F PGA 的相关性趋于增大 。011 图 2地表 PGA 范围 004g 009g 时 F PGA 与场地特征参数的散点图Fig2Scattering of F PGA with respect to site characteristic parameters under surface PGA bin 004g 009g 图 3地表 PGA 范围 009g 014g

24、 时 F PGA 与场地特征参数的散点图Fig3Scattering of F PGA with respect to site characteristic parameters under surface PGA bin 009g 014g 图 4地表 PGA 范围 014g 019g 时 F PGA 与场地特征参数的散点图Fig4Scattering of F PGA with respect to site characteristic parameters under surface PGA bin 014g 019g 图 5地表 PGA 范围 019g 028g 时 F PGA 与

25、场地特征参数的散点图Fig5Scattering of F PGA with respect to site characteristic parameters under surface PGA bin 019g 038g 图 6地表 PGA 范围 028g 038g 时 F PGA 与场地特征参数的散点图Fig6Scattering of F PGA with respect to site characteristic parameters under surface PGA bin 028g 038g 图 7地表 PGA 范围 038g 075g 时 F PGA 与场地特征参数的散点图

26、Fig7Scattering of F PGA with respect to site characteristic parameters under surface PGA bin 038g 075g 表 1场地 PGA 放大系数 F PGA 与场地特征参数的相关系数Table 1The correlation coefficients of site characteristic parameters with F PGAPGA D v se T v s30004g 009g 0186000802080213009g 014g 0255003602760165014g 019g 0200

27、003202210245019g 028g 0328008603310260028g 038g 0632002906330465038g 075g05280005052403413场地地震动快速评估方法场地地震动的快速评估是地震预警及烈度速报技术中的关键环节 。 快速 、 有效 、 可靠地估计场地地震动关系到工程设施的安全 。 这里场地地震动估计一个重要特征就是 “ 快速有效 ”。 场地放大函数是链接输入 地震动和地表输出之间的纽带 。 通过前文分析 , 场地放大函数 F PGA 可通过场地参数与地震动强度参数描述 ,可以表述成这些参数的函数形式 , lg F (PGA =f D , v s3

28、0, T , I (n (4式中 :I n 为描述地震动强度参数指标 。 表 2不同参数指标组合下地表输出 PGA 判别标准 Table 2Criterion of characteristic parameter combination for assessing ground surface PGA基岩 PGA (gal D (m T (s v s30(m /s地表 PGA (Gal 464046 762550030400304025504076 1261190004040040401190040126 1673500403500360403604016740然而 , 若通过直接的方式建立

29、式 (4 的数学表达式 较困难 。 本文采用基于回归决策树 CAT(Classification And egressionTree 分类算法 14对地表输出 PGA 分组 进行参数分析 , 给出符合每一分组的场地特征参数范围 及输入地震动范围 。 日本地震预警中采用 40Gal 作为预警的阈值 7, 所以本文将搜集的数据按照地表记录 PGA 为 40Gal 作为分组标准 , 即分为大于 40Gal 和小于 40Gal 两组 。 基岩输入 PGA 作为输入地震动强度指标 ,而 D 、T 和 v s30为场地特征参数指标 。 本文处理 239个台站的实测记录中 , 当基岩输入 PGA 小于 3G

30、al 时 , 地表输出 PGA 无超过 40Gal 的记 录 , 故而按照上述标准 , 对本文所用场地中所有基岩输入 大于 3Gal 的 7428条作为数据样本 , 其中地表 PGA 大 于 40Gal 的 2408条 , 小于 40Gal 的 5020条 。 这里的 7428条地震记录选择是以输入 PGA 大于 3Gal 为标准 , 而前文进行参数相关性分析时采用的 2890条记录则是 以地表 PGA 大于 40Gal 且输入 PGA 大于 3Gal 为依据 ,选取的标准不同 。 通过 CAT算法给出地表 PGA 分组的不同特征参数的分类组合 , 结果见表 2。第1 期 吴晓阳， 等： 场地

31、 PGA 放大系数与场地特征参数相关性及地震动快速评估方法研究 113 表 2 显示地表 PGA 分组工况下各参数指标的组合判别标准。 例如， 当输入 PGA 为 7 6 Gal 12 6 Gal 时， 场地覆盖层厚度大于 119 m， 地表 PGA 大于 40 Gal； 当场地覆盖层厚度小于 119 m， 分为两种工况， 特征 周期小于 0 4 s 时， 地表 PGA 大于 40 Gal， 而场地特征周期大于 0 4 s 时， 地表 PGA 小于 40 Gal。从地震场地 地震动预警的角度而言， 可以通过表 2 给出的场地特征参数组合标准， 给定输入地震动强度， 快速预测地表 PGA 范围， 然后决策预警与否。 按照表 2 给出的标准， 对选择的 7 428 条实际记 录进行回判。表 3 给出回判结果， 回判的总体成功率 为 90 09% ， 但是出现了 5 61% 的漏判和 4 29