第1章　地震加速度峰值特性分析

1.1　概述

地震动(也称地面运动)是地震时由震源释放的地震波引起的地表附近土层的振动[12]。工程师们通过对工程场地的地震动特性的了解来达到有针对性的工程抗震设防。在静力设计理论阶段,考虑的地震动参数仅为地震动幅值。幅值是对地震动过程最大强度的直接定义,可以为加速度、速度或位移等物理量中任何一种的峰值、最大值或某种意义下的等代值[13],提出最早、研究最多且使用最广的是峰值加速度、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义。

最大峰值加速度(PGA)通常指加速度时程的最大值,常由地震动的高频成分所决定。当考查地震动时程与结构响应之间的关系时不难发现,极高频地震动对结构物反应并无重要影响[11-12,14-16],因为:①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。②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。③结构物大片刚性基础会滤掉极高频的振动。从结构抗震的观点来看,只有对结构反应有明显影响的量才是重要的量,因此认为由脉冲高频尖峰所决定的最大峰值加速度(PGA)并不是反映地震作用的理想抗震设计参数,工程界在乐于接受简单直观的最大峰值加速度(PGA)的同时也接受了各种具有等效意义的加速度幅值定义,如等反应谱有效加速度(a0)[17]、概率有效峰值[18,19]、持续加速度(az)[20,21]、等效简谐振幅[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关键是如何合理地定义或计算有效(或等效)峰值加速度。1978年美国应用技术委员会ATC-3结构抗震设计样本规范中采用了有效峰值加速度(EPA),将基岩水平向的EPA定义为EPA=(0.1-0.5)/2.5,式中(0.1-0.5)为0.05阻尼比的加速度反应谱在0.1～0.5s周期范围内的平均谱值,2.5为这个周期范围内的平均动力放大系数。20世纪90年代末,美国地质调查局(U.S.Geological Suever,Menlo Park,简写USGS)颁布的全国地震危害区划图[24]中,又将基岩场地水平向的EPA定义为EPA=(0.2)/2.5,其中(0.2)为0.05阻尼比的加速度反应谱对应0.2s周期点的谱值。我国2001年国家质量技术监督局颁布的国家标准GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》[9]中也采用了有效峰值加速度这一物理量,它将水平有效峰值加速度(EPA)定义为:与0.05阻尼比加速度反应谱最大值对应的水平加速度。陈厚群院士等通过对不同震级和震中距的基岩水平强震记录统计分析认为:基岩场地水平向的EPA按EPA=(0.2)/2.5定义较为合理[11]。地震加速度峰值是抗震设计中的一项重要参数,其取值的高低直接影响抗震设防的标准和基本建设投资。本章针对目前国际上建议用有效峰值加速度EPA代替最大峰值加速度PGA但EPA无统一定义式以及国内规范在PGA与EPA的采用方面存在不相协调的现状,以美国西部基岩和中国台湾SMART-1台阵土层强震记录资料为基础,主要就记录EPA的计算方法、PGA与EPA两者间的统计特性和衰减特性以及PGA与EPA比例关系的影响因素等问题进行探讨,以得到水平和竖向记录EPA的合理计算方法以及PGA和EPA衰减关系式,并论证用EPA取代PGA的可行性和两者间的相互转换关系,便于工程设计人员合理选用PGA、EPA及与现行规范的配套使用。