前言

地震是危害人类生命财产安全最严重的突发性自然灾害之一。我国是一个多地震国家,地震分布广、频度大、强度高,很多重大工程如核电站、大坝、海底隧道、大跨度桥梁等将不可避免地建于高地震烈度区。这种“难以避让”的抗震安全问题凸显了防止地震灾变、确保工程抗震安全的战略重要性[1]。随着人类社会的发展和人们生活的高度城市化,地震必将对人们生命和生活设施及工业生产体系带来愈来愈严重的威胁。近10年来的几次大地震,造成的城市基础设施破坏、人员伤亡和财产损失令人触目惊心。如何确保重大工程的抗震安全,防止严重地震灾变的发生,是2008年我国“5·12”汶川大地震和2011年日本“3·11”大地震带给我们的新思考,也是我国重大工程建设中必须面对的严峻挑战。

为防止严重地震灾变的发生,重大工程抗震性能的研究引起了社会和工程界的重视。深入分析地震造成工程结构严重破坏的原因,改进和完善现有的抗震设计理念和方法,提高工程结构的抗震能力,减少未来地震引起的震害损失,是目前各国学者和工程师共同努力的方向[2]。减轻地震灾害的有效途径是进行抗震设防。结构抗震设防的首要任务是确定输入地震动参数,合理的地震动输入是保证设计结果可靠和经济的必要条件[3]。当前重大工程结构的抗震分析主要采用反应谱法和时程输入法。在以反应谱为参数的抗震设计理论中,仅考虑了地震动幅值和频谱对结构地震反应的影响,对结构尤其是非线性结构地震响应有明显影响的地震动持时没有得到应有的体现;事实上,目前大多数国家和地区的抗震规范均未将对结构非线性响应有显著影响的持时作为一项设计参数,在结构反应分析中没有得到应有的重视。反应谱法是基于各输入点具有相同地震动的假定基础之上的,没有考虑地震动空间变化性的影响。地震波传播过程中受行波效应、相干效应、衰减效应及局部场地效应等的影响,使得实际的地震动存在明显的空间变化性,且这种空间变化性的存在早已被强震记录资料所证实[4],早在20世纪50年代地震动的时、空变化性就引起了人们的注意[5],其对大跨度结构地震响应的显著影响也已被结构计算结果所证实[6]。但在以往的抗震设计研究中,地震动空间变化性考虑较少。在现行的抗震规范中,除欧洲规范考虑了地震动的空间变化性外,其余规范都还是采用均匀输入方式。尽管有研究者[7]设法在反应谱法中考虑各点地震动的差异性,但由于在反应谱组合问题中存在不少问题,现仍难于在工程中得到应用。

仅将峰值加速度和反应谱作为输入参数不能全面反映地震动的特性,重大工程还要求采用时程输入法来了解结构在地震作用下的动力反应的全过程,目前用于输入的加速度时程主要采用拟合目标反应谱的人工合成方法得到,常用的拟合目标反应谱的人造地震动方法只通过强度包线函数部分考虑了地震动时程的强度非平稳性,地震动时程的频率非平稳性还没有得到很好的解决。而实际工程场地上所遭遇到的地震动是从震源经由不同途径到达场点的,地震波在传播途径中的消散,以及纵波、横波及面波到达的时差,使得地震动不仅强度表现出明显的非平稳性,其频率成分也是非平稳的;而且大量研究结果表明,地震动频率非平稳对线性和非线性结构响应均有显著影响[8]。

我国国家质量技术监督局2001年颁布的GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》[9]中采用了有效峰值加速度(EPA),而我国重大工程场地地震危险性分析所依据的国家标准GB 17741—1999《工程场地地震安全性评价技术规范》[10]采用的仍是基岩表面的最大峰值加速度(PGA),而且许多现行的行业抗震设计规范中规定的加速度峰值也为PGA,显然,在地震加速度峰值参数的选取方面目前国内规范存在不相衔接的问题。

重大工程场地的地震动输入参数须经专门的地震危险性分析来确定,目前由综合概率法推求的一致概率反应谱综合了研究区内所有潜源的综合贡献,具有“包络”特征,不是地震环境下的真实样本实现,与实际地震反应谱相比,它过高地估计了设计地震动的中长周期成分,难于被工程界接受[11]。为了得到与场地相关、具体地震的设计反应谱,地震工程界提出了设定地震方法,但现有的设定地震方法是以加速度峰值或某一周期点的反应谱为参数,没有考虑地震动持时对设定地震的影响,不能保证设定地震与地震构造环境的危险一致性。

本书在国家自然科学基金课题“大型泄水建筑物地震动输入机制研究”(编号51069010)和“考虑断层各分段间相互作用的近场强地震动模拟方法研究”(编号51468045)、水利部重大公益专项“中国重要大坝强震监测与地震动输入机制研究”(编号2002DIA10002)和“水工程强震监测与健康动力诊断技术研究”(编号201401009)以及南昌航空大学博士启动金项目“重大工程设定地震研究”(编号EA200711090)等的资助下,主要探讨了重大工程场地地震动输入参数确定中涉及的地震加速度峰值特性、时频谱的衰减特性、地震动空间变化性以及综合考虑地震动三要素影响的设定地震方法和工程场地非平稳加速度时程合成方法等内容。本书共7章,第1章以美国西部基岩和我国台湾SMART-1台阵土层强震记录资料为基础,通过对加速度反应放大系数谱的研究来确定基岩和土层的水平和竖向分量有效峰值加速度(EPA)的计算式;对最大峰值加速度(PGA)与有效峰值加速度(EPA)的相关性、比例关系及主要影响因素进行了分析,探求了PGA与EPA间的内在联系以及统计规律;给出了PGA、EPA随震级、震中距变化的衰减模型。第2章从工程实用出发,以美国西部基岩强震记录资料为基础,通过分析震级和震中距对时变功率谱模型参数及能量等效速度谱的影响规律,建立时变功率谱模型参数及能量等效速度谱随震级和震中距变化的衰减模型。第3～4章以SMART-1密集台阵的强震记录为基础,采用随机振动理论和多元统计回归方法,通过分析局部场地空间位置变化对地震动参数的影响,来建立峰值加速度(PGA和EPA)、强度包线模型参数、平稳功率谱模型参数及时变功率谱模型参数等随空间位置坐标变化的随机预测模型;通过相干性分析来探讨地震动的空间相干特性。第5～7章以概率地震危险性分析为基础,进行基于有效峰值加速度(EPA)和能量等效速度谱的设定地震方法及多点输入非平稳加速度时程合成方法的探讨。分别以克孜尔坝址、沙牌坝址和武都坝址为例,进行地震危险性分析和设定地震研究,给出坝址地震动输入参数值,并通过与现有方法的对比分析论证所提方法的合理性,以及采用设定地震方法来确定工程场地输入地震动参数的必要性。

在本书即将出版之际,谨向10多年来不断给予指导和帮助的胡晓教授级高工、吴胜兴教授、邢义川教授级高工、屈铁军教授和易立新教授等致以由衷的谢忱。向不断给予我关心、支持和帮助的南昌航空大学土木建筑学院的领导、同事们表示感谢。感谢国家自然科学基金委员会、水利部及南昌航空大学对相关项目的资助和支持,感谢国家强震台网中心提供的5·12汶川地震记录资料、中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心提供的美国西部基岩强震记录和中国台湾SMART-1密集台阵记录资料。

由于作者水平有限,书中难免存在不妥之处,敬请读者批评指正。

钟菊芳

2015年10月