中国地震安全性评价中天然强震记录选取

中国地震安全性评价中天然强震记录选取

张兆南王明月张洋

辽宁省东煤地质物探测量队有限责任公司辽宁沈阳110001

摘要：为解决目前中国地震安全性评价中天然强震记录选取的问题，基于条件均值目标谱的概念，从中国地震安全性评价的已有结果出发，同时考虑震级、距离和地震动离散性，对危险性分析结果进行设定地震解耦，构建了反映结构特征和地震动特征的条件均值目标谱，为天然强震记录的选取提供匹配依据。安全性评价实例的强震记录结果表明，本文建议方法在保证选取物理意义与设定地震相符的前提下较好兼顾了全周期段的谱形匹配，均值偏差和离散性水平均较低。最后给出适用于中国地震安全性评价工作的天然强震记录选取建议流程，所得结果可为结构时程分析与抗震验算提供参考。

关键词：安全性评价；天然强震记录；设定地震；条件均值谱；强震记录选取

引言

地震安全性评价是根据建设工程场址周围地震环境调查、地质条件勘测的结果，综合评价和分析计算，最终按照工程类型、性质、重要性，科学合理地给出符合工程抗震设防要求的相应地震动参数。中国相关标准规定对于重大建设工程，必须进行地震安全性评价，并根据该结果指导抗震设防。目前中国地震安全性评价工作一般以基于一致概率谱（UHS）的人造地震动作为基岩面输入，采用一维土层等效线性化方法得到考虑场地反应的地面人造地震动。

1设定地震解耦

设定地震是条件均值目标谱构建以及强震记录选取的基础。中国安全性评价工作给出的设定地震信息仅包含震级和震中距两个参数，主要用于标定人造地震动包络函数。实际观测得到的强震记录表明，即使同一震级，同一震中距下的地震动记录，其反应谱值都可能相差甚巨，这种地震动自身的离散性会直接影响后面强震记录选取和结构响应分析的结果。McGuire于1995年最先提出了依据概率地震危险性分析（PSHA）结果解耦设定地震的思路，在这一过程中引入了地震动离散性参数。所谓解耦，就是从危险性分析的结果出发，反推出同时满足地震活动性，潜源分布空间相容性的地震参数组合的贡献比例。这种解耦的思路和结果已广泛应用于国外工程实践，是其工程强震记录选取的重要初选依据。

美国抗震设计规范（ASCE/SEI－7）中已经明确要求时程分析所选用的地震记录应以该解耦结果得到的最可信地震（MCE）为基础，欧洲抗震规范（Europe－8）、新西兰抗震规范（NZS）等同样规定在强震记录选取时应以该设定地震条件为初步筛选条件。

1.1标准差系数ε

标准差系数ε定义为某设定地震下反应谱目标值与地震动衰减关系均值之间的差值，用标准差的倍数度量，通常用来表征地震动离散性。

lnSa（T）=μlnSa（T）（M，Ｒ）+ε·σlnSa（T）.

（1）式中：（M，Ｒ）为设定地震的震级－震中距组合，lnSa（T）为周期点T处的目标反应谱值，μlnSa（T）和σlnSa（T）为地震动衰减关系在设定地震下的周期点T的均值和标准差。Baker等认为，标准差系数ε反映了目标谱值与衰减关系中值在周期点T的差别程度，对地震记录的反应谱形状具有重要影响。若ε为正，表明目标周期处的目标值要大于衰减关系中值，而其他周期点处的反应谱值则要趋近于衰减关系中值，于是在周期点T形成一个“波峰”；反之，对于ε为负的反应谱，会在T处形成“波谷”。

1.2基于PSHA结果解耦思路

依据待建结构特征和危险性分析得到的一致概率谱，确定对应的地震动强度参数（IM，intensitymeasurement）目标值IMtarget，一般选取目标结构自振周期T1处的一致概率谱值。该目标值的超越概率为P

（IM≥IMtarget）=∑ni=1vifM（m）fＲ（r）fε（ε）·P（IM≥IMtarget|m，r，ε）dmdrdε.

（2）式中：n为主要贡献潜源的个数；vi为第i个潜在震源区的地震年平均发生率，取决于该潜源所在的地震带；fM（m）、fＲ（r）和fε（ε）分别为震级、震中距和标准差系数的概率密度函数。

1.3工程实例分析

通过一个工程场地安全性评价实例说明设定地震解耦的过程（数据来源《港清三线输气管道工程地震安全性评价报告》）。涉及的潜源所属地震带均为华北平原地震带，地震活动参数a值为3.79，b值为0.83；地震动衰减关系采用在中国地震安全性评价工程中广泛使用的霍俊荣（1989）衰减关系。主要4个潜源对应的震级上限以及空间分布函数列，安全性评价中通过概率危险性分析得到的50a超越概率2%、10%的一致概率谱。

依据主要潜源的震级上下限和空间范围，确定震级分档范围为［4.5～8］，以0.5为分档间隔，每档震级的中值作为该档震级的代表值；震中距r范围为［1～100km］，以5km作为分档间隔；标准差系数ε区间为［－3～3］。假设待建目标结构的自振周期为1.0s，以加速度谱值Sa（T=1。0s）为目标值进行设定地震解耦。依据式（2）～（5）计算各个潜源下各个可能设定地震事件的贡献比例。将各个潜源的计算结果进行综合叠加后，得到设定地震事件（M－Ｒ－ε）。用不同位置带颜色的三维柱状图表示设定地震组合，x轴代表震级，y轴代表震中距，柱高度代表该事件对目标值的贡献比例，标准差系数用颜色表示，柱高为0表明该事件对目标值没有贡献。各工况下的主要贡献地震集中在M=5.75～6.25，Ｒ=15～35km的区域内，对应的是36号和29号潜源；30号潜源虽然距目标场地较近，但由于震级上限仅为6.0，对解耦目标并没有显著贡献，不同解耦目标下的结果差异主要体现在标准差系数上。

在求解出各可能地震事件的贡献比例后，设定地震的设定思路有两种：最大贡献地震和平均影响地震。最大贡献地震定义为贡献比例最大的（M－Ｒ－ε）组合；平均影响地震则是将每个可能的设定地震组合按照贡献比例进行加权平均得到的结果。最大贡献地震和平均影响地震均为危险性分析解耦的重要产出。通常当近、远场同时出现高贡献比例的设定地震组合时，应当给出不同区域对应的最

大贡献地震作为设定地震。而本文的主要贡献地震事件所在区域相对较为集中，为全面考虑整个潜源区内所有微元对场地的影响特征，宜采用平均影响地震作为设定地震。

不同超越概率的最大贡献地震与平均影响地震结果，震级、震中距结果很接近，差异主要集中在标准差系数上，这从另一个角度说明了仅靠震级和震中距并不足以完全描述设定地震，衰减关系离散性对结果的影响不可忽视。

2结论

1）基于中国地震安全性评价PSHA的结果实现了同时考虑震级、震中距、标准差系数的地震信息解耦，将各主要潜源离散化得到各个可能的设定地震（M－Ｒ－ε）组合对目标值的贡献，得到最大贡献地震和平均影响地震，为构建目标谱和选取强震记录提供考虑结构特性与离散性的设定地震信息。

2）在中国安全性评价解耦结果的基础上，构建了目前在国外已得到广泛认可和应用的条件均值谱。依据该目标谱选取得到的强震记录结果在地震信息、均值和离散性上均较理想。

3）在中国地震安全性评价现有工作基础上，作为对人造地震动时程的补充，提出了一套具有操作性的天然强震记录选取流程，可与中国现有安全性评价工作较好衔接。

参考文献：

［1］李小军。工程场地地震安全性评价工作及相关技术问题［J］。震灾防御技术，2006，1（1）：15－24。

［2］李琳。强震动记录选取中目标谱的研究及应用［D］。哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2015。