文章编号　100426410(2005)0320047204场地卓越周期的讨论与场地建筑的共振现象刘俊杰1,王家全2(11柳州市宏基工程建设监理有限责任公司,广西柳州　545001;21广西大学土木工程学院,广西南宁　530004)摘　要:阐述了场地卓越周期测定方法和理论计算方法,并论述了卓越周期在抗震工程中的作用,结合工程实例,分析了场地卓越周期与场地建筑物共振现象的内在联系。

关　键　词:场地;卓越周期;共振中图分类号:TU 4 文献标识码:A收稿日期:2005206212基金资助:广西自然科学基金资助项目、批准号:桂科自0447001,200422007资助。

作者简介:刘俊杰(19712),男,广西柳州人,柳州市宏基工程建设监理有限公司助理工程师。

表1　根据卓越周期划分场地类别场地卓越周期(Tg s )场地类别<011 011～014 014～018 >0180　引言 场地卓越周期是当地震波在土层中传播时,经过不同性质的界面多次反射,将出现很多不同周期的地震波。

若某一周期的地震波与地表土层固有周期相近时,由于共振作用,这一周期的地震波振幅即得到放大。

此周期称为场地的卓越周期[1,5]。

换言之,由于共振效应,地表土层对不同周期的地震波具有选择放大作用,即对那种接近地表土层固有周期的地震波的能量和振幅都得到放大,而使得地震记录上的这一周期的波显得非常“卓越”,此称卓越周期。

其值一般为0105s ～2s 左右。

地震灾害调查结果表明:如果场地卓越周期与建筑物自振周期接近或一致,在发生地震时,地基土与构筑物将产生共振作用,使振动幅值变大,导致建筑物的严重损坏。

我国正处于地震活动最频繁的时期,如果发生地震,将给国家和人民财产带来巨大损失,因此,建筑抗震设计是地震区必须考虑的问题。

为了准确估计和防止此类灾害的发生,在进行建筑物抗震结构设计时应尽量使拟建建筑物的自振周期避开场地的卓越周期。

同时应用卓越周期也可进行场地类别的划分。

表1为《地震区工程选址手册》中规定在做抗震设计时,可应用卓越周期判别场地类别[2]。

1　场地卓越周期 卓越周期的计算方法一般有:111　通过频谱分析确定地震动卓越周期 通常采用功谱率分析法。

设时间域函数为X (t ),则将它变换到频率域的傅立叶积分为:X (Ξ)=12Π∫T 2-T 2X (t )e -i Ξt d t 式中,Ξ为角频率,Ξ=2Πf ,f 为频率。

具体做法是:将记录时间分成若干段,对各个时间段分别进行傅氏积分。

功率谱P (Ξ)用X (Ξ)和它的公轭复数X (Ξ3)表示,则P (Ξ)=X (Ξ)・X (Ξ3),平均功率谱用各个时间段波形的功率谱P n (Ξ)算术平均值表示,即:P θ(Ξ)=∑N n =1P n (Ξ)N第16卷　第3期 广西工学院学报 V o l 116　N o 132005年9月　JOU RNAL O F GUAN GX IUN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY Sep t 12005图1　地微振与地震动的频率-周期曲线之比较 式中,N 为所取时间段的个数。

在谱线上选出峰值点,读取所对应的频率f ,这个值就是所求的卓越频率,并以此算出相应的卓越周期。

同时记下卓越频率所对应的功率谱值。

112　常时微动法(直接测定法) 很多强震观测与常时微动观测所得频谱特性证明:地震的卓越周期与常时微动的卓越周期有很好的对应关系。

在地微动研究方面,很多学者作出了贡献。

场地微振是由包括自然震源和人工震源的共同影响下场地土的振动反应,是一种平稳的随机振动。

地基土的固有周期一般为0110s ～410s ,其中周期为011s ～110s 的地基土是工程勘察和建筑抗震设计研究的重点。

研究表明,地微振测定的场地卓越周期与地震动的特性(地震动的频谱)大体相同,如图1所示[3]。

因此,只要根据地微振测定的卓越周期,就可确定地震时地基土的振动特性。

测量装置为高灵敏度的地震仪器系统,其中包括检波器和带有放大器、滤波器、记录器以及波形显示器的地震仪(数据采集主机)等[4]。

地微振测定宜选在夜深人静的晚上进行,记录时间应连续观测四分钟以上,以保证采集到的微振信号是平稳的随机信号。

通过测量系统对地面常时微动的观测或数据采集后,所取得的地震数据记录,可进行频率域、幅值域分析。

对实测信号进行室内傅里叶分析,确定场地卓越周期;对实测信号进行概率密度谱分析,得到幅值分布规律。

有时为了简单起见,也可通过微动记录的周期——频度曲线来确定场地卓越周期。

113　场地分层剪切波速法(近似法) 该方法又可分为:(1)加权平均波速法;(2)子层周期求和法;(3)瑞利波法;(4)传递函数法;(5)机械阻抗法;(6)动剪应变修正法等,这些方法在参数选取方面都少不了V s (剪切波速),因此统称为波速法。

由此可见,推定场地卓越周期的方法很多,但由于使用繁琐或应用范围的限制,使得实际工程设计中大多采用简化的计算方法,如加权平均波速法和子层周期求和法[5]。

有关资料的统计计算结果表明:加权平均波速法推算的场地卓越周期一般比真值小20%左右,而子层周期求和法推算的结果则偏大,约比真值大20%左右。

尽管这两种简单易行的推定方法的计算结果都与场地卓越周期真值存在一定的误差,但研究发现,当建筑场地地层不存在软弱夹层时,对于工业与民用建筑来说,其推算结果的精度已经足够了。

这也是我国应用此法计算场地卓越周期较广的原因之一。

一般,加权平均波速法的计算公式为: T G 1=4H V s(1) 子层周期求和法的计算公式为: T G 2=∑n i =14h i V si (2) 式中　T G 1、T G 2——场地卓越周期s ;V si —第i 层土的剪切波速m s ;h i —第i 层的土层厚度m ;n —为土层数;H =∑n i =1h i ;V s =1H ∑n i =1V si h i . 那么深度H 应选取多少,一般规定应计算到基岩面。

当基岩面埋藏很深时(如天津沿海地区),应如何考虑,有关资料曾做规定,如《工程地质手册》(第三版)规定为30～50m 即可,而《岩土工程手册》则规定为50～100m [6,7]。

经研究认为计算深度应为场地覆盖层总厚度,即达V si >500m s 坚硬岩土层顶面。

虽然卓越周期主要受场地浅部岩土的影响,但计算深度的不同(相差数10m 甚至更大)所引起的误差是不容忽视的。

综上所述,确定场地卓越周期T 的方法及分类为:第一,当场地内有强震记录时,通过频谱分析确定地震动卓越周期,这里称之为记录卓越周期,以T r 表示。

第二,由常时微动测试分析确定,称为测试卓越周期,以T m 表示。

第三,根据场地分层剪切波速测试计算,称为波速卓越周期,以T V 表示。

一般认为:T r 是真实反应地震动的卓越周期,即工程抗震所需的场地卓越周期真值;T m 是接近场地固有周期的卓越周期;T V 是与场地固有周期相比有一定误差(有时相当大)的卓越周期。

因此,当工程场地范围84广西工学院学报 第16卷　表2　酒店楼房自振频率和扰动频率(H z )方向一阶自振频率扰动频率阻尼比(%)纵向117111673124横向114011372187内有适宜的强震记录时,抗震设计应首先选用T r ,其次可选用T m ,尽量避免选用T v (除非地基土层基本满足均匀平行的条件)。

由于适宜的强震记录不易获得,且因地层结构及局部地形地貌的改变有较大的变化,所以工程应用中多由常时微动测试分析确定卓越周期。

2　实例分析[8] 任何工程建筑物都建设在特定的场地和基础上,地形地貌、地质构造、活动断裂、岩土类型及物理性质、水文地质条件等建筑场地条件的好坏不仅关系到建筑物的安全,也关系到建筑物遭受地震破坏的程度。

地震区常发现同一小区域结构类型、建筑质量和抗震能力基本相同的建筑物,由于场地条件不同所受到的震害往往有较大的差异。

某酒店地处沿海经济开发区城镇中心区。

酒店建筑为现浇钢筋混凝土十六层框架一剪力墙结构,总建筑面积约16000m 2,建筑物总高51127m ,基础形式为桩基。

该酒店于2001年初开始投入使用,从2002年8月初开始,居住在酒店的客人和酒店工作人员反映建筑物晃动,晃动昼夜存在,以夜间纵向晃动感觉明显,可明显看到桌面、地面及窗台上摆放的物体摆动,尤其是顶层会议室的几盏吊灯呈旋转状摆动,摆动幅度约2c m 。

酒店被迫于8月下旬全面停业,造成很大的经济损失和社会影响。

对大楼的自振频率进行了观测,结果见表2。

为了查找和确认引起酒店楼层振动的振源,在距酒店建筑物基础约50m 的空旷场地和酒店不同楼层同时放置了微震观测设备,实测建筑物场地和楼层的振动。

其中一家与酒店建筑物的直线距离约800m 扰力方向与酒店纵向相同(以下简称A 石材厂),当其锯切机停止工作后,酒店楼房纵向同时停止晃动。

在石材厂锯切机混凝土基础外缘10c m 处,沿锯切机运动方向测试表明,地面加速度波近似为规则波,频谱分析峰值单一,频率为1167H z ,与酒店建筑物场地及楼层频率完全一致,加速度幅值为1115gal ,振动量级为8112db 。

酒店大楼有振动感的主要原因是,石材厂作水平直线运动的石材锯切机在加工过程中产生的扰力经锯切机混凝土基础传到基础的周边土层,经土层传播一定距离后再传到酒店主楼结构基础,由于扰力频率为1167H z ,与酒店结构纵向一阶自振频率1171H z 十分靠近,扰力的周期与酒店建筑物场地及楼层卓越周期基本相同,建筑物很容易与地基土体产生共振,且振幅迅速增大,从而造成酒店大楼建筑物有感晃动。

由此可见,地基土体和建筑物的动力特性是建筑物发生共振破坏的决定因素。

场地卓越周期的改变,将直接影响到地基与建筑物的共振情况,从而决定地震灾害剧烈程度的不同。

3　结语 (1)当震源机制、震级大小、震中距远近等相同时,场地固有周期T 0应为一确定值。

场地卓越周期T 和特征周期T g 都是对T 0的预测。

(2)按确定卓越周期T 的方法可将其分为记录卓越周期T r 、测试卓越周期T m 和波速卓越周期T v .T r 是真实反应场地地震动的卓越周期,T m 是接近T 0的卓越周期,T v 是与T 0相比有一定误差(有时相当大)的卓越周期。

通常应由常时微动测试分析确定卓越周期 (3)应用剪切波速评价地基土特性(如粉土液化、动力参数等)的同时,对场地土的卓越周期进行估算(建议使用加权平均波速法和子层周期求和法的平均值),为工程建设场地的类别划分,防止此类震害的发生等,提供可靠的设计依据。

(4)确定场地土“卓越周期”的剪切波速测试深度,主要与基础影响深度及岩土的工程地质条件有关,为使建筑物的自振周期避开场地的固有周期,应依据实际情况确定测试深度,为工程设计施工提供必要的参数,达到多快好省地进行工程建设。