场地卓越周期
结构基本周期
结构基本周期
结构基本周期、结构⾃振周期与设计特征周期、场地卓越周期之间的区别和联系。
⾃振周期是结构按某⼀振型完成⼀次⾃由振动所需的时
计特征周期是在抗震设计⽤的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值；场地卓越周期是根据覆盖层厚度H和⼟层剪切波速VS按公式T0=4H/VS计算的周期，表⽰场地⼟最主要的振动特性。
结构在地震作⽤下的反应与建筑物的动⼒特性密切相关，建筑物的⾃振周期是主要的动⼒特征，与结
周期相等或接近时，建筑物的震害较为严重。
基本周期应该取决于建筑物的结构形式，各种结构形式都是定数。
结构⾃振周期是结构在⽔平作⽤下的震动周期，是变数。
结构在地震作⽤下的反应与建筑物的动⼒特性密切相关，建筑物的⾃振周期是主要的动⼒特征，与结构的质量和刚度相关。
经验表明，当建筑物的⾃振周期与场地的卓越周期相等或接近时，建筑物的震害较为严重。
结构的基本周期可采⽤结构⼒学⽅法计算，对于⽐较规则的结构，也可以采⽤近似⽅法计算：
框架结构 T=（）N
框剪结构、框筒结构 T=（）N
剪⼒墙结构、筒中筒结构 T=（）N
其中N为结构层数。
也可采⽤结构分析得到的结构第1平动周期。
场地卓越周期与结构基本周期关系研究
图 1 3 类框架结构模型示意图 ( H/ B = 2)
表 1 3 类模型动力特性参数
分 类
类型 1 类型 2 类型 3
截面属性
梁
柱
截面 1
截面 1
截面 1
截面 1
截面 1
截面 2
H/ B = 2 2. 772 7 10. 728 2 3. 752 6
H/ B = 3 1. 758 3 6. 061 2 2. 007 2
xs =
C21 + C22 = mω
Fθ (1 - ζ2) [ (ω2 - θ2) 2 + 4ζ2ω2θ2 ]
(8)
xw =
A
2 1
+
B
2 2
=
m
F
(ω2 - θ2) 2 + 4ζ2ω2θ2
(9)
令
φ(ω) = ω2 [ (ω2 - θ2) 2 + 4ζ2ω2θ2 ]
(10)
则 xs =
m
Fθ
∝
(1 - ζ2) φ(ω)
m ¨x +
·
cx +
kx
=
Fsinθt
(4)
式 (4) 的特解为 x = A sinθt + B cosθt ,代入 (4) ,有 :
A
=
m[
(ω2
F (ω2 - θ2) 2
θ2) + 4ζ2ω2θ2 ]
B
=
- 2ζωθF m [ (ω2 - θ2) 2 + 4ζ2ω2θ2 ]
(5)
其中 ,ω=
由前文理论推导得知 ,瞬态振动地震响应的极小值发生在共振之前 ,另外目前常见的建筑结构以及今后 更多出现的高柔结构使得结构自振周期长于场地的特征周期 ,故 r =θ/ ω > 1 。在每组数值试验中 , 令 r 在 1. 0～3. 0 中插值 ,形成 13 种地震载荷频率 ,即 13 种工况 。首先比较得出同种工况下在 5 s 内结构顶点位移 绝对值的最大值 ,然后考查不同工况作用下的位移最小值 , 从而确定最优工况 , 也就是结构与场地周期的最
场地卓越周期的讨论与场地建筑的共振现象
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。
场地卓越周期的测定及其在建筑抗震设计中的应用
的随机振动。 地基土的固有周期一般为 Ｏ ０ ． ， ． ｓ Ｏ 其中周期为 Ｏ１ 一１ ｓ １ ４ ｓ ． ｓ ． 的地基土是工程 ０
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 ｌ 所示 。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 。
泥 ；④粉土 ；⑤圆砾 。
波 速测 试结 果 表 明 ，该 场 地属 中软场 地 土类 型 ，地 微振 测定 的时域 速度 曲线 、频 域 功
率谱 曲线见图 ３ ，其卓越周期为 ０ ７ｓ ． ４。因此 ， ４ 在进行建筑抗震设计时 ， 拟建建筑物的 自 振
周期 应避 免 与场地卓 越 周期一 致 或接 近 ，以免产 生共 振 ，导 致建筑 物 的严 重破 坏 。
微振 。
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
作 者简介 ：郑柱 坚 （ ９ １ １６ 一）男，广西容县人 ，１８ ９２年毕业 于桂林 冶金 地质学院地球物 理勘探 专业 ，高级
工程 师，主要从 事工程 质量检测工作 。
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３ ６ａ，相对标准差为 ０ ，相应的加速度为 １２ａ。因此 ，该地震波的振动幅值分布以 ２ｇｌ ．１ ３４ ０ ｇｌ
小 于 １２ａ 为主 ，约 占 ７ ．％ ，大振 幅 的波分 布很 少 。 ０ｇｌ ５６
２ ６ ４． ｊ
（ ｔ ）
４０ ０
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Ｌ． ． ． ． ． ． ． ．
笔 者在 文献 ［］ｕ ３ｑ介绍 了实 测 剪切 波 速 与场 地卓 越 周期 的关 系 ，并 通 过实 测卓 越 周期 与 由剪 切波 速 计算 的卓越 周期 的工 程对 比 ，说 明场 地卓 越 周期 实 际 上定 性反 映 了场 地覆 盖层
场地卓越周期和特征周期
场地卓越周期和特征周期是两个不同的概念它们的区别在于：1)研究途径不同．卓越周期是通过场地地震动记录的分析得到，而特征周期是通过场地地面运动反应谱的分析得到．2)研究意义或用途不尽相同．除了可用于土层动力反应分析的研究外，场地卓越周期还可以防止特殊的地震效应发生，避免拟建建筑物自振周期与场地脉动卓越周期一致或接近，在地震发生时，地基与建筑物产生共振或类共振；对某一特定场址，特征周期可以根据实测强震记录计算，并综合场地安全性评价的结果确定该场址的设计特征周期用于抗震设计．3)两者在取值上的差异．从取值大小上考虑，场地特征周期一般大于卓越周期；从取值特点上考虑，某一特定场地可以存在2个或多个地震动卓越周期[ ，而其特征周期只有1个，是反应谱的下降段的起始周期；此外，两者的取值不具有可比性，前者研究的是地面运动的频度较大的周期，后者研究的是在场地运动各频率激励的综合作用下结构的反应中满足某一特征关系的周期，因此，卓越周期大的场地，并不意味着其特征周期～定大，反之，也并不意味着特征周期就小．4)场地卓越周期更多的是场地地震动特性的客观反映，即它是地震动记录上客观的存在1个或多个特别卓越的周期；而特征周期更多的体现了人们的主观性，即在考虑我国经济发展和人们对地震灾害的可接受程度的基础上，对其规定相应的计算公式，并根据此公式在反应谱上确定特征周期，供抗震设计使用．卓越周期是指随机振动过程中出现概率最多的周期，常用以描述地震动或场地特性。
地震波在土层中传播，由于土层的过滤特性与选择放大作用（过滤与放大通过不同性质界面的多次反射来实现），周期与场地土固有周期接近的地震波得到增强（通过共振作用放大），此周期称为场地（地震动）卓越周期。
设计特征周期也可称为设计反应谱特征周期，是指地震影响系数曲线下降段起始点对应的周期值，与地震震级、震中距和场地类别等因素有关，规范通过设计地震分组和场地类别反映，场地越软，震级、震中距越大，值越大。
场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用
场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用地脉动弹性周期是工程抗震性能评估的重要因素，确定地脉动卓越周期对对工程设计与施工具有重要意义。
随着地震预测技术的发展，现在能够根据位置特征和历史地震统计信息，给出某地区可能发生的地震震级，来给予新建的工程设计抗震措施。
因此，了解不同历史地震震级时，被该地震脉动所所致地脉动周期应该有多久是很重要的，地脉动卓越周期是有效地预测工程可能遭受到的最大地脉动周期的有效参数。
地脉动卓越周期是一种地震学概念，它与地震动能的分布有关。
地面的准稳态地震波刺激地面土壤，形成地面土壤的地脉动反应，从而形成地脉动波。
地脉动波的周期持续时间可以根据地面土的物理性质、时间和地面的力学响应等因素而变化。
不同地震震级可以产生地脉动特定周期的地面衰减量。
地脉动卓越周期是根据不同地震震级来分级地脉动，确定工程抗震设计参数的有效参数，可以有效地减少地脉动造成的结构损坏风险。
地脉动卓越周期可以为工程设计，抗震设计，施工提供有效的参考。
确定地脉动卓越周期一般采用两种测量方法：一是直接取样，二是相关测量方式。
直接取样是指直接利用地震动的野外测量，从不同的地面中取样测量，获得地下土水分布状况，从而推算出地下土的弹性特性而得出其对某一地震震级的反应，由此计算出地脉动卓越周期。
而相关测量方式则采用多台地面试验和计算机模拟，根据所取样的地面特征，计算出大量数据，其中包括振动特性、振动形变、振动因子等，这些数据可以利用这些参数减少模拟量，进而准确推算出地脉动卓越周期。
综上所述，地脉动卓越周期是工程抗震性能评估的重要参数，可以帮助工程设计者以及工程施工者更准确地确定某一地面遭受地震反应因素，用以选择安全可靠的抗震设计措施，提高工程的抗震性能，保护人民的生命和财产安全。
场地卓越周期
1.卓越周期的定义地震发生时，由震源发出的地震波传至地表岩土体，迫使其振动，由于表层岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用，某种岩土体总是以某种周期的波选择放大得尤为明显而突出，使地震记录图上的这种波记录得多而好。
这种周期即为该岩土体的特征周期，也叫做卓越周期。
由多层土组成的厚度很大的沉积层，当深部传来的剪切波通过它向地面传播时就会发生多次反射，由于波的叠加而增强，使长周期的波尤为卓越。
卓越周期的实质是波的共振，即当地震波的振动周期与地表岩土体的自振周期相同时，由于共振作用而使地表振动加强。
巨厚冲积层上低加速度的远震，可以使自振周期较长的高层建筑物遭受破坏的主要原因就是共振。
2. 几种周期及相关概念自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构本身的动力特性，与结构的高度H、宽度B有关。
基本周期T1:是指结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。
基本振型：单质点体系在谐波的作用下的振型称为基本振型：任一地震波都可以分解为若干谐波的叠加，多质点体系按振型分解法计算地震作用时，可以简化为具有基本振型的等效单质点体系进行分析。
而对建筑结构而言，有时又称为主振型，一般是指每个主轴方向以平动为主的第一振型。
高阶振型：相对于低阶振型而言。
一般来说，低阶振型对结构振动的影响要大于高阶振型的影响。
对一般较规则的建筑物，选择的振型个数可以取其地震作用计算时的质点数（大多数情况下为楼层数），若质点数较多时，根据计算结果可以只取前几个振型（即低阶振型）进行叠加。
特征周期Tg：即建筑场地自身的周期，是建筑物场地的地震动参数，在地震影响系数曲线中，水平段与下降段交点的横坐标，反映了地震震级，震源机制（包括震源深度）、震中距等地震本身方面的影响，同时也反映了场地的特性；如软弱土层的厚度，类型等场地类别等。
在抗震设计规范中，设计特征周期Tg与场地类别有关：场地类别越高（场地越软），Tg越大；地震震级越大、震中距离越远，Tg越大。
关于场地卓越周期和特征周期的若干讨论_陈鹏
第30卷第6期V ol .30N o .62009青岛理工大学学报Journal of Qingdao Technological University关于场地卓越周期和特征周期的若干讨论陈 鹏,刘文锋＊,付兴潘(青岛理工大学土木工程学院,青岛266033)摘 要:场地卓越周期和特征周期是反映场地动力特性的重要参数,两者均基于频谱分析理论.对卓越周期和特征周期的概念、研究意义及两者之间的关系进行了论述,分析对比了两者在计算原理、研究意义、工程应用及取值等方面的不同,界定了两者的概念.对目前较为常用的计算卓越周期和特征周期的方法,分别进行了分析比较,指出了卓越周期各计算方法的优缺点及适用条件,同时以144条地震波为例分析了特征周期各计算方法的特点及其差异,对场地动力特性的测定具有一定指导意义.关键词:卓越周期;特征周期;概念界定;计算方法;适用条件中图分类号:T U 315.9 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2009)06—0030—06Discussions on Site Predominant Period and Characteristic PeriodCH EN Peng ,LIU Wen -feng ＊,FU Xin -pan(Scho ol of Civil Engineering ,Qing dao T echno lo gical U niver sity ,Qing dao 266033,China )Abstract :Site predominant pe riod and desig n characteristic period are the mo st two impor -tant param eters in reflecting the dy namic prope rty of the site .Bo th are based on spectrum a -naly sis theory .This pape r introduces the concept and the sig nificance of site predominant pe -riod and design cha racteristic period and analy ses the main differences between the tw o pa -rameters o n the m ethod o f calculation and the numerical value in engineering design .Be -sides ,three com mon methods w hich are usually used in the determination of site predomi -nant period and design characteristic period are proposed ,and the adv antages and disadvanta -ges of each method are analyzed .144g round reco rds a re employed to analy ze characteristicand diffe rence o f calculatio n methods of desig n characteristic period .T he results offer refer -ences in the determinatio n of site predominant period .Key words :predominant period ;characteristic period ;delimitatio n ;calculation metho ds ;ap -plicable conditio n收稿日期:2008-09-12基金项目:山东省教育厅科技计划项目(J07YA09-2)作者简介:陈 鹏(1982- ),男,山东费县人.硕士,研究方向为混凝土结构及其抗震.E -mail :pan20040@ .＊通讯作者(Corres ponding author ):刘文锋,男,博士,教授.E -m ail :lw f6688@sohu .com .目前,国家规范、标准和工程设计手册[1-6]虽对场地卓越周期T 和设计特征周期T g 作出了各自的定义,但由于两者在研究途径、影响因素、工程应用以至取值等方面存在诸多相似之处,在研究过程中往往容易混淆概念,不能对两者作出准确的区分和正确的使用,以致在学术交流和工程实践中产生认识误区.对场地卓越周期和设计特征周期的不同认识,文献[7]认为“两者都是场地固有周期T 0的不同预测值,因预测方法不同而冠以不同的名称”;文献[8]的划分标准取为“当涉及到傅里叶谱时称卓越周期,当涉及到反应谱时称为特征周期”.也有一部分学者认为,在场地性能测试时称卓越周期,在抗震设计中称特征第6期 陈 鹏,等:关于场地卓越周期和特征周期的若干讨论周期.这些划分方法都只是从两者的应用角度或研究方法来考虑卓越周期与特征周期的区别,并没有从本质上指出两者的根本不同,不能达到准确的认识和区分卓越周期和特征周期的目的.在1990年发行的国家标准[9]的条文说明中提到“有关场地的特征周期,过去许多勘察单位都是根据土层实测的横波波速按经验公式计算场地`卓越周期',但鉴于该公式是一近似公式,且在深度上看法不一致,以至计算结果有较大差别,因而一般情况下,不需再按该近似经验公式计算场地`卓越周期',以避免所计算`卓越周期'与`特征周期'不一致而发生矛盾”,可见,其中对“卓越周期”和“特征周期”的使用存在一定程度的混乱,容易使读者混淆两者的概念.1 场地卓越周期与特征周期1.1 概念及影响因素场地卓越周期和特征周期均是工程抗震中的概念.场地卓越周期是描述场地特性的重要指标.对于卓越周期,文献[4]定义为“随机振动过程中出现概率最多的周期,常用以描述地震震动或场地特性”.工程抗震中研究的是地震波经过场地过滤作用(震源、传播途径和工程场地相互作用)后的特性,即地面运动的特性,以此来分析结构在地震作用中的响应.文献[2]对卓越周期基本概念的描述为“地震波在土层中传播时,经过不同性质界面的多次反射,将出现不同周期的地震波.若某一周期的地震波与地表土层固有周期相近时,由于共振的作用,这种地震波的振幅将得到放大,此周期称为卓越周期”.文献[3]对此的描述为“地表土层对不同周期的地震波有选择放大作用,致使在地震记录图上某些周期的波形特别多而好,也显得`卓越',这个周期称为卓越周期”.场地卓越周期是地面运动的重要特征量,它与覆盖土层的厚度、构成、物理力学性质以及场地的背景振动等有密切关系.文献[10]研究表明,卓越周期还随震中距、震级等因素而变化.特征周期是抗震设计中的概念.基于大量的强震观测记录的分析,《建筑抗震设计规范》规定设计地震动用弹性加速度反应谱表示,设计特征周期则定义为“抗震设计用的地震影响系数曲线中,反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值”.《工程抗震术语标准》[4]中没有设计特征周期的定义,它采用的是“反应谱特征周期”,定义为与设计反应谱曲线下降段起点对应的周期,因此它和《建筑抗震设计规范》中的设计特征周期是一致的.《建筑抗震设计规范》把设计特征周期T g 简称为特征周期,并根据设计地震分组和场地类别的不同给出了相应的T g 值,如表1.表1 GB 5001—2001规定的特征周期值s 设计地震分组场地类别ⅠⅡⅢⅣ第一组0.250.350.450.65第二组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90根据《建筑抗震设计规范》,特征周期是由地震分组与场地类别共同决定的,通过场地类别和设计地震分组就可以确定场地的特征周期.反过来,如果能根据场地实测地震动记录求出特征周期,则可以由此大致判断该场地所属的场地类别.此外,根据地震动记录求出的特征周期,不但可以反映场地类别和地震分组的影响,还可以反映震源特性、震级大小以及传播途径的影响.因此,根据地震动记录计算特征周期,不仅可以用于场地动力特性的分析[11],还可以作为设计特征周期指导抗震设计.《建筑抗震设计规范》中定义的特征周期与通过地震动记录计算的特征周期在概念上是一致的,都是反应谱下降段的起始周期,不同之处在于前者是基于大量的强震观测记录的分析的基础上得到的规准化后的反应谱(水平地震作用影响系数曲线)的下降段起始周期,具有一定的概率保证(50年超越概率为10%[12]),而后者通过单个地震动记录的计算得到,不存在概率保证的概念.文献[13]研究后认为特征周期物理意义不明确、涉及因素多、结果离散,且研究成果相对较少.1.2 场地卓越周期和特征周期的关系场地卓越周期和特征周期均基于对地面运动的研究,所有影响地面运动的因素,如场地条件、地震震级、震中距等因素,均会对两者产生影响,这属于客观的影响因素.基于此,两者均为场地动力响应分析的重要参数.场地卓越周期可以作为工程抗震中场地土类型划分、场地类别划分的标准(见表2[3])以及估算31青岛理工大学学报第30卷地震动峰值加速度及其分布规律,依据场地特征周期,由表1也可以大致判断场地类别.至于两者之间在数值上是否可以建立统计关系,需要做研究工作.文献[14]在这方面做了初步的探索,文中根据广东省珠江三角洲地区和潮汕地区380个工程项目的地震安全性评价结果,对这些工程项目的设计特征周期和场地脉动卓越周期进行了统计分析,得到式(1)所示的关系:表2 地基土的卓越周期类别土的名称卓越周期/s Ⅰ稳定岩石0.1～0.2Ⅱ～Ⅲ一般土层0.15～0.4Ⅳ松软土层0.3～0.7T g =T (1+k I a )(1)式中:T g ,T ,I 分别为特征周期、卓越周期和地震烈度;k 和a 为与场地周围地址环境有关的常数.将所收集的资料带入式(1)对珠江三角洲地区进行回归分析,得到以下统计关系:T g =T (1+0.0038I2.25964)(2)场地卓越周期和特征周期的区别在于:1)研究途径不同.卓越周期是通过场地地震动记录的分析得到,而特征周期是通过场地地面运动反应谱的分析得到.2)研究意义或用途不尽相同.除了可用于土层动力反应分析的研究外,场地卓越周期还可以防止特殊的地震效应发生,避免拟建建筑物自振周期与场地脉动卓越周期一致或接近,在地震发生时,地基与建筑物产生共振或类共振;对某一特定场址,特征周期可以根据实测强震记录计算,并综合场地安全性评价的结果确定该场址的设计特征周期用于抗震设计.3)两者在取值上的差异.从取值大小上考虑,由统计关系式(2)可以看出,场地特征周期一般大于卓越周期;从取值特点上考虑,某一特定场地可以存在2个或多个地震动卓越周期[6,10],而其特征周期只有1个,是反应谱的下降段的起始周期;此外,两者的取值不具有可比性,前者研究的是地面运动的频度较大的周期,后者研究的是在场地运动各频率激励的综合作用下结构的反应中满足某一特征关系的周期,因此,卓越周期大的场地,并不意味着其特征周期一定大,反之,也并不意味着特征周期就小.4)场地卓越周期更多的是场地地震动特性的客观反映,即它是地震动记录上客观的存在1个或多个特别卓越的周期;而特征周期更多的体现了人们的主观性,即在考虑我国经济发展和人们对地震灾害的可接受程度的基础上,对其规定相应的计算公式,并根据此公式在反应谱上确定特征周期,供抗震设计使用.2 卓越周期的计算方法及比较2.1 计算方法根据研究对象的不同,场地卓越周期T 的计算方法可以划分为3种:1)根据场地卓越周期的定义,利用场地的实测强震记录进行Fourier 分析,确定场地卓越周期.相对于后两种方法,此方法可以称为直接计算法.2)应用高灵敏的地震仪观测地面脉动,将所得记录进行Fo urier 分析,确定卓越周期.有时为了简单起见,也可通过绘制地面脉动记录的频度-周期曲线来确定卓越周期.可以看到,以上两种计算方法均基于频谱分析理论,计算过程中对数据的处理方法,文献[6]做了如下规定:①当场地为单一土层时,三分量记录曲线的周期彼此重合或接近,场地只有一个卓越周期;②当场地为多层土且层厚较大、出现多个谱峰时,可将主峰(最高的谱峰)定为本场地的卓越周期,必要时,一个场地可给出两个或两个以上的卓越周期供工程设计部门选定;③三分量的卓越周期不相同时,应以水平的卓越周期为主,必要时可分别提出水平和竖直的卓越周期.3)根据场地分层剪切波速测试结果由相应公式计算该场地的卓越周期.文献[10]给出了如下计算公式:T =∑ni =14h i /V s i (3)式中:T 是根据剪切波速计算的场地卓越周期,s ;h i 为各分层土的厚度,m ;V s i 为各分层土的剪切波速,m /s ;n 为土层层数.文献[2-3]采用了此计算公式,并规定式(3)覆盖土层的计算深度一般应计算至基岩面,当基岩面较深时,可计算至30～50m [2](50～100m [3]).3233第6期 陈 鹏,等:关于场地卓越周期和特征周期的若干讨论对于以上3种计算方法,文献[7]对其计算结果分别定义为记录卓越周期T r、测试卓越周期T m以及波速卓越周期T v,笔者沿用这种定义.2.2 计算方法的分析比较及其适用条件对于以上3种方法,文献[7]认为:T r是真实反映场地地震动的卓越周期,即T r=T;T m是接近T的卓越周期;T v是与T相比有一定误差(有时相当大)的卓越周期.1)T r是场地条件和震源特性、震级大小、震中距离、传播途径及方位等因素共同作用的体现,它真实地反映了场地在强震时地面运动情况的周期.但是,用T r确定场地卓越周期仍是一种近似,因为严格来讲,它只对测得地震动记录的场点才是精确的,即用T r确定场地卓越周期实质上是一点对附近一区域的预测和近似.如果某场地地层条件及地形地貌变化比较剧烈,则很显然,用T r确定的场地卓越周期就会产生大的偏差.所以此时就不宜再用T r预测场地卓越周期.2)根据文献[10]的研究,常时微动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.因此,只要根据地脉动确定的卓越周期,就可确定地震时地基土的振动特性.大量理论研究和工程实践表明,场地常时微动的卓越周期与地震动的特性(频谱)相关,利用场地常时微动卓越周期(测试卓越周期T m)可以较好的预测场地卓越周期.但是,T m仅是某地场地土层在常时微动时场地震动特性的精确描述,它并不能反映震源特性、震级大小、震中距离、传播途径及方位等因素的影响,因此,T m同样是对场地卓越周期的近似,它是某一特定场地常时微动下的振动特性对强震下振动特性的近似.3)式(3)是日本学者金井清按多重反射理论所得近似公式.他通过对东京的本乡、青山(居民区)及九之内等地所得的地震图分析地震震级和地震动的卓越周期之间的关系,得到的结论:当震级高于某值时,对于某一地点来说,地震动的卓越周期几乎为一常值,即T v.由于假定地基土层为均匀平行,故有一定误差,其误差与剪切波速的观测精度、地基的均匀性和场地覆盖层的厚度等密切相关.此外,式(3)除是一个近似公式外,最大的问题是计算深度不统一,以致计算结果缺乏可比性.由此可见,场地卓越周期的确定需要根据场地特性的不同而采用适当的方法,而且必要时还需要采取多种方法进行综合分析.总体来说,当工程场地范围内有适宜的强震记录,且场地的地层结构及局部地形地貌变化不甚剧烈时,抗震设计应优先选用T r,其次可选用T m;当工程场地附近虽有强震记录,但该场地地层结构及局部地形地貌变化十分剧烈时,应考虑优先选用T m;由于式(3)是一近似公式,故应尽量避免选用T v,若地基土层基本满足均匀平行的条件,则可考虑使用.工程实践中,适宜的强震记录不易获得,而且地层结构及局部地形地貌的改变都会有较大的变化,所以工程应用中多用常时微动的测试分析来确定场地卓越周期.3 特征周期的计算方法及比较3.1 计算方法文献[11]推荐了3种计算特征周期的方法:1)如果认为由场址反应分析得的一个场地的地面震动的主峰波可用正弦函数表示,则它的周期为:T g=2πV max/A max(4)式中:V max为与主峰波相应的地面最大速度;A max为与主峰波相应的地面最大加速度.2)用加速度反应谱的最大值和加速度反应谱最大值来确定:T g=2πS v/S a(5)式中:S v为速度反应谱最大值;S a为加速度反应谱最大值.3)在我国《建筑抗震设计规范》中实际隐含着规准设计谱的最大值为β=2.25,因此,对于给定场地的反应谱曲线,可以根据规准设计谱确定特征周期.此外,美国A TC3—06规范中对特征周期作了如下规定:(6)T g=2πEP VEP A式中:EP V为有效峰值速度,取T=[0.1,0.5]区间拟速度反应谱均值除以2.5;EP A为有效峰值加速度,青岛理工大学学报第30卷取T =[0.5,2.0]区间绝对加速度反应谱均值除以2.5.《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)对EP V 和EP A 的定义作了修改,即求取时不将频段固定,而具体分析每条反应谱以确定相应的平台频段,在对数坐标系中同时作出绝对加速度反应谱S a 和拟速度反应谱S v ,找出绝对加速度反应谱平台段的起始周期T 0和结束周期T 1,再在拟速度反应谱上选定平台段,其起始周期应该为T 1,结束周期为T 2,则有:T g =2πEP V ＊EP A ＊(7)式中:EP V ＊取T =[T 0,T 1]区间拟速度反应谱均值除以2.5;EP A ＊取T =[T 1,T 2]区间绝对加速度反应谱均值除以2.5.3.2 计算结果及分析笔者采用了144条常用地震波,Elcentro 、Kobe 、Traft 、Beijing H otel (EW )、Beijing Ho tel (NS )、Qianan (EW )、Qianan (NS )、Tianjin Hospital (EW )、Tianjin H ospital (NS )、集集地震(62条)、唐山地震(15条)、墨西哥地震(22条)、美国北岭地震(36条),分别用式(4)—式(7)4种方法进行计算,共分4组,见图1.图1 特征周期计算结果比较通过对图1计算结果的比较分析,发现以下特点:1)当反应谱谱值较大的点对应的周期普遍较大时,按式(6)确定的特征周期严重失真;2)按式(7)计算时,平台段的选择需要对S a 谱和S v 谱综合分析,当地震动反应谱有多个峰值周期,或S a 与S v 的平台段由于重叠而难以确定时,此时式(7)便不再适用;3)总体来看,式(4)—式(7)相对地震动真实特征周期的偏差依次减小,式(6)、式(7)能够较好的确定特征周期值;3435第6期 陈 鹏,等:关于场地卓越周期和特征周期的若干讨论4)特征周期取值普遍大于卓越周期,但也存在前者小于后者的情况.通过对计算数据的特点的分析,可以看到,式(6)和式(7)的计算结果总体来说相对准确,但两者产生矛盾的时候仍需要直接根据反应谱或参考式(4)、式(5)及卓越周期的计算结果进行进一步分析,从而判断特征周期的取值.仅仅通过某一种特定的计算方法的计算结果较难确定特征周期.4 结论场地卓越周期和特征周期虽然在研究途径、影响因素甚至取值等方面存在诸多相似之处,但是它们却有本质的区别,应予以明确地区分和认识,准确地把握两者的概念并正确使用.目前确定场地卓越周期较为常见的三种方法各有利弊,应当视场地条件的不同而采取适合的方法,必要时要综合分析以得到相对较为合理的结果.场地特征周期的确定包含了更多的人为因素,在考虑我国经济发展和人们对地震灾害的可接受程度的基础上,规定相应的计算方法,特征周期可根据多种方法综合确定.需要指出的是,场地卓越周期和特征周期不具有可比性,两者之间是否可以建立统计关系需要进一步研究.参考文献(References):[1] GB5001—2001,建筑抗震设计规范[S].GB5001—2001,Code for Seismic Design of Buildings[S].[2] 工程地质手册编写委员会.工程地质手册[K].3版.北京:中国建筑工业出版社,1992.E ngineering Geological M anu als Committee.Engineering Geological H andb ook[K].3rd ed.Beij ing:China A rchitectu re&BuildingPress,1992.[3] 岩土工程手册编写委员会.岩土工程手册[K].北京:中国建筑工业出版社,1994.Geotechnical Engineering M anuals C ommittee.Geotech nical Engin eering H andb ook[K].Beijing:China Architectu re&Building Press,1994.[4] JG J/T97—95,工程抗震术语标准[S].JG J/T97—95,Term S tandard in Earthquake E ngineering[S].[5] 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场地卓越周期
文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
场地卓越周期,结构自振周期,基本振型,高阶振型基本概念
自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构固有的特性。
基本周期T
1
：结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。
通常需要考虑两个主轴方向的和扭转方向的基本周期。
设计特征周期T
g
：抗震设计用的地震影响系数曲线的下降阶段起始点所对应的周期值，与地震震级、震中距和场地类别等因素有关。
场地卓越周期T
s ：根据场地覆盖层厚度H和土层平均剪切波速V
s
计算的周期，表示场地土
最主要的振动特征。
场地卓越周期只反映场地的固有特征，不等同于设计特征周期。
场地脉动周期T
m
：应用微震仪对场地的脉动、又称为”常时微动”进行观测所得到的振动周期。
场地脉动周期反映了微震动情况下场地的动力特征，与强地震作用下场地的动力特性既有关系又有区别。
场地卓越周期：地震波在某场地土中传播时，由于不同性质界面多次反射的结果，某一周期的地震波强度得到增强，而其余周期的地震波则被削弱。
这一被加强的地震波的周期称为该场地土的卓越周期。
结构自振周期：自振周期是结构的动力特性之一。
单质点体系在谐波的作用下，都会按一定形状作同频率同相位的简谐运动，其相应的周期就称为自振周期。
当建筑物的自振周期与场地土卓越周期接近时，其地震反应就大，反之则小。
设计特征周期Tg：抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值，应根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定。
当结构的自振周期超过设计特征周期时，地震作用就会随其自振周期的增大而减小。
当结构的自振周期小于0.1s时，地震作用会随其自振周期的增大而急剧增大。
实际的建筑结构的自振周期大都会大于设计特征周期，但一般不大于6.0s。
基本振型：单质点体系在谐波的作用下的振型称为基本振型。
任一地震波都可以分解为若干谐波的叠加，多质点体系按振型分解法计算地震作用时，可以简化为具有基本振型的等效单质点体系进行分析。
而对建筑结构而言，有时又称为主振型，一般是指每个主轴方向以平动为主的第一振型。
高阶振型：相对于低阶振型而言。
一般来说，低阶振型对结构振动的影响要大于高阶振型的影响。
对一般较规则的建筑物，选择的振型个数可以取其地震作用计算时的质点数（大多数情况下为楼层数），若质点数较多时，根据计算结果可以只取前几个振型（即低阶振型）进行叠加。
现在有些结构计算软件可以“帮”你判断，比如，在2001年后的SATWE中增加了参数Cmass-x、Cmass-y，就是用来判断取多少个振型数合适的。