摘要：地震具有破坏性，在建筑林立的今天，一场大震会造成较大地财产与生命损失。我们无法阻挡地震的发生，也缺乏有效的监测预防手段，但是我们可以通过改善建筑物结构，减小地震带来的危害。卓越周期是建筑抗震设计中常用的参数之一，可以通过地震记录、常时微动等手段进行测定。近年来，卓越周期概念的矛盾性被越来越多的人知晓，有逐渐淡化的趋势。本文探讨卓越周期概念的定义、常用测定方法，并结合实例分析计算各测定方法的数值。

关键词：卓越周期；抗震；岩土工程；勘察

1概述

地震造成的破坏是地震力通过场地土实现的，因此确定场地土的动力特征和地震动参数至关重要。可以反映场地土地震动力特性的参数有：地震动峰值加速度、地基承载力、剪切波速、卓越周期、特征周期等。岩土工程勘察中卓越周期是最常用的参数之一。

2卓越周期的定义

日本学者金井清在20世纪30年代提出，即使在不同地震中，同一地点的地震动卓越周期也是一定的。进一步研究发现同一场地的卓越周期并不总是一定的，而且当地基是双层或多层时，卓越周期不唯一。金井清所著《工程地震学》指出，卓越周期还随震中距、震级等因素而变化。我国的研究较晚，1964年抗震建筑设计规范将卓越周期T确定为判断场地类别的参考指标之一，并进行了大量测试工作，以满足重大工程抗震设计中场地烈度的需要。近现代关于卓越周期的比较明确的定义有：《工程抗震术语标准》定义为：随机振动过程中出现概率最多的周期，这反映了地震特性及场地特性。抗震设计中研究的是地震波通过场地时的反应，它是震源、传播途径和工程场地的相互作用，用来分析结构在地震作用中的响应。《工程地质手册》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。《岩土工程手册》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。由上可知，卓越周期是地震波在场地地层中传播产生的，它与场地自身特性有关，也受地震波类型的影响。它不止是场地的固有特性，也反映了该处场地在地震中的振动特性。

3测定方法及比较

3.1测定方法

测定场地卓越周期T的方法有三种:a.当场地内有强震记录时，通过Fourier频谱分析确定地震动卓越周期，称之为记录卓越周期[4]，以Tr表示。b.应用高灵敏度波速仪进行常时微动测量，将所得记录进行Fourier变换，得到卓越周期，有时为了简便，也通过绘制地脉动记录的震动-周期曲线来确定卓越周期。称为测试卓越周期[4]，以Tm表示。c.根据场地分层剪切波速测试结果按公式(1)计算之，称为波速卓越周期[4]，以Tv表示

3.2方法比较

前两种计算方法均基于Fourier频谱分析理论，而频谱分析结果具有多样性：a.Tr是场地条件和震源特性共同作用的体现，它来源于该工区的地震记录，因此真实地反映了工区在地震时场地的运动周期。但这是一种近似，确切的说，它计算的是地震时工区测试点的周期，这对附近区域的平均化。如果工区地质条件及地形地貌变化复杂，很显然，Tr确定场地卓越周期就是错的。所以，我们不仅要获得原始地震记录，还应知晓地震台站或测点在该场地的空间分布情况，地质条件复杂地区不宜用Tr确定场地卓越周期。b.场地常时微动卓越周期，即测试卓越周期Tm，可以较好的拟合场地卓越周期。然而，测试卓越周期仅是反映场地土层在地脉动时场地震的特性，场地卓越周期T不仅与场地本身有关，还与地震波的类型有关。Tm并不含有真实地震动时的信息，所以，Tm同样是对工区卓越周期的一种近似值，它是测试场地在常时微动下的振动特性对真实地震动下振动特性的近似。c.上式（1）中波速卓越周期Tv的计算是日本学者金井清按多重反射理论获得的。他通过在日本多地进行调查，研究各地地震震级与卓越周期之间的关系，得出：当震级在某一数值之上，对于该场地来说，地震动的卓越周期几乎是固定的，即Tv。此式的前提是场地地基土层均匀且平行。总体来说，当工程场地范围内能够获得强震记录，且场地的地层结构及地形地貌变化不剧烈时，抗震设计参数应优先选用Tr，其次可选用Tm；如果有强震记录，但该场地地形及地质情况较为复杂时，应优先选用Tm；由于式（1）是一近似公式，故应尽量避免选用波速卓越周期Tv。在工程实践中，适宜的强震记录是比较少的，而且各场地地层结构及地形地貌变化复杂，不单一，常时微动的测试简洁方便，所以工程中应用较广。（表1）

4工程实例分析

山东省菏泽市成武县一处旧村改造项目，项目位于黄河冲积平原，地形平坦，地质构造单一，地层基本呈层状分布。该场地内主要地层为：①素填土；②粉质粘土；③粉土；④粉砂。

4.1记录卓越周期

Tr在山东省地震局官网检索到一条成武县地震记录，发震时刻：2008-07-20-01:41、经度115.941°纬度34.994°，震级2.38。由上而下分别为垂向、东西向、南北向的站台响应信号。利用MATLAB软件对该数据进行傅里叶变换，处理后得到三条不同方向的频谱曲线。可知其对应的极值周期值分别为0.312s、0.448s、0.327s。取其平均可得Tr=0.282s。

4.2测试卓越周期

Tm在场地挖约50cm浅坑，清除表层浮土、平整坑底、压实。东西、南北和垂向三个方向各安置一个检波器，然后进行数据采集。资料处理得到三个方向的频谱图，进而可知测试点的平均卓越频率分别为0.23、0.199、0.259；根据T=1/f，计算出各测试点的卓越周期，得到该场地的测试卓越周期Tm=0.231s。

4.3波速卓越周期

Tv在该场地用同一仪器进行波速测井，根据式（1）可得，波速卓越周期Tv=0.554s。总的来看，本工程实例三种方法测试结果差异较大。

5结论

现行规范对抗震设计中得场地周期的界定一直以来都没有统一结论。《建筑抗震设计规范》中采用的是“特征周期Tg”，而对“卓越周期T”只是一笔带过，没有具体描述。特征周期Tg影响因素很多，它只是根据工程应用的需要，计算出的预测值，主要用来进行设计地震分组。但规范中对于特征周期的取值、测试过程等没有提及。新的《建筑抗震设计规范》及有关的背景材料都不再提及“卓越周期”，近几年公开发表的有关论文及著作也鲜有“卓越周期”的描述。笔者认为,利用场地卓越周期可以划分场地土类型,预测地震动峰值加速度值也是可行的，但需要在规范中进行统一。

参考文献

[1]工业与民用建筑抗震设计规范(GBJ11289)[S].沈阳:辽宁科学技术出版社，1990.

[2]工程地质手册3版[S].北京:中国建筑工业出版社，1992.

[3]岩土工程手册[S].北京:中国建筑工业出版社，1994.

[4]高广运.刘奋勇.场地卓越周期的讨论与测定[J].工程勘察，2000（5）:29-31.

[5]金井清.常宝琦.张虎男.译.工程地震学[M].北京:地震出版社，1987.

作者:代方园 单位:山东省地矿工程勘察院