引言

自由场地上的强震动观测记录是研究地震动衰减规律、制定各类工程抗震设计规范的基础数据。自由场地是指不受周围环境建筑和结构振动影响的空旷场地，强震动观测台站应布设在自由场地上，相关规范中均有此规定。如DB/T 17—2018 《 地震台站建设规范 强震动台站 》规定强震动台站宜布设在自由场地上（中国地震局，2018）； 《 地震预警系统建设技术指南 》中指出预警强震动台站建设选址应选择自由场地，宜避开回填土、河滩场地及陡坎和高大建筑物附近（李小军，2014）。这些规定是为了尽可能地规避观测环境对地震动的影响，以获取自由场强震动观测记录。

在中国数字强地震动观测台网的台站建设中，土层场地上强震动台站土-结相互作用的影响问题越来越显著，引起了广泛关注（Crouse et al，1984；Crouse，Hushmand，1989；Wen et al，2001；周正华等，2010）。强震动台站土-结相互作用的影响主要包括观测室和台站附近高大建筑及大型工程的结构-土的相互作用。国内外均对强震动观测台站建筑给出了明确规定： 《 中国数字强震动台网技术规程 》 要求，布设在自由场地上的固定台站与高大建筑物之间的距离应大于该建筑物的高度和长度，在无合适的自由场地时，可布设在独立的一层或二层小型建筑的底层地面上（中国地震局，2005）；美国强震动台站建设规范（Consortium of Organizations for Strong-Motion Observation Systems，2001）要求，台站要安装在距离建构筑物至少一倍结构最长几何尺寸的地方，尤其要远离任何的大型建筑（占地面积大于约371.612 m² （4 000平方英尺），或者高于两层的楼房）以及有较大地下室和基础的结构，要求台站设计需在0—50 Hz频带内，这样的土-结相互作用影响较小，轻质结构房屋尤其木结构最佳。上述相关规定旨在减少台站观测室及附近工程结构产生的土-结相互作用对强震动观测记录的影响。台站附近高大建筑及大型工程结构-土的相互作用的影响，可以通过选址以避开其影响，但观测室本身对观测记录的影响是无法避免的。目前关于观测室结构对其观测记录的影响程度和是否可以认为观测室内的观测记录是自由场地震动记录问题的相关研究较少，迫切需要系统分析以给出明确的回答。

基于此，本文拟以强震动台站结构类型作为控制因素，基于集中质量显式时域动力有限元方法，拟模拟分析不同场地条件下观测室结构（砌体观测房、半地下观测室、玻璃钢罩观测室）对地震动的影响，并在北京地球观象台院内并址观测实验台站进行观测实验，再结合数值模拟结果综合分析，以期得到不同类型强震动台站对自由场地震动的影响。

1.   不同型式强震动台数值模拟分析

1.1   集中质量显式时域动力有限元数值模拟方法

土层场地上强震动台站对其观测地震动影响的地震反应分析为半空间无限域问题，需引入人工边界将无限域问题转化为有限域问题，并在人工边界上施加适当的边界条件以模拟有限域内散射波通过人工边界向外散射的过程。本文分析采用的人工边界条件为廖振鹏（1996）提出的多次透射公式（multi-transmitting formula，缩写为MTF），其物理概念简单，便于在计算机上实现时空解耦的高精度波动有限元或有限差分数值模拟。对于有限域内的地震反应求解，将采用集中质量显式动力时域有限元方法，该方法结合MTF，可实现时空解耦的波动数值模拟，且精度可控。关于集中质量时空解耦时域动力有限元方法的基本原理和MTF的稳定实现措施具体可参见文献（廖振鹏，1984，1996，1997；廖振鹏等，1984；廖振鹏，刘晶波，1992；杨柏坡，陈庆彬，1992；关慧敏，廖振鹏，1997；Liao，1998；周正华，廖振鹏，2001；谢志南，廖振鹏，2008），此处不再赘述。

1.2   不同类型强震动台站地震动特性的数值模拟分析

对于建设在土层场地上的强震动台站，其对观测地震动的影响可通过场地地震反应分析确定。为了尽可能真实地模拟不同场地条件下强震动台站对地震动的影响，结合GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2016）中建筑场地类别划分标准，建立了三类六个场地模型。其中：Ⅱ类场地覆盖层厚度取15 m，土层等效剪切波速分别取150 m/s，200 m/s和300 m/s建立了3个场地模型；Ⅲ类场地覆盖层厚度取60 m，土层等效剪切波速分别取150 m/s和175 m/s建立了2个场地模型；Ⅳ类场地覆盖层厚度取81 m，土层等效剪切波速取150 m/s建立了1个场地模型。各场地模型的具体土层力学参数列于表1，2，3。

表  1  Ⅱ类场地模型力学参数

Table  1.  Model mechanical parameters of class Ⅱ site

场地模型	等效剪切波速/（m·s−1）	深度/m	土层厚度/m	波速/（m·s−1）	泊松比	阻尼比	自然容重/（kg·m−3）
Ⅱ -1	300	0—5	5	200	0.30	0.05	1 750
		5—10	5	300	0.30	0.05	1 870
		10—15	5	400	0.25	0.05	2 100
		15—18	3	500	0.25	0.05	2 300
Ⅱ -2	200	0—5	5	150	0.35	0.05	1 700
		5—10	5	200	0.30	0.05	1 750
		10—15	5	250	0.30	0.05	1 800
		15—18	3	500	0.25	0.05	2 300
Ⅱ -3	150	0—5	5	100	0.35	0.05	1 650
		5—10	5	150	0.35	0.05	1 700
		10—15	5	200	0.30	0.05	1 750
		15—18	3	500	0.25	0.05	2 300

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表  2  Ⅲ类场地模型力学参数

Table  2.  Model mechanical parameters of class Ⅲ site

场地模型	等效剪切波速/（m·s−1）	深度/m	土层厚度/m	波速/（m·s−1）	泊松比	阻尼比	自然容重/（kg·m−3）
Ⅲ -1	175	0—10	10	150	0.35	0.05	1700
		10—20	10	200	0.30	0.05	1750
		20—40	20	300	0.30	0.05	1870
		40—60	20	400	0.25	0.05	2100
		60—66	6	500	0.25	0.05	2300
Ⅲ -2	150	0—10	10	100	0.35	0.05	1650
		10—20	10	200	0.30	0.05	1750
		20—40	20	300	0.30	0.05	1870
		40—60	20	400	0.25	0.05	2100
		60—66	6	500	0.25	0.05	2300

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表  3  Ⅳ类场地模型力学参数

Table  3.  Model mechanical parameters of class Ⅳ site

场地模型	等效剪切波速/（m·s−1）	深度/m	土层厚度/m	波速/（m·s−1）	泊松比	阻尼比	自然容重/（kg·m−3）
Ⅳ	150	0—10	10	100	0.35	0.05	1650
		10—20	10	200	0.30	0.05	1750
		20—30	10	250	0.30	0.05	1800
		30—40	10	300	0.30	0.05	1870
		40—50	10	350	0.30	0.05	1950
		50—60	10	400	0.25	0.05	2100
		60—81	21	450	0.25	0.05	2100
		81—86	5	500	0.25	0.05	2300

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砌体观测房、半地下观测室和玻璃钢罩观测室均是强震动台站常用的结构型式，本节以这三种观测室结构为基础建立数值模拟分析模型，分析不同观测室结构对地震动的影响。砌体观测房基于两种常用的尺寸，其外尺寸长×宽×高分别为3.5 m×3.5 m×2.95 m （小观测房）和4.5 m×4.5 m×3.95 m （大观测房）；半地下观测室外尺寸长×宽×高分别为2 m×2 m×2.2 m，埋入地下1 m；玻璃钢罩观测室外尺寸长×宽×高分别为3 m×3 m×0.25 m，玻璃钢罩台站平台外尺寸长×宽×高分别为2 m×2 m×0.25 m，平台内尺寸长×宽×高分别为1.5 m×1.5 m×0.25 m。基于集中质量时空解耦时域动力有限元数值模拟分析方法，引入人工边界从弹性半空间截取出一长为14 m，宽为14 m，高为H的计算区域（H为场地模型土层厚度），其顶面为自由表面，其余侧面与底面均为人工边界，砌体观测房，半地下观测室和玻璃钢罩观测室建模示意图如图1所示。不同结构型式观测室位于模型地表中心位置，观测室材料的力学参数均为剪切波速3 000 m/s，泊松比0.20，阻尼比0.05，自然容重2 390 kg/m³。根据观测室结构型式的不同结合6个场地模型共建立了24个模型，按照动力有限元计算精度要求，确定计算区域离散有限单元尺寸：砌体观测房和半地下观测室顶层为0.25 m×0.25 m×0.2 m的立方体，其余均为0.25 m×0.25 m×0.25 m的立方体；玻璃钢罩均采用0.25 m×0.25 m×0.25 m的立方体。利用集中质量显式时域动力有限元数值模拟分析方法结合MTF求解各模型场地观测点的地震反应，由稳定计算条件确定时间步长Δt＝0.000 02 s。由基底入射一宽0.1 s、持时1.5 s、幅值1 cm的位移脉冲（图2a），其傅里叶谱如图2b所示，有效频带为0—40 Hz。不同场地条件的各模型观测室内中心点地震反应如图3所示。

图  1  不同类型观测室建模示意图

Figure  1.  The analysis models for different type of observation houses

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图  2  输入地震动脉冲（a）及其傅里叶谱（b）

Figure  2.  The inputting seismic pulse （a） and its Fourier spectrum （b）

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图  3  不同结构型式观测室在六类场地中的地震反应时程

（a） Ⅱ -1类场地；（b） Ⅱ -2类场地；（c） Ⅱ -3类场地；（d） Ⅲ -1类场地；（e） Ⅲ -2类场地；（f） Ⅳ类场地

Figure  3.  The seismic responses of observation room in six sites

（a） Class Ⅱ -1 site；（b） Class Ⅱ -2 site；（c） Class Ⅱ -3 site；（d） Class Ⅲ -1 site；（e） Class Ⅲ -2 site；（f） Class Ⅳ site；

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各类场地条件下不同结构型式观测室模型地震反应曲线如图3所示。结果表明：在Ⅱ -1类场地条件下，小观测房和玻璃钢罩观测室的地震动峰值均大于自由场，峰值分别为3.28 cm和3.27 cm，相对于自由场地震动峰值3.16 cm分别增大了3.8%和3.5%；大观测房和半地下观测室的地震动峰值小于自由场，峰值分别为3.15 cm和2.88 cm，相对于自由场分别减小了0.3%和8.9% （图3a）；在Ⅱ -2类场地条件下，玻璃钢罩观测室地震动峰值大于自由场，峰值为3.59 cm，相对于自由场地震动峰值3.43 cm增大了4.7%；小观测房模型、大观测房和半地下观测室地震动峰值均小于自由场，峰值依次减小，分别为3.42 cm，3.18 cm和3.00 cm，相对于自由场分别减小了0.3%，7.3%和12.5% （图3b）；在Ⅱ -3类场地条件下，玻璃钢罩观测室地震动峰值大于自由场，峰值为4.10 cm，相对于自由场地震动峰值3.85 cm增大了6.5%；小观测房、大观测房和半地下观测室地震动峰值均小于自由场，且峰值依次减小，分别为3.35 cm，3.20 cm和2.96 cm，相对于自由场分别减小了12%，16.9%和23.1% （图3c）；在Ⅲ -1类场地条件下，小观测房和玻璃钢罩观测室的地震动峰值均大于自由场，峰值分别为3.28 cm和3.33 cm，相对于自由场地震动峰值3.19 cm分别增大了2.8%和4.4%；大观测房和半地下观测室地震动峰值均小于自由场，峰值分别为3.10 cm和2.87 cm，相对于自由场分别减小了2.8%和10% （图3d）；在Ⅲ -2类场地条件下，玻璃钢罩观测室地震动峰值大于自由场，峰值为3.89 cm，相对于自由场地震动峰值3.66 cm增大了6.3%；小观测房、大观测房和半地下观测室的地震动峰值均小于自由场，且峰值依次减小，分别为3.36 cm，3.13 cm和2.97 cm，相对于自由场分别减小了8.8%，14.5%和18.9% （图3e）；在Ⅳ类场地条件下，玻璃钢罩观测室地震动峰值大于自由场，峰值为3.86 cm，相对于自由场地震动峰值3.64 cm增大了6%；小砌体观测房、大砌体观测房和半地下观测室的地震动峰值均小于自由场，且峰值依次减小，分别为3.38 cm，3.13 cm和2.98 cm，相对于自由场减小了7.1%，14%和18.1% （图3f）。

综上可以看出，观测室结构型式对地震动具有不同程度的影响，相对观测房对地震动的复杂影响，玻璃钢罩观测室和半地下观测室的影响较简单，主要表现为：玻璃钢罩观测室对地震动峰值具有一定的放大作用，半地下观测室对地震动峰值具有一定的减小作用，且其影响均随场地变软而增大；四种观测室结构中，玻璃钢罩观测室对地震动的影响最小。

各类场地条件下不同结构型式观测室与自由场的地震动反应谱比如图4所示。结果表明：在Ⅱ -1类场地条件下（图4a），玻璃钢罩观测室的地震动反应谱值在周期为0.025—0.2 s时大于自由场，在周期0.075 s时达到自由场的1.05倍，其余周期段差异较小；半地下观测室反应谱值在周期为0.025—0.3 s时小于自由场，在周期0.025—0.1s时的地震动反应谱减小尤为明显，在周期0.08 s时达到自由场的0.85倍，其余周期段差异较小；小砌体观测房的反应谱值在周期0.025—0.35 s时大于自由场，且在周期为0.06—0.15 s时地震动反应谱显著放大，在周期0.08 s时达到自由场的1.2倍，其余周期段差异较小；大砌体观测房的反应谱值在周期为0.025—0.07 s时小于自由场，周期为0.07—0.4 s时大于自由场，且周期为0.07—0.18 s时地震动反应谱的放大显著，周期为0.1 s时达到自由场的1.21倍，其余周期段差异较小。

图  4  六类场地不同结构型式观测室与自由场的地震动反应谱比

（a） Ⅱ -1类场地；（b） Ⅱ -2类场地；（c） Ⅱ -3类场地；（d） Ⅲ -1类场地；（e） Ⅲ -2类场地；（f） Ⅳ类场地

Figure  4.  Response spectra ratio curves of observation rooms with different structures to free field in different sites

（a） Class Ⅱ -1 site；（b） Class Ⅱ -2 site；（c） Class Ⅱ -3 site；（d） Class Ⅲ -1 site；（e） Class Ⅲ -2 site；（f） Class Ⅳ site；

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在Ⅱ -2类场地条件下（图4b），玻璃钢罩观测室地震动反应谱值在周期为0.025—0.2 s时大于自由场，在周期0.1 s时达到自由场的1.07倍，其余周期段差异较小；半地下观测室反应谱值在周期为0.025—0.33 s时小于自由场，在周期0.025—0.17 s时地震动反应谱减小尤为明显，在周期为0.11 s时达到自由场的0.85倍，其余周期段差异较小；小砌体观测房的反应谱值在周期为0.025—0.07 s时小于自由场，在周期为0.07—0.35 s时大于自由场，且在周期为0.08—0.16 s时的地震动反应谱放大尤为显著，在周期0.09 s时达到自由场的1.5倍，其余周期段差异较小；大砌体观测房反应谱值在周期为0.025—0.09 s时小于自由场，在周期为0.09—0.4 s时大于自由场，且在周期0.09—0.2 s时地震动反应谱放大尤为显著，在周期0.11 s时达到自由场的1.72倍，其余周期段差异较小。

而在Ⅱ -3类场地条件下（图4c），玻璃钢罩观测室地震动反应谱值在周期为0.025—0.25 s时大于自由场，在周期为0.14 s时达到自由场的1.12倍，其余周期段差异较小；半地下观测室的反应谱值在周期0.025—0.35 s时小于自由场，在周期0.025—0.25 s时地震动反应谱减小尤为明显，在周期为0.14 s时达到自由场的0.78倍，其余周期段差异较小；小砌体观测房的反应谱值在周期0.025—0.10 s时小于自由场，在周期0.10—0.4 s时大于自由场，且在周期为0.1—0.2 s时地震动反应谱的放大尤为显著，在周期为0.14 s时达到自由场的1.77倍，其余周期段差异较小；大砌体观测房反应谱值在周期0.025—0.11 s时小于自由场，在周期0.11—0.5 s时大于自由场，且在周期0.12—0.25 s地震动反应谱放大尤为显著，周期为0.15 s时达到自由场的2.27倍，其余周期段差异较小。

在Ⅲ -1类场地条件下（图4d），玻璃钢罩观测室的地震动反应谱值在周期为0.025—0.2 s时大于自由场，在周期0.06 s时达到自由场的1.06倍，其余周期段差异较小；半地下观测室的反应谱值在周期0.025—0.3 s时小于自由场，且在周期0.025—0.18 s时地震动反应谱减小尤为明显，在周期0.05 s时达到自由场的0.88倍，其余周期段差异较小；小砌体观测房的反应谱值在周期为0.025—0.35 s时大于自由场，且在周期为0.1—0.15 s时地震动反应谱的放大尤为显著，在周期为0.13 s时达到自由场的1.06倍，其余周期段差异较小；大砌体观测房的反应谱值在周期为0.025—0.1 s时小于自由场，在周期为0.1—0.4 s时大于自由场，且在周期为0.12—0.18 s时地震动反应谱放大尤为显著，周期为0.1 s时达到自由场的1.13倍，其余周期段差异较小。

在Ⅲ -2类场地条件下（图4e），玻璃钢罩观测室的地震动反应谱值周期在0.025—0.25 s时大于自由场，在周期0.06 s时达到自由场的1.08倍，其余周期段差异较小；半地下观测室的反应谱值在周期为0.025—0.35 s时小于自由场，且在周期0.025—0.25 s的地震动反应谱减小尤为明显，在周期0.05 s时达到自由场的0.78倍，其余周期段差异较小；小砌体观测房的反应谱值在周期为0.025—0.12 s时小于自由场，在周期为0.12—0.4 s时大于自由场，且在周期0.13—0.26 s时地震动反应谱放大显著，在周期0.15 s时达到自由场的1.33倍，其余周期段差异较小；大砌体观测房的反应谱值在周期为0.025—0.13 s时小于自由场，在周期为0.13—0.5 s时大于自由场，且在周期为0.14—0.28 s时地震动反应谱放大显著，周期为0.17 s时达到自由场的1.34倍，其余周期段差异较小。

在Ⅳ类场地条件下（图4f），玻璃钢罩观测室的地震动反应谱值在周期0.025—0.2 s时大于自由场，在周期0.06 s时达到自由场的1.08倍，其余周期段差异较小；半地下观测室反应谱值在周期0.025—0.3 s时小于自由场，在周期为0.025—0.25 s时地震动反应谱减小尤为明显，周期为0.05 s时达到自由场的0.78倍，其余周期段差异较小；小砌体观测房的反应谱值在周期为0.025—0.11 s时小于自由场，在周期为0.11—0.4 s时大于自由场，且在周期为0.13—0.26 s时地震动反应谱放大显著，在周期0.15 s时达到自由场的1.4倍，其余周期段差异较小；大砌体观测房的反应谱值在周期0.025—0.13 s间小于自由场，在周期0.13—0.5 s时大于自由场，且在周期为0.14—0.28 s时地震动反应谱放大显著，周期为0.16 s时达到自由场的1.31倍，其余周期段差异较小。

通过对不同结构型式观测室地震动反应谱对比表明，观测室结构型式对自振周期附近及短周期段内的地震动反应谱具有不同程度的影响：大砌体观测房自振周期附近周期段表现为放大作用，小于自振周期的短周期段表现为减小作用，且场地越软其影响频段越宽，影响程度愈显著；对于中硬场地，小砌体观测房表现为放大作用，对于中软和软弱场地，自振周期附近表现为放大作用，小于自振周期的短周期段表现为减小作用，且场地越软其影响频段越宽，影响程度愈显著。分析的三种场地对地震动反应谱的影响，玻璃钢罩观测室和半地下观测室的影响频带较窄，且玻璃钢罩观测室放大作用微小，半地下观测室的减小作用明显，且场地越软其影响频段越宽，影响程度愈显著。

2.   不同型式强震动台并址观测实验

强震动观测现场实验可直接获取现场环境下的强震动观测数据，是强震动观测相关研究的主要分析方法，也是验证相关数值模拟分析的有效手段之一。为检验数值模拟结果及进一步分析观测室结构类型对地震动的影响，在白家疃北京国家地球观象台院内并址建设了4个不同结构型式观测室（大、小砌体观测房，半地下观测室，玻璃钢罩观测室）的观测点和1个自由场观测点，各观测点空间分布示意图见图5。大砌体观测房外尺寸长宽高各为4.5 m，4.5 m和4.5 m （含女儿墙高0.5 m），小砌体观测房外尺寸长宽高各为3.5 m，3.5 m和3.5 m （含女儿墙高0.5 m），半地下室外尺寸长宽高各为2 m，2 m和 2.6 m （埋入地下1 m、高出地面1.6 m （含入口高0.4 m）），玻璃钢罩平台外尺寸长宽高各为2 m，2 m和0.25 m。并址观测实验5个观测点均采用BASALT型强震仪，各观测室和自由场观测点照片及相应的仪器安装照片如图6所示。

图  5  并址观测实验各观测点空间分布示意图

Figure  5.  Spatial distribution of observation points in co-located observation test

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图  6  观测室及仪器安装照片

Figure  6.  The photos of observation rooms and observation equipment

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在并址实验观测中，获取的数据包括脉动数据和两次地震事件记录，为便于后续分析，首先对获取的脉动记录和地震动记录进行基线校正，计算得到脉动记录的傅里叶振幅谱，地震记录的峰值加速度、傅里叶振幅谱和加速度反应谱，并以此为基础，分析了不同观测室结构对地震动的影响。

2.1   地脉动数据分析

地脉动是具有丰富内涵的地球物理信息，国内外相关学者对其进行了广泛的研究（Parolai et al，2002；Boore，2004；席兆凯等，2017；刘宇实，师黎静，2018），主要用于以场地卓越周期为指标的场地分类、卓越周期与震害关系、建筑物对场地地脉动影响等的研究及应用。地脉动时域信号并不能显示场地的动力特性，分析时需对地脉动时域信号经傅里叶变换转换为频域信号。本节通过对比分析5个并址观测点的地脉动记录傅里叶振幅谱，研究不同观测室结构对地震动的影响。鉴于篇幅所限，仅展示各观测点三分量脉动记录的傅里叶振幅谱（图7）。

图  7  并址观测点地脉动东西（a）、南北（b）和竖向（c）记录的傅里叶振幅谱

Figure  7.  Fourier amplitude spectrum at EW （a），NS （b） and vertical （c） components of co-located observation sites

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由并址观测地脉动记录对比分析结果可知，并址观测场地水平向卓越频率约为3 Hz；不同观测室结构对水平向地脉动均有不同程度的影响，且与频率相关，而对竖向地脉动影响较小；玻璃钢罩观测室与半地下观测室的影响频带约为15—18 Hz，且影响较小；小砌体观测房对频率在12—18 Hz间的地脉动影响显著；大砌体观测房对频率在10—16 Hz间的地脉动具有明显影响；比较而言，玻璃钢罩和半地下观测室对地脉动的影响较小，砌体观测房对地脉动影响较大，且观测房尺寸越大影响程度越大，这与观测室结构的自振频率和体量相关，该分析结果与前节中观测室结构型式对地震动影响的数值模拟结果近似。

2.2   并址观测实验地震数据分析

并址观测实验共捕获两次地震事件的强震动记录，分别为2019年4月7日北京市海淀区上庄镇M_S2.9地震，震源深度17 km，距离实验场址约8 km；2019年4月14日北京市怀柔区M_S3.0地震，震源深度19 km，距离实验场约38 km，两次地震事件的震中分布如图8所示。并址观测实验在两次地震事件中共捕获了10组三分量强震动记录，地震动记录时程如图9和10所示，其信噪比对比图鉴于篇幅有限不再示出，峰值加速度（peak ground acceleration，缩写为PGA）列于表4，其反应谱对比图如图11所示。

图  8  并址观测实验捕获的两次地震震中分布图

Figure  8.  The distribution of two earthquake epicenter by co-located observation experiment

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图  9  2019年4月7日上庄M_S2.9地震并址观测强震动记录

（a） 自由场观测点；（b） 玻璃钢罩观测室；（c） 半地下观测室；（d） 小砌体观测房；（e） 大砌体观测房

Figure  9.  Strong ground motion records of the M_S2.9 earthquake on April 7，2019 at co-located observation sites

（a） Free field observation site； （b） Observation room with glass fiber reinforced plastic cover； （c） Semi-underground observation room； （d） Small masonry observation house； （e） Large masonry observation house

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表  4  两次地震记录的峰值加速度

Table  4.  Peak ground accelerations of the two earthquakes

并址观测点	MS2.9地震PGA/（cm·s−2）				MS3.0地震PGA/（cm·s−2）
	东西向	南北向	竖向		东西向	南北向	竖向
自由场观测点	9.51	7.85	5.46		7.89	5.88	5.34
玻璃钢罩观测室	−10.47	11.28	4.99		9.32	6.10	−5.06
半地下观测室	10.28	10.39	−5.15		−8.82	6.82	5.20
小砌体观测房	−18.79	−8.89	−6.40		11.53	8.96	−5.17
大砌体观测房	−12.81	−11.10	−6.39		9.80	−8.36	4.12

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图  10  2019年4月14日M_S3.0地震并址观测强震动记录

（a） 自由场观测点；（b） 玻璃钢罩观测室；（c） 半地下观测室；（d） 小砌体观测房；（e） 大砌体观测房

Figure  10.  Strong ground motion records of the M_S3.0 earthquake on April 14，2019 at co-located observation sites

（a） Free field observation site；（b） Observation room with glass fiber reinforced plastic cover；（c） Semi-underground observation room；（d） Small masonry observation house；（e） Large masonry observation house

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图  11  2019年4月7日M_S2.9 （a）和2019年4月14日M_S3.0 （b）地震的强震动记录反应谱对比

Figure  11.  Comparison of the strong ground motion response spectrum from the earthquakes of 2019-04-07 M_S2.9 （a） and 2019-04-14 M_S3.0 （b）

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由表4可知，两次地震事件中4种观测场地东西向加速度记录绝对峰值均高于自由场观测点，其中小砌体观测房与自由场观测点的绝对峰值差最大，达1.97倍；南北向加速度记录绝对峰值均高于自由场观测点，其中玻璃钢罩观测室与自由场观测点的绝对峰值差最大，达1.44倍；两次地震事件中4种观测室竖向上加速度绝对峰值与自由场绝对峰值均稍有差异。由此可知，四种观测室对水平向地震动峰值均具有不同程度的放大作用，对竖向地震动峰值影响稍小，由于地震动记录较少，其影响规律不明显。

由并址观测实验地震动记录反应谱分析结果可知，四种观测室对水平向地震动反应谱均具有不同程度的影响，其影响是频率相关的，总体表现为对周期为在0.05—0.35 s时的地震动反应谱具有不同程度的放大（或减小）作用，且在周期0.05—0.1 s影响稍大，其余周期段影响较小；玻璃钢罩观测室、半地下观测室、小砌体观测房和大砌体观测房在周期0.2—0.35 s对水平向地震动反应谱的放大作用依次增大；四种观测室结构对竖向地震动反应谱亦具有不同程度的影响，其影响是频率相关的，总体表现为对周期0.05—0.15 s的地震动反应谱具有不同程度的放大（或减小）作用，其余周期段的影响较小；四种观测室结构对地震动反应谱的影响中玻璃钢罩的影响频段较窄、影响程度最小，且观测室尺寸越大影响频带变宽、影响程度增大，这与观测室结构型式对地震动影响的数值模拟结果近似；四种观测室结构对水平向地震动反应谱的放大（或减小）作用明显大于其对竖向地震动反应谱的放大（或减小）作用。

3.   讨论与结论

本文以强震动台站结构类型作为控制因素，通过数值模拟分析和并址观测实验分析等方法，系统分析了不同场地条件下观测室结构对地震动的影响，主要分析结论如下：

1） 观测室结构型式对地震动具有不同程度的影响，相对观测房对地震动的复杂影响，玻璃钢罩观测室和半地下观测室的影响较简单，表现为：玻璃钢罩观测室对地震动峰值具有一定的放大作用，半地下观测室对地震动峰值具有一定的减小作用，且其影响均随场地变软而增大；四种观测室结构中，玻璃钢罩观测室对地震动的影响最小。

2） 观测室结构型式对自振周期附近及短周期段内的地震动反应谱具有不同程度的影响，对于所分析的三种场地，大观测房自振周期附近周期段表现为放大作用，小于自振周期的短周期段表现为减小作用，且场地越软其影响频段变宽、程度愈显著；对于中硬场地，小观测房表现为放大作用，对于中软和软弱场地，自振周期附近表现为放大作用，小于自振周期的短周期段表现为减小作用，且场地越软其影响频段变宽、程度愈显著。对于所分析的三种场地对地震动反应谱的影响，玻璃钢罩观测室和半地下观测室的影响频带较窄，且玻璃钢罩观测室表现为稍有放大作用，半地下观测室表现为明显的减小作用，且场地越软其影响频段变宽、程度稍显著。

3） 不同设计观测室结构对水平向地脉动频谱均具有不同程度的影响，其影响是频率相关的，且均对竖向地脉动影响较小；玻璃钢罩与半地下观测室的地脉动影响频带约为15—18 Hz，且影响程度较小；小砌体与大砌体观测房对地震动的影响频带分别为12—18 Hz，10—16 Hz，大砌体房的影响较小砌体房明显。相比较而言，玻璃钢罩和半地下观测室对地脉动频谱的影响较小，砌体观测房对地脉动频谱影响较大，且观测房尺寸越大影响程度越大，是由观测室结构的自振频率和体量控制的，这与观测室结构型式对地震动影响的数值模拟结果近似。

4） 四种观测室对短周期段的水平向地震动反应谱均具有不同程度的放大（或减小）作用，玻璃钢罩、半地下观测室、小砌体观测房和大砌体观测房对水平向地震动反应谱影响程度依次增大；四种观测室结构对短周期段的竖向地震动反应谱亦具有不同程度的影响，且其影响程度明显较水平向小；四种观测室结构对地震动反应谱的影响中玻璃钢罩的影响频带较窄、影响程度最小，观测房尺寸越大影响频带变宽、影响程度越大，这亦与观测室结构型式对地震动影响的数值模拟结果近似。

综合数值模拟结果和观测实验结果可知，观测室结构对地震动的影响是客观存在的，由于观测室结构自振周期和体量的不同，不同观测室对地震动反应谱的影响频带和影响程度亦存在差异，比较而言玻璃钢罩的影响频带较窄、影响程度最小。因此，在开展实际强震动观测台站建设时应尽量选择玻璃钢罩观测室，若采用砌体观测房，应适当减小其结构尺寸。