基于单台强震数据软厚场地地震反应不确定性分析

选取新西兰 Canterbury 地区12个强震台站及2010—2012年间的台站584条记录,以浅硬场地 LPCC 作为参考台站,系统分析 Christchurch 市区软厚场地地震效应（即场地放大函数）的不确定性及地震动强度、震级、震源距及震源方位角等因素对场地放大函数不确定性的影响规律。分析结果发现：1）地震动强度水平对场地放大函数均值影响较小,仅在长周期（如大于1．0 s）段趋于增大场地的放大效应;以不同地震动强度值进行分组,地震动强度大于0．6 m／s2的分组场地放大函数标准差显著高于地震动强度小于0．6 m／s2分组,特别是地震动强度大于1．0 m／s2时场地放大函数标准差最大,反映了场地土层非线性提高场地地震效应的不确定性;2）地震震级对场地放大函数不确定性影响小,不同地震震级分组场地放大函数均值及标准差的表现基本相当;3）震源距是场地地震反应不确定性的一个重要因素,震源距小于5 km 时场地放大函数的标准差明显大于其它情况,即震源距越小地震反应不确定性越大;4）场地放大函数不确定性与震源方位角的选取基本无关,即选取不同的震源方位角场地放大函数标准差无明显差别。     

基于强震观测的海域和陆域场地效应的对比研究

目前由于海域强震观测记录较少,对海域场地效应及同一地震作用下海、陆域场地放大特征的差异认识不足。利用美国海底地震观测系统获得的海域台站及其相邻陆域台站的强震观测记录开展了地震波形对比研究,并采用水平与竖向谱比(HVSR)方法分析了海、陆域场地效应的差异。研究表明,在相同地震作用下海域场地竖向地震动普遍小于陆域场地,海域台站观测到的面波成分比陆域台站更丰富。海域场地的观测HVSR在较宽频段大于邻近陆域场地,利用一维场地波速积分法的数值模拟能较好解释这一现象。     

安宁河河谷及邛海地区土层场地对地震动的放大作用

场地土层对地震动的影响研究一直是地震工程研究的主要问题之一。利用汶川地震中安宁河及邛海周边地区6个台站记录到的主震的加速度时程,采用传统谱比法研究了5个土层台站所在场地对地震动的放大作用,研究结果表明:1该区场地对地震动的放大作用与工程地质分区有着很好的相关性,不同的工程地质分区对地震动的放大效应不同,按放大作用大小排序,邛海湖滨平原亚区(Ⅲ3)邛海洪泛平原亚区(Ⅲ_2)安宁河平原区(Ⅱ)山麓坡洪积亚区(Ⅰ_2)中山基岩亚区(Ⅰ_1)。2工程地质分区为山麓坡洪积亚区(Ⅰ_2)的场地对地震动低频分量没有放大作用,但是对地震动高频成分放大作用显著。3工程地质分区为安宁河平原区(Ⅱ)的场地对地震动低频和高频都有放大效应,并且高频放大作用大于低频,并且3个分量放大作用在低频和高频表现不同,低频时地震动放大效应UDNSEW,高频时地震动放大效应EWNSUD。4工程地质分区为邛海洪泛平原亚区(Ⅲ_2)的场地对地震动低频和高频放大作用都非常显著,并且放大系数最大值所在的频带都在1 Hz左右,且放大最大值相差不大。5对于工程地质分区为邛海湖滨平原亚区(Ⅲ_3)的场地对地震动低频和高频放大作用都有放大效应,放大系数较大,且放大效应显著频段分布较宽。     

考虑海域衰减特性的日本相模湾海底场地放大研究

为研究海底场地放大特征，选取日本相模湾地区6个海底强震台站和附近23个陆地台站，共188次地震的8199条地震动记录；采用广义反演法研究了海域与陆域数据反演震源位移谱的一致性；借助非参数广义反演法不受传统衰减函数形式限制的优势，分析了衰减函数的特征，反演了日本相模湾地区海域品质因子；最后分离并研究了海底台站的场地放大效应。相模湾地区海域与陆域地下介质存在明显不同，在震源、传播路径和场地条件三种效应解耦过程中，海域与陆域采用相同的衰减函数，会影响海底场地放大效应的估计精度。该文在海底场地放大的研究中区分考虑了陆域与海域的衰减函数，结果表明：日本相模湾地区海域品质因子在高频处对几何衰减模型十分敏感，且小于陆地上的品质因子，即水平方向的地震动在海域衰减速度高于陆域；考虑海域衰减特性进一步提高了海底强震动台站的场地放大估计精度。     

中硬场地两种等效线性地震反应方法的对比

采用传统等效线性化(EERA)和频率一致等效线性(SOILQUAKE)对比分析基岩输入地震动特性对中硬场地地震反应的影响,分析结果表明:弱震时EERA和SOILQUAKE的地表峰值加速度差异基本可忽略;随着基岩地震动强度的增大,二者计算的地表峰值加速度相对差异越显著,EERA给出的地表反应谱在短周期放大效应逐渐减弱,卓越周期处谱值被显著放大;而SOILQUAKE得出的地表反应谱在短周期放大效应并未削弱,反应谱的卓越周期和周期大于0. 7s的谱值与EERA法基本一致。0. 3s加速度反应谱放大系数随基岩地震动强度增大而减小,但EERA放大系数减小过快,SOILQUAKE的表现则更为合理。故EERA对地震动高频的过分滤波作用存在不合理性,SOILQUAKE在地震动高频段的放大作用较EERA表现好。     

基于强震数据的场地反应项分析及地震动参数预测

场地反应项是描述场地地震反应特征的定量指标，也是标识场地自身频谱特性的特征量。选取新西兰南岛Canterbury地区20个地震台站，搜集2010~2012年14次强震记录210条，借鉴现有的基于单台地震数据的地震动残差分析方法及FA 2010和BA 2008两个地震动预测方程，研究选取台站的场地反应项曲线（δS2Ss值）。结果显示δS2Ss值与场地条件及沉积土层特性相关，与选取的地震动预测方程基本无关；δS2Ss值越大场地对地震动的放大效应越明显；反之，δS2Ss值越小场地减震效应越明显。采用地震动预测方程预测具体特定场地的地震动参数时，其结果存在一定的偏差和不确定性，通过场地δS2Ss值对预测值进行修正，将场地自身地震反应特性考虑到地震动参数估计中；相对于地震动预测方程的预测值，δS2Ss值修正的地震动参数更吻合实际观测值。研究可以期为考虑场地效应的特定场地地震动参数预测以及特定场地PSHA计算提供一条可靠的途径。     

盆地场地远场长周期地震动输入的确定

盆地场地的长周期结构在远场长周期地震动作用下震害明显,目前国内设计规范尚未将低幅值的远场长周期地震动记录纳入统计范围。研究盆地场地远场长周期地震动输入方法,可用于国内盆地建筑的抗震补充验算。文中针对日本沉积盆地台站地震动记录数据进行统计,拟合出盆地效应与沉积层厚度的关系曲线。结合国内板壳内地震下的基岩地震动衰减关系、盆地效应与沉积层厚度关系曲线以及局部工程场地放大作用,给出适用于国内的盆地场地远场长周期地震动输入方法。基于渭河盆地内的西安市区以及周边地震环境,进行了远场长周期地震动输入方法的案例分析。分析结果表明：盆地效应对加速度反应谱的放大作用和对地震波到达时刻的影响,均随盆地沉积层厚度的增加而变得更显著。文中方法综合考虑了震源分布、震级、震中距、盆地效应和局部工程场地的影响,可用于估计国内盆地场地远场长周期地震动加速度反应谱及其地震动时程,其模拟的加速度反应谱与地震动时程符合实际远场长周期地震动记录的特征。     

不同场地条件下钢筋混凝土框架结构的地震反应分析

从"5.12"汶川强震记录中挑选出四川省自贡地形台阵8个台站和宝兴县2个台站的加速度记录,进行了不同场地条件下的地震波频谱特性分析,比较了复杂场地地形条件下的地震动差异。以某钢筋混凝土框架结构教学楼为工程背景,利用ANSYS软件建立教学楼结构的有限元模型,进行了结构动力特性分析;在此基础上,以10条不同场地条件下的地震动时程按照规范调幅后作为输入,对这一钢筋混凝土框架结构进行了地震反应分析,探讨了不同场地条件下结构地震反应的差异。结果表明:自贡地形台阵随着测站高程的增加,地震动幅值递增明显;与基岩地震波的频带分布相比较,土层地震波的频带主要集中在较低频段,土层的高频滤波效应明显;场地条件对结构地震反应的影响较为明显,高程最大的地震波作用下结构的最大剪力响应增大明显。     

断层破碎带对场地地震动的影响

使用有限差分软件FLAC3D,建立均匀无限半空间中含断层破碎带场地模型,研究断层破碎带对场地地震动的影响情况,分析破碎带倾角、宽度以及输入地震动强度对断层场地地震动分布的影响。研究表明:断层破碎带对场地地震动具有放大效应,地表各监测点显示,断层上盘和破碎带中点附近放大显著。随破碎带倾角增加,峰值加速度曲线最大值减小,上盘放大作用减弱,下盘放大作用增强,具有不对称性,反应谱峰值在上盘和破碎带中点附近变化明显。随破碎带宽度增加,场地地震动放大效应增加。输入地震动越强,场地峰值加速度越大,且在断层上盘和破碎带中点附近放大显著,反应谱的面积中心前移。     

黄土地区场地条件对地震动放大效应影响研究

汶川Ms8.0特大地震在甘肃黄土灾区局部场地的震害和地震动具有明显的放大效应。通过在该区布设的地形调查流动强震动观测台阵,获取了同一山体不同高程的余震加速度记录,结果呈现出山顶记录到的峰值加速度大于山腰,而山腰记录也略大于山脚的规律。为了进一步分析黄土地区地震峰值加速度的放大机理,运用地脉动观测手段调查了其局部场地条件,得到了山体不同高程的卓越频率。并以典型黄土塬为背景,运用二维等价线性时程响应动分析法对不同覆盖层厚度和不同坡度的黄土塬进行了地震荷载作用下的动力响应分析,分析了不同条件下的山顶和山腰的地震峰值加速度放大特征。结果表明,地震峰值加速度放大效应和黄土覆盖层厚度及黄土边坡坡度有直接的关系。数值计算结果与实际震害观测吻合较好,证实了黄土覆盖层厚度和坡度是峰值加速度放大的重要因素。     

基于小波方法的近海域地震动时频特性分析

将小波变换的方法应用于近海场地地震动的时频分析。收集到了美国加州以及日本相模湾近海场地台站地震动加速度记录,并采用Matlab软件对其进行了6层小波包分解。分析了近海场地地震动加速度的能量谱以及时频分布特征,同时与同一地震事件相邻的陆域场地地震动加速度记录以及汶川、芦山地震的内陆场地地震动加速度记录进行比较。研究发现,近海场地地震动能量主要集中在前8阶子频带上,低频带能量占优势,能量分布与陆域相邻场地的不同,内陆地震动则在高频段有明显的能量分布|近海场地水平向和竖向地震动表现出能量分布的宽频带特性,但竖向地震动能量值远小于水平向,地震动能量在时间域内出现明显的二次释放过程。     

黄土斜坡场地动力特性的现场测试和数值模拟

为研究黄土斜坡场地的动力特性，对宝兰高铁秦安—天水南段某路基段斜坡场地进行现场振动测试，并利用有限元软件分别建立了在地震激励、列车激励以及地震、列车耦合激励作用下黄土斜坡场地模型。运用二维等价线性时程响应动力分析法对不同振源下黄土斜坡场地的动力响应进行计算，分析不同激励作用下黄土斜坡的场地效应以及土体参数对振动传播的影响。研究发现：列车激振波主要集中在10～80 Hz频段，坡面和坡顶对振动有明显的放大作用。另外，地震波与列车运行激振波在时域和频域均存在很明显的差异，列车激励引起的黄土斜坡场地的振动振波分布比较集中，单峰值有规律的出现，而地震波波形分布离散，地震波主要集中在0.1～25 Hz频段。同时黄土斜坡场地出现振动放大的位置不仅受到振动激励的影响，还与土体弹性模量密切相关。     

场地放大系数的理论解答

场地系数是各个国家和地区规范中考虑地震动场地效应的关键指标,决定着各类工程结构设防水准,但国内外规范就此存在显著差别。采用土层–基岩理想场地模型,导出了土层场地与参考基岩场地地震动响应定量关系解析表达。提出了场地放大系数一般规律,并通过数值模拟验证了其可靠性,在此基础上对国内外规范场地系数的合理性进行检验。结果表明:土层场地地震动响应与参考基岩场地相比,在全频域空间恒定表现为放大,场地放大系数随场地变软整体表现出增大趋势,这与美国新规范场地系数取值和规律一致;中国规范中软场地系数取值严重偏于保守,强烈地震动作用下软场地系数小于1的现象不合理,中国规范Ⅳ类场地系数普遍小于Ⅲ类的取值方案有待商榷。     

河谷场地地震波传播解析模型及放大效应

从形态上看,自然界存在平坦、凸起和凹陷3种常见的地形及场地条件,而河谷场地是一种常见的凹陷地形,且在河谷场地修建了大量工程(如土石坝、桥梁等)。实际震害调查表明地形及场地条件对地震灾害影响很大。针对河谷场地地震波传播解析模型及放大效应,全面总结了笔者及其课题组长期以来的研究成果。主要包括以下4个方面:(1)提出了近源地形与场地效应的概念,用线源柱面SH波模拟入射地震波,平面波是其远场入射的特例,构造了线源柱面SH波自由场,定义了近源激励下的放大因子,实现了入射波波前弯曲及其地形放大效应,为其它地形和场地引起的近源放大效应研究开启了新的可能。(2)构建了非对称V形河谷地震波传播解析模型,包括亥姆霍兹运动方程、河谷表面自由边界条件及虚拟辅助边界应力与位移连续条件,提出了区域分解与区域匹配分两步走的策略,首先将整个区域分解成3个符合极坐标系的子区域,在子区域中对运动方程进行求解获得相应的波场(含有未知系数),然后将各个子区域的波场在边界进行匹配,利用边界条件求解未知系数,从而获得整个区域的波场解答以及柱面SH波的二维散射规律,揭示了非对称V形河谷的差异放大效应,这将对建在非对称V形河谷上的长大跨度工程有着不可忽视的影响。(3)U形河谷在地球表面是普遍存在的,由于缺少实际地震记录和理论研究,U形河谷的地形放大效应仍然未知。构建了U形河谷解析模型,本质上也就是亥姆霍兹方程的边值问题,并得到了这个问题的波函数级数解,发现了U形河谷谷底对地震波的异常放大现象,改变了学术界以往认为凹陷地形底部地震动一定会衰减的不全面认识,并被用来解释中世纪暖期美国亚利桑那州的大量山体落石与滑坡现象。(4)河谷常有沉积物(覆盖层),覆盖层将进一步加剧地震放大效应。构建了线源柱面SH波半圆形沉积谷解析模型,并给出了其解析级数解,发现覆盖层对地震波有明显的放大效应,且覆盖层阻尼比较小时剧烈放大,这将加剧工程结构的破坏。最后,考虑河谷场地地震放大效应进行河谷两侧边坡地震稳定性分析,及土石坝地震反应分析与坝坡地震稳定性分析,认为河谷场地地震放大效应对边坡工程与土石坝工程抗震分析有着重要的影响。     

地裂缝场地地震破坏特征及力学响应研究

为系统研究地裂缝场地动力响应规律,以西安f4地裂缝为背景,设计并完成地裂缝场地土体振动台模型试验,获得场地土体的动力特性变化规律、加速度响应分布规律以及地震损伤发展特征。运用数值计算方法,分析地质构造特征对地裂缝场地动力响应的影响规律。研究结果表明：地震作用下,上盘土体的地震响应比下盘更大,裂缝出现时间更早,破坏更严重;随着地震强度的增大,土体损伤加剧,刚度大幅退化,两盘土体的动力特性趋于一致,动力响应的“上下盘效应”也不再显著;加速度放大系数由土体底部到顶部逐渐增大,表现出明显的放大效应,但不同土层、不同地震波的放大程度不尽相同;地裂缝场地构造特征会影响地震波在土体介质中的传播方式,改变场地的振动特性。     

超高层建筑竖向地震响应的特点与应对方法

计算了6个不同高度和不同结构体系的超高层建筑模型的竖向自振周期和竖向地震响应;分析了超高层建筑竖向构件和水平构件的竖向地震动响应特征。研究发现,超高层建筑水平自振周期远大于场地特征周期,而竖向自振周期则与场地特征周期接近,竖向振动响应得到放大。根据设计反应谱,对于各种抗震设防烈度,结构总竖向地震作用标准值FEvk都至少是结构总水平地震作用标准值FEk的2. 44倍。进而提出描述超高层建筑受到竖向地震全过程的4个概化模型,并指出规范简化算法的局限性。提出竖向地震作用对P-Δ效应与P-δ效应的放大主要体现在P值增大,使得"重力二阶效应"变成"重力与竖向地震响应共同作用下的二阶效应"。采用时程分析法研究了水平构件振动加速度响应,提出二次振动和竖向构件错动对水平构件振动响应有显著影响。分析了采用振型分解法计算超高层建筑竖向地震响应时质量参与系数偏低的原因,并指出当结构高度超过某一数值时,竖向地震作用下的结构第一阶振型会从竖向振动转变为水平摆动。     

近场强震作用下上海地区百米高层建筑地震动反应分析

首先,依据汶川地震中不同震中距基岩地震波记录,选取假设上海近场发生M8.0级强震时的基岩地震波.然后,对上海某百米高层建筑场地进行深覆盖土层地震反应分析,获得该场地在近场强震时的地表波.最后,以此百米高层建筑为例,分析该结构在此地表波作用下的地震动反应特点,从而评估近场强震对上海高层建筑的影响.分析结果表明:结构在双向地震动作用下的反应与单向地震动作用下的反应有明显不同.其中,地震动垂直分量对结构顶层节点竖向反应放大作用显著;地震动水平分量对结构顶层节点三个方向反应都有放大效应;地震动水平分量对结构层间位移角起决定性作用;地震动水平分量对结构底层角柱内力的影响大于地震动垂直分量对其的影响.     

考虑土层非线性效应的四川地区场地放大系数模型

为研究四川地区场地放大效应对地震动的影响,选取了该地区105个场地的钻孔资料和897条强震记录,结合强震数据分析和等效线性化计算结果讨论了地震动强度、场地条件对地震动场地放大的影响,建立了考虑土层非线性反应的场地放大系数模型,并探讨了模型在地震动估计中的应用效果。对模型结果的分析表明:当地震动强度较小时,场地放大系数随Vs30增大而减小,减小的幅度与反应谱的周期相关,当周期为0.2 s时,减小得最为显著;当地震动强度较大时,在同一场地上,场地放大系数随地震动强度增大而减小,减小的幅度与反应谱的周期相关,当周期大于1 s时,场地放大系数与地震动强度无关;此外,土层非线性反应对地震动的影响随场地变硬而不明显,当Vs30大于500 m/s时,可忽略这一影响。与只考虑线性场地反应影响的地震动衰减关系相比,利用本文模型建立的地震动衰减关系可显著地减小估计四川地区地震动时的标准差,尤其对于近场短周期地震动减小幅度可达12%。     

某核电结构考虑场地及SSI效应地震输入分析

如何确定结构地震输入一直是工程界关注的热点、难点问题。尤其对重大安全工程,如核电结构。综述了3种确定地震输入方法(直接选波输入、自由场地震输入、SSI地震输入)。以某典型核电结构为分析对象,对比了3种地震输入特点以及场地效应对不同分析模型地震输入影响。分析表明,地震输入考虑场地效应及SSI效应后,在场地特征周期、SSI体系主周期点位置(附近)产生放大作用,场地剪切波速越小,效应越明显,此特征有助工程人员辨识地震反应危险点,具有较强工程指导意义。     

山区多层接地隔震框架结构的抗震性能研究

筛选来自台湾集集地震同一场地类别上的三个台站的地震波,包括两条近断层地震波TCU054与TCU068和一条远场波ILA007,引入多次透射边界以模拟场地的无限性,利用二次开发后的ANSYS建立考虑土-结构相互作用的山区多层接地基础隔震与层间隔震框架结构有限元模型,针对近断层地震动与远场地震动作用下山区隔震框架结构的位移、加速度、层间剪力与层间位移角等地震响应进行对比分析。结果表明:远场地震动作用下三种结构中位于陡坎上部楼层的层间剪力的相对关系均为非隔震层间隔震基础隔震,而两种隔震结构中位于陡坎下部楼层的层间剪力值很接近,与非隔震结构的相对关系与土体的刚度有关。多层接地框架的两种隔震形式均放大了掉层部分的层间剪力,但远场地震动作用下的放大效应比近断层地震动作用下的放大效应要低。两种隔震结构中位于陡坎上部的楼层在近断层地震动作用下的响应均大于远场地震动作用下的响应。