多地貌单元复合场地非线性地震效应特征二维分析

针对由河漫滩、阶地、波状起伏的丘陵地带和残丘等组成的典型复合地形场地,基于ABAQUS软件的显式有限元并行计算集群平台,考虑土体的非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟切除的无限域对地震波动的影响,建立了大尺度复合地形真实场地的二维有限元模型,并将基岩地震动视为SH波,分析了不同地貌单元复合场地地震效应特征。结果表明：地形差异引起地表各测点峰值加速度(PGA)及峰值位移(PGD)不同;在相同地震波入射下,河漫滩区地表PGA大于Ⅰ级阶地区域,但其PGD明显小于Ⅰ级阶地区域,且河漫滩区的峰值位移差动较小;场地地表水平加速度反应谱呈双峰及多峰现象,加速度在0.4～1.2 Hz频段放大较多,且加速度反应谱特性与输入地震动相关;特定频段（0.5～1.75 Hz）地震动放大效应与聚集效应比较明显,频率小于0.2 Hz及大于2 Hz时,场地地震动放大特征不显著。低丘区的敏感频率段宽于河漫滩区;观测点的位置影响相应的水平加速度持时大小,局部地形变化将引起地震动持时差异,且持时和输入地震动特性相关。     

河口盆地非线性地震效应及设计地震动参数

针对基岩明显起伏、土层非均匀分布的典型河口盆地场地,考虑土体非线性特征,采用黏弹性人工边界模拟无限域对地震波动的影响,建立大尺度精细化二维有限元模型,分析了盆地地表地震动幅值、频谱、持时、传递函数特征,探讨了基岩起伏土层的地震动聚集效应及盆地边缘效应。结果表明：（1）盆地近地表土层表现出不同程度的地震动放大效应,且随土层深度增加呈非单调递减特征,基岩突变处地震动聚集效应明显,盆地两侧产生较为显著的边缘效应;场地中、长周期地震动的放大作用显著;（2）多遇地震、偶遇地震和罕遇地震水平时,场地卓越周期依次介于0.35～0.65 s、0.40～0.75 s和0.50～1.05 s之间;给出了盆地地表PGA（地表峰值加速度）、卓越周期均值等值线图及地表加速度反应谱放大因子建议值,地表设计地震动参数amax（地震影响系数）与Tg（特征周期）明显大于现行《建筑抗震设计规范》取值;（3）盆地特殊位置地表地震动持时得到不同幅度增长,且与输入地震动特性相关;（4）该盆地对0.5～2.0 Hz频段基岩地震动的放大效应比较显著,对小于0.2 Hz或大于2.5 Hz的基岩地震动,该盆地地震动放大效应不明显;（5）福州城区及其邻近区域地震动放大效应普遍较大。大尺度二维非线性分析一定程度上能合理反映微地形起伏、土层分布及土体非线性对地震波传播过程的影响。     

苏州第四纪深厚沉积层一维等效线性和非线性地震反应对比分析

合理描述土体动力本构关系对场地设计地震动参数取值的准确性有显著影响。以苏州城区200 m深的钻孔剖面为研究对象,对比分析了一维等效线性波传分析法（ELA法）和基于修正Matasovic本构模型的多自由度集中质量非线性分析法（NLA法）给出的深厚场地地震反应,研究了基岩输入地震动特性和地震基岩面的选取对深厚场地地震反应的影响。结果表明：（1）随基岩地震动强度（PGA）的增大,ELA法给出的地表PGA呈单调递增的特征,而NLA法给出的地表PGA呈先快速增大后缓慢减小或几乎不变的趋势;（2）ELA法和NLA法给出的地表加速度反应谱（Sa谱）在短周期范围内存在明显差异,ELA法对基岩高频地震动具有显著的滤波效应,而NLA法对基岩高频地震动的影响表现为随基岩PGA的增大先放大后减小的特征;（3）随地震基岩面深度的增大,地表Sa谱的谱值呈现出稍许增大的趋势,但对周期T<0.1 s部分,NLA法给出的地表Sa谱的谱值则呈现出稍许减小的现象;（4）中、大震作用下,地表地震动持时不仅与基岩地震动特性有关,还与地震反应分析方法和地震基岩面的选取密切相关,NLA法能更合理地反映基岩地震动强度和上覆土层厚度对地表地震动持时的影响。     

场地土的随机地震反应分析

研究了剪切模量随深度呈线性变化时场地土的随机地震反应分析方法, 分别建立了基岩输入地震动加速度功率谱函数为白噪声和过滤白噪声时场地土的随机地震反应分析理论。     

地震地面效应数值分析与模型实验简介

地震地面效应是地震工程和工程地震工作者共同关心的问题.前者着重研究地震动对上部结构的影响,后者则主要从事研究地震动对场地地基工程地质条件的影响.1979年对北京市区所作的一维地震反应分析,得出了土层厚度是影响地震地面运动的主要因素.输入地震动的卓越周期及其加速度峰值对反应谱形状的影响较时程曲线的影响明显.但一维方法只反映有界水平层及地震垂向上传.二维动力有限元地震反应分析改进了上述局限性,它可以研究任意形状的地基地质结构,能够反映埋藏基岩地形对地震波的折射、反射所产生的能量聚、散效应,埋藏基岩地形对地震地面效应的影响比上复松软土层土质不均匀的影响要大.超声地震模型实验首次引入工程地震学的研究课题中,得到了与上述数值分析方法相似的结果,并提出若干新问题.它提供了一种能够全面模拟震源—传播途径—场地地质结构的综合研究方法.     

软弱场地的地震动效应研究

软弱场地的地震动效应问题一直是工程地震学的研究重点。本文所说的软弱场地主要对应场地分类中的Ⅳ类场地,覆盖层较厚并含有软弱土夹层,以天津滨海地区为主要代表。研究表明,场地土本身对地震动具有放大作用,而软夹层具有减震作用,含软夹层的软弱场地对地震动参数的影响可以认为是场地土和软夹层对地震动参数的影响共同叠加的结果。叠加的结果将使其具有不同于其他场地的特点。本文选取了天津滨海地区不同地点的钻孔实例来进行计算,说明这类场地对地震动参数的影响。从计算的结果看,对地表峰值加速度而言,含软夹层的软弱场地的放大系数要小于其他类别场地的放大系数,而且在输入地震动较小时相对于地震动输入是放大作用;在输入地震动峰值较大时,表现为减震作用。对反应谱的特征周期而言,场地越软,反应谱越宽,特征周期值越大,而且随着输入峰值加速度的增加,特征周期也增加。对反应谱平台值来说,场地的影响并不显著。     

场地土对基岩峰值加速度放大效应分析

通过实际土层地震反应结果的统计分析和强震加速度观测结果的对比, 讨论了不同场地条件对基岩峰值加速度的放大效应及其特点。该分析可为地震动参数区划图编制和地震安全性评价中场地效应的估计、由基岩地震动估算场地地面地震动提供参考。     

川藏铁路线V形深切河谷地形地震放大效应数值模拟

V形河谷场地能产生地震动放大效应,并加剧地震的破坏作用和灾害效应。基于高性能离散元软件MatDEM,对规则V形河谷以及真实河谷地形下的放大效应进行数值模拟研究。结果表明,对于规则V形河谷,在地震波水平入射的情况下,背波坡面产生明显的地震动加速度放大效应,并在临近谷底处最为强烈;随着河谷坡角的增大,放大效应增大。数值模拟结果和解析解具有一致的趋势和规律,并符合现场观测现象。将模型进一步应用于川藏铁路线日扎深切河谷的分析,发现地形微小的转折将会影响到波的传播,临近谷底处的加速度放大效应与规则地形较为一致。离散元法能有效地模拟河谷中地震波的传播、反射、散射等现象,可用于川藏铁路沿线复杂条件下的动力作用灾害效应分析。     

核岛结构设计地基场地及计算基底效应研究

针对新型核电工程结构AP1000核岛结构设计地基中的5类非坚硬岩场地,即硬岩场地、软岩场地、上限软-中等土场地、软-中等土场地和软土场地,采用一维土层场地模型开展场地土和计算基底条件对设计地震动影响计算分析。分析中,场地模型的计算基底剪切波速分别取为700、1 100、2 438 m/s,计算基底输入地震动分别选择基于核电建设相关技术文件和规范规定的反应谱RG1.60谱、AP1000谱和HAD101/01谱（5个阻尼比）合成的人工地震动时程。计算分析表明：非坚硬岩场地会导致场地地震动峰值加速度及频谱特性显著变化,场地越软影响程度越显著;除软土场地外,场地对地震动峰值加速度和反应谱的影响均为放大作用,软土场地对地震动较低频段反应谱有放大作用,但对峰值加速度和较高频段反应谱具有强烈的减小作用;对于各类场地,计算基底及其剪切波速的变化均会导致地表地震动峰值及频谱特性明显甚至显著变化,其影响程度与计算基底剪切波速成正比;随着场地由硬变软,计算基底剪切波速的变化对场地地震动的影响程度大为减小,至软土场地几乎不产生影响。考虑到场地类型及计算基底选取对场地地震动的显著影响,我国核电厂建设引用AP1000标准设计时应合理分析场地的适宜性。     

远场大地震作用下大尺度深软场地的非线性地震效应分析

基于ABAQUS软件自行研制的并行计算显式算法集群平台,针对苏州城区典型地层剖面,建立了大尺度深软场地的二维精细化非线性有限元分析模型,对人工地震波和大地震远场地震动作用下深软场地的非线性地震效应进行了比较研究。研究结果表明：（1）与人工地震波作用时深软场地的地表峰值加速度放大效应相比,大地震远场地震波作用时的放大效应尤为显著,由于土介质的横向不均匀性及其非线性,使不同地表的峰值加速度放大效应存在明显的变异性。（2）深软场地对周期小于0.3 s的高频地震波均具有显著的滤波效应;大地震远场地震波作用时,深软场地对周期0.85～1.65 s的长周期地震波的放大效应非常显著,但对2.5～7.0 s的长周期地震波呈现出明显的滤波效应。（3）地震动峰值加速度PGA值沿土层深度和横向的分布形态呈现出明显的高低起伏现象,在不同成因的土层更迭面附近及土介质横向不均匀性显著的区域,地震波的局部聚焦放大和过滤减小现象尤为明显,且大地震远场地震动作用时,20 m以浅土层的PGA值呈现出非常显著的放大效应。（4）地震波的频谱特性、土层的横向不均匀性对深软场地地表加速度反应谱? 谱的谱形有显著影响;给出了描述加速度反应谱沿土层深度变化特征的三维谱形曲线,可以直观地展示出深软场地中细长地下结构地震反应可能存在类共振现象的土层深度。     

黄土塬地震动响应特征分析

2008年汶川Ms8.0级强烈地震对远离震中的黄土塬地区造成了较为严重的破坏,局部场地的震害和地震动放大效应显著。以典型黄土塬场地为对象,应用地形台阵流动观测和有限元计算方法,系统开展强震动作用下黄土塬边坡场地动力响应特征研究;应用大型振动台模拟试验和数值计算方法,重点探讨黄土塬平台场地在汶川地震作用下地表加速度响应随覆盖层厚度、地震动强度的变化规律以及对建筑结构的潜在影响。结果表明：黄土塬边坡顶部存在低频但较高放大系数的现象,可能与斜坡高差与入射波波长之比密切相关;大角度（60°～70°）黄土塬边坡对地震动的放大效应十分显著,坡顶加速度峰值（PGA）放大可达2倍,反应谱卓越周期放大可达5倍;较厚黄土塬平台场地加速度放大可达2倍以上,地震烈度增加1度,对于场地上固有周期0.7～2.0 s和周期大于3.0 s的建筑物地震反应将显著增加。     

SV波入射下河谷地形地震动分布特征分析

基于显式有限元方法和人工透射边界,对二维河谷地形在3条地震动波以SV波形式垂直入射和30°斜入射下进行了地震反应分析,比较了河谷地表各观测点地震动的差别,探讨了河谷地形地震动空间分布特征。结果表明,河谷地形对地震动分布具有重要影响,沿河谷斜坡顶到谷底的各观测点地震动峰值加速度（PGA）存在显著差异,地震动位移存在差动现象,地震动加速度反应谱在大于1 Hz的高频段差别明显。入射角度是影响场地地震反应的重要因素,斜入射时各观测点PGA和相对位移的离散程度明显大于垂直入射情形。     

考虑土体动力特征参数相关性的工程场地随机地震反应分析

研究等效线性化方法中土体动力参数不确定性对场地地震反应的影响,提出了可考虑土体动力特征参数间相关性的土体动剪切模量和动阻尼曲线随机样本生成方法,基于Matlab开发一维等效线性化场地地震反应分析计算程序,用于开展场地地震反应随机动力分析。以Ⅱ类成层场地为例建立一维自由场分析模型,采用不同地震设防水准下露头基岩场地加速度反应谱为目标反应谱,合成人工地震记录折半后作为场地下卧基岩处的输入。计算结果表明,考虑土体动力特征参数不确定性对场地地震反应具有较大的影响,且影响程度与地震动强度、频谱成分及场地基本周期均密切相关;场地最大峰值加速度和地表加速度反应谱的波动范围随地震动强度等级的增加而变大,且最大峰值应变和最大峰值加速度的波动范围可达10%和14%;目标反应谱平台段及场地基本周期处对应的场地地表加速度反应谱的波动范围超过20%。     

土的次非线性对桩基核岛结构三维地震反应的影响

随着核电厂工程建设快速发展,核电厂选址不可避免地要面临土质场地。土-桩-结构动力相互作用对核岛结构的抗震安全性评价具有重要影响。以国内某拟建的AP1000核岛工程为背景,建立土质场地-群桩-筏板基础-核岛结构动力相互作用体系的3D模型,考虑场址的区域地震环境与历史地震活动性,选用近场中强震、中-远场强震和远场大地震的三分量记录作为基岩输入地震动。使用一步法和二步法分别实现对土体真非线性和主非线性的模拟,通过对比这两种方法计算的核岛结构地震反应的差异,可知土的次非线性（soil secondary nonlinearity,简称SSN）对核岛结构地震反应的定量影响,也即SSN效应。发现SSN效应对核岛结构水平向地震反应的影响明显大于对竖向地震反应的影响,SSN效应会导致土质场地-群桩-核岛结构体系变得更“柔”;SSN效应与基岩输入地震动的特性强相关,近场中-强地震作用时SSN效应最强;SSN会显著增大核岛结构的峰值加速度和峰值相对位移反应,在核岛结构的抗震设计中不应忽视SSN效应。     

浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应研究

高山峡谷复杂地形是我国西部地区常见的地形和场地条件,大量的工程(桥梁、大坝等)修建在这类场地上。实际震害调查结果表明不规则地形对地震动具有明显的放大作用,对边坡的稳定性和建筑物的安全性构成不利的影响。因此研究高山峡谷复杂地形的地震动放大效应具有重要的工程价值。本文针对浅切割的高山峡谷复杂地形(山体顶和峡谷底的高差在100~500 m范围内),基于边界积分方程法获得场地任意点的地震动,详细探讨了入射波类型(P波和SV波)、入射波频率、入射角、山体和峡谷的几何参数对浅切割的高山峡谷复杂地形的地震动放大效应的影响,发现山体的存在明显改变场地地震动的空间分布;高山峡谷复杂地形对地表地震动的放大作用与入射波频率密切相关;不同的地震波类型对应不同的地震动空间分布模式;峡谷深度对地震动放大效应的影响取决于入射波的类型;不对称的几何形状导致地震动的空间分布也呈现明显的不对称,并且SV波入射时的不对称性强于P波;当地震波斜入射时,峡谷背向震源侧的地震动远大于面向震源侧的地震动。本文的研究方法可以获得考虑高山峡谷复杂地形地震动放大效应的场地任意位置的地震动,为边坡的稳定性分析提供更符合实际的地震输入。     

汶川地震远场黄土场地地震动场地放大效应机制研究

通过汶川地震震后科学考察发现,汶川地震局部场地的震害和地震动放大效应明显,地震对甘肃省境内远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏。在此基础上,结合钻孔波速测试,运用二维等价线性时程响应动分析法对甘肃省平凉市典型黄土塬进行了地震动力响应计算,分析了该地区局部场地条件对地震动放大效应的影响。研究发现,黄土塬具有地震动放大效应,随着塬高的增加,加速度、速度、位移均出现放大效应;随着地震动在黄土覆盖层中的传递,卓越频率向低频移动,高频成分被吸收,加速度反应谱中长周期分量逐渐增大。数值计算结果与实际震害基本吻合,其结果对黄土地区进行合理的抗震设防具有一定的科学意义。     

上海软土场地三维非线性地震反应分析

考虑土的非线性,采用弹塑性边界面模型,对上海软土场地进行三维地震反应分析。利用多维地震动作用下的水平地层弹塑性动力反应分析程序,以具有水平和垂直三向完整加速度记录的Taft波作为地震输入,对比分析单向和多向地震输入场地水平和竖向地震反应特征,并分析不同强度地震动输入下竖向和水平加速度峰值比特征及地下水位变化对场地土层地震反应特征的影响。计算分析表明,竖向与水平向地震反应特征有较大差异;与水平单向地震输入相比,三向地震输入场地土层放大效应明显增大;地下水位上升对水平向和竖向峰值加速度的放大效应影响差异显著,地下水位上升,地表水平峰值加速度放大效应增大,竖向峰值加速度放大效应减小,研究结果对上海地区的工程抗震设计具有参考作用。     

工程场地土层地震反应模型实例分析

在给定基岩地震输入的情况下计算实际场地土层不同深处的地震动反应谱,然后修改实际土层模型参数,在考虑土层厚度和软弱夹层变化的情况下进行地震反应分析,得出一些有意义的结论。     

竖向地震动对斜坡场地非线性地震反应的影响

国内外规范中推荐或强制规定竖向地震动取为剪切反应谱的1/2～2/3,但该规定如何改进使其更合理已成为一重要课题。首先,对其研究现状简单总结,给出了可处理辐射阻尼、地震动相位特性、计算高效的二维波动显式有限元等效线性化程序ELPSV编制的必要性,然后进行了分析。初步研究表明,竖向地震动强度对周期在0.3 s以下的地表剪切反应谱有一定的影响,而高于0.3 s部分影响轻微。竖向地震动强度对斜坡场地的竖向地震反应及地表竖向反应谱影响显著,按规范的取值将偏于不安全。受地形条件影响,坡顶剪切地震反应会比坡脚反应要大,而竖向地震反应并不明显。土层边界面的地震反应要比周围反应要低,交界面效应明显。软斜坡场地地震反应特性除场地竖向地震反应自下而上先增加后减小的规律外,其他情形与硬斜坡场地的规律基本一致。该结果定量反映了竖向地震动的影响程度,为斜坡场地上考虑竖向地震动的建（构）筑结构的抗震设计提供了有益的基础。     

确定大跨连续刚构桥地震动输入时程方法比较

以上海某大跨度连续钢构桥梁的场地为例,讨论动水压力对河谷场地土层地震响应的影响,通过对建筑结构抗震规范反应谱生成时程,采用一维、二维模型分别计算得到场地地震动输入时程。对比可以看出,考虑动水压力将会大大减小场地的竖向地震动反应,而动水压力对水平向的地震响应影响不大;反应谱生成时程的方法与一维模型计算得到的时程均与采用考虑场地地形变化的二维模型的计算结果有较大的区别;二维模型计算得到的时程反应谱的卓越周期超出规范反应谱的平台段。最后,讨论了河谷场地对周围场地的影响范围,结果表明河水及河谷对周围场地水平方向的影响范围是沿河谷外侧5倍土层深度或140倍河谷深度,在该范围内的建筑物均应考虑河谷的影响。