工程随机地震动物理模型的参数统计与检验

利用PEER强震记录数据库,确定了一类实用的随机地震动模型的参数概率分布。依据GB50011-2010规定的场地类别,对4438条实测地震动记录进行分组。引用系统识别方法对不同场地上的地震动记录进行参数识别,据此结果,对工程地震动物理随机函数模型的基本参数进行了统计分析,给出了随机地震动模型参数的概率分布密度。对基本随机参数的概率空间进行剖分,结合波群叠加方法生成地震动时程,计算获得了随机地震动反应谱。通过比较随机反应谱和实测地震动反应谱的统计特征量,验证了地震动物理随机函数模型及基本随机参数统计结果的正确性。     

高频地震动随机模拟方法研究

基于地震动时程记录、震源破裂过程和场地模型的近断层强地震动模拟方法是目前估计地震动输入的重要方法之一,也是岩土地震工程研究的热点问题之一。由于大部分建筑自振周期在3.0 s以内,因此对地震动的高频成分更为敏感。本文以适用于模拟高频地震动的随机模拟方法为研究对象,系统地归纳和总结了该方法的研究历史和现状,详细介绍了其模拟的原理,并评述了随机点源模型和有限断层模型的特点。在此基础上,针对该方法中存在的一些问题,开展了深入系统的研究,主要研究工作和取得的成果如下:(1)建立了拐角频率和震源破裂速度的关系。推导了震源谱中拐角频率的表达式,明确了推导过程中的假设条件和适用范围,阐明了拐角频率在不同的假设条件下有不同的表达式。结果表明,无论是点源模型还是有限断层模型,拐角频率应和破裂速度有直接的联系。本文给出的拐角频率和破裂速度之间的表达式,可以弥补Boore和Motazedian有限断层模拟程序在理论上的不完善和矛盾之处,在理论上补充和完善了拐角频率的表示方法。(2)统计分析了汶川特大地震主、余震高频衰减参数kappa的分布规律。通过对不同场地、不同震级、不同距离下强震记录的分析,本文认为,高频衰减参数kappa和震级、震中距、场地以及统计的频段有关,同时也存在一定的随机性,且随机性的影响有可能更大。结果表明,水平向强震记录的kappa值大于竖向的,同时发现一定比例的竖向强震记录甚至表现出高频增大的趋势。对于水平向强震记录,在震中距或震级较小的时候,也可能会出现高频增大的情况。按照我国抗震设计规范的场地分类方法,将台站分为三类场地,分别统计了Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地kappa值随震级和震中距的变化规律,并给出了拟合公式。(3)提出了一种确定输入参数的方法,给出了地震动随机模拟方法中主要输入参数的取值范围,并分析了输入参数取值对地震动模拟结果的影响。本文利用随机模拟方法,分析了应力降、震源处密度、破裂速度、剪切波速、品质因子、高频衰减参数等输入参数对地震动峰值加速度PGA、反应谱Sa和放大系数β的影响。结果表明,上述输入参数取值变化对模拟结果的PGA均有一定的影响,按照敏感程度依次为应力降、高频衰减参数kappa、品质因子Q_0、震源处密度、破裂速度、品质因子指数、剪切波速。其中,kappa对放大系数β的影响最大,会改变放大谱的形状,其他输入参数的变化对放大系数β影响则很小,因此输入参数的取值变化对反应谱的影响主要取决于对PGA的影响程度。针对输入参数对模拟结果的影响程度,本文对输入参数的取值提出了相应的建议。在缺少反演结果的情况下,对于较不敏感的参数,可以在经验值范围内选择;对于敏感的参数,则需要搜索一个最优值使得各台站模拟记录与实测记录之间的误差最小。这一方法可作为随机模拟方法输入参数取值的参考依据。(4)利用随机有限断层模拟方法模拟了鲁甸M_S6.5地震的基岩台记录,提出了一种地震动模拟的工程方法。本文分析并总结了鲁甸地震震源机制的反演结果,结合本文对拐角频率的改进和输入参数的确定方法,利用随机有限断层模拟方法模拟了鲁甸地震基岩台的加速度时程。从结果来看,模拟地震动的峰值加速度PGA和反应谱均与实测结果较为接近,这表明随机有限断层模拟方法可以用于模拟近场地震动,也验证了本文的研究结果的合理性和可行性。对于没有强震记录对比的工程场地,本文提出了一种工程方法,它的原理是将反应谱的模拟分为PGA和放大系数包络线两部分内容分别合成,PGA的取值范围由随机模拟方法和地震动衰减关系联合确定,采用随机模拟方法确定放大系数的包络线。这种方法考虑了不同相位谱对地震动的影响,并结合了地震动衰减关系的研究成果,可以提高模拟地震动的精度,并给出了多条地震动时程曲线,拟合得到的时程反应谱包络线可以有效涵盖实测记录。该方法可用于模拟缺少强震记录工程场地的地震动。     

基于物理的随机地震动模型研究

基于物理联系研究地震动随机性,建立了随机地震动与基底输入傅氏谱、场地固有圆频率和场地等价阻尼比之间的物理关系,从随机傅氏谱函数角度描述了地震动随机过程的随机性本质。结合Ⅳ类工程场地的实测地震动记录资料,由数值方法识别了给出基本随机变量的概率分布参数。与实测记录对比表明,本文建立的随机地震动模型具有明确的物理概念,可充分反映地震动的变异性特征。     

基于工程特性的主余震型地震动降维模拟

余震是由主震孕育而来,两者之间存在着一定的关联性,如何构造主余震型地震动模型,是工程结构抗震分析的基础。着眼于地震动的工程特性,根据主余震之间的峰值加速度、强震持时、场地卓越频率等要素,分别建立主震和余震自身的演变功率谱模型,基于非平稳随机过程的谱表示,通过引入随机函数降维模拟方法,实现仅用三个基本随机变量即可精确模拟主余震型地震动过程。研究表明,采用该降维模拟方法的效率和精度均满足工程需求,且与实测主余震型地震动记录的反应谱和幅值谱拟合一致,验证该模型与方法的优越性,为工程结构在主余震型随机地震作用下的抗震分析提供有效途径。     

基于实测记录分析场地因素对海底地震动特性影响

目前基于海底实测记录的分析发现海底与陆地地震动特性存在明显差异,但难以进一步确定海底地震动特性的影响因素。在以往研究的基础上对比同次地震中相邻海底台站间地震动特性的差异,并分析造成差异的原因。以日本K-NET地震台网中6个海底强震台站及其相邻不同场地条件陆地台站监测的8次强震记录为研究对象,通过分析强震记录的峰值加速度、水平放大系数谱、竖向与水平反应谱的比谱等,对比分析不同海底台站地震动的特性,以及海底台站与相邻不同场地条件陆地台站地震动特性的差别。研究发现：（1）海底与陆地竖向地震动存在明显差异;（2）不同海底台站间地震动特性亦存在较大差异和明显的规律性,海底场地条件、地形等场地因素对海底地震动特性的影响较大;（3）海底水平向地震动反应谱的特征周期较大,谱特性介于陆地中硬土与软土场地间。     

基于小田原试验场地数据的不同基岩输入模型对预测地震动特征的影响研究

随着强震台网的密布及观测记录的增加,为研究各类局部场地地震反应预测模型的合理性提供了有效的参考依据,也使利用强震记录及场地条件研究地震动特征成为可能。选取场地地质参数资料和地震记录数据齐全的日本小田原（Ashigara Valley）盲测试验场地,通过对比不同地震动输入方式及场地反应分析模型,研究地震动特征,分析现有模型的优劣。基于1990年8月5日M5.1强震事件的地表基岩记录和地下基岩地震记录,采用地下台强震记录直接输入、地表基岩台强震记录减半为基底地震动输入、地表基岩台强震记录反演为基底地震动输入作为3种基岩地震动输入。基于局部场地条件分别建立一维等效线性模型、二维黏弹性模型及二维时域等效线性化模型等工程中常用的场地数值分析模型,进行局部场地地震反应分析,预测该盲测场地的地表地震动特征,并与对应的实测强震记录结果进行对比,分析不同基岩地震动输入方式对预测地震动特征及地表土层反应谱特征的影响,重点分析地震动输入、土体非线性、场地横向不均匀性及几何与非线性特征共同作用等因素对地表地震动特征的影响,以期为地表地震动的合理预测提供参考。     

爆炸波土层动力响应对比分析

以人工爆炸波为震源,通过现场测试获取基岩及土层的地震动参数,并采用等效线性化分析方法计算相应的地震动参数用于与实测结果进行对比分析。峰值加速度对比结果表明,等效线性化分析方法对于Ⅱ类场地的适应性较好,计算结果与实测结果非常接近,而Ⅲ类场地的计算结果与实测值之间存在较大的误差。加速度反应谱的对比结果表明,无论是计算结果还是实测记录,加速度反应谱的峰值均比基岩输入的要大,且土层反应计算的结果小于实际记录;加速度反应谱的宽度与场地类别关系密切,Ⅲ类场地明显比Ⅱ类场地要大,两类场地的计算结果也均小于实测值。     

古田地震水口水电站重力坝强震观测记录的谱结构特征

通过对水口水电站重力坝强震反应台站在古田地震中获取的强震反应观测资料进行信噪比、反应谱和功率谱分析,得到如下结论:①大坝在0.7～15 Hz频率段的振动特性较为可信;②坝基和自由场输入地震动富于高频,峰值加速度反应谱存在较大差异;③坝基输入地震动存在差异性,建议今后此类大坝抗震设计时考虑多点地震动输入;④单个卓越频率携带的能量对反应谱影响不大,反应谱是和输入地震动总能量相关的;⑤坝体刚度较大,此次地震中还处于线弹性状态。初步了解了强震记录的地震动特性和大坝结构的抗震性能,对认识水库地震近场地震动特性和重力坝地震反应有一定的参考意义。     

全非平稳地震作用的结构随机反应与可靠度分析

在平稳地震动过程的Clough-Penzien功率谱基础上,采用林家浩非均匀调制函数建立全非平稳地震动过程的演变功率谱。根据我国现行的《建筑抗震设计规范》进行全非平稳地震动演变功率谱的参数识别研究。应用非平稳随机过程模拟的谱表示-随机函数方法,生成建筑结构抗震设计所用地震动的代表性样本集合。通过代表性样本集合的二阶统计值及地震反应谱与目标值的拟合比较,验证本文方法的有效性。最后结合概率密度演化方法,进行以层间位移角为控制准则的结构随机地震反应分析与抗震可靠度计算。     

强震动记录选取中目标谱的研究及应用

随着强震动观测技术的发展,强震动观测数据的累积推动了结构抗震设计理论的发展。目前,在许多国家的抗震规范中都将结构动态时程分析方法列为静态设计方法的必要补充,但对于高层建筑、大跨结构等特殊结构形式及重要建设工程,要求强制使用动态时程分析方法。我国结构抗震设计规范及相关标准关于强震动记录选取的规定过于笼统,结构设计人员在面对大量强震动记录数据时缺乏明确的选取依据。本文搜集整理了国内外现有强震动记录数据,通过对地震参数的统计,提出基于场地类型的改进反应谱谱值相关系数经验公式,并将其应用于条件均值反应谱(conditions mean spectrum,CMS)的建立。同时,本文基于地震动衰减关系建立地震信息与抗震设计参数的对应关系,将其作为匹配规范标准谱选波方法的筛选依据,进而明确了抗震规范中强震动记录选取的初选条件。研究中发现,规范标准谱不宜作为谱形匹配选取强震动记录的目标谱,因此,提出两种建立合理目标谱的方法:一是基于地震动衰减关系建立PGA目标谱;另一是基于地震参数建立EPA均值目标谱。最后探讨了在地震安全性评价工作中实际强震动记录的选取及应用。本文主要研究内容及结论如下:(1)通过对20 000余条强震动记录的地震动参数进行分析,发现记录的加速度、速度及位移峰值和反应谱谱值的相关系数的分界周期点随着场地条件而变化,并提出基于场地类别改进反应谱谱值相关系数经验公式。改进后的反应谱谱值相关系数经验公式改善了目标谱的场地特征,使其更符合场地条件的要求。(2)针对抗震设计规范中关于强震动记录选取的相关条款,提出强震动记录选取的基本原则和具体方法,为完善相关规定提供参考依据。针对一般建设工程,依据地震动加速度峰值(PGA)衰减关系,提出同等设防PGA目标值对应的地震参数范围,建立断层距和地震设计分组的对应关系,进而确定强震动记录选取的初选条件。讨论了结构响应和强震动记录反应谱谱值的关系,以典型框架结构为例确定匹配周期范围。结构位移反应与强震记录反应谱相关性分析表明,两者在结构自振周期前后相关关系最为显著,距离自振周期越远的反应谱值与结构反应的相关系数越小。基于以上分析,建立了选取强震记录的基本原则:以距离和场地条件作为强震动记录选取第一限制条件。根据结构自振周期确定匹配规范标准目标谱周期范围,建议的匹配周期范围为0.4T1~1.5T1,最后由实际记录与规范标准谱在匹配周期范围内的均方差由小到大的顺序选取记录,记录的放缩系数限定在0.2~4.0之间。(3)本文基于地震动衰减关系,建立PGA目标谱并匹配目标分布的强震动记录的选取方法。对于未进行地震安全性评价,无法提出地震参数的一般建筑工程拟建场地,先利用PGA衰减关系,确定同等PGA目标值下的震级和距离,再代入加速度反应谱衰减关系,确定与PGA目标值对应的反应谱即为PGA目标谱。PGA目标谱不仅是确定的均值谱,而且具有概率含义。PGA目标谱的分布及概率特性反应了地震动的不确定性,进而为结构反应的离散性提供了一个合理的参考范围。(4)本文按场地条件和断层距将现有强震动记录数据分组,建立EPA均值目标谱。通过将EPA均值谱、PGA目标谱和规范标准谱进行比较,EPA均值谱与PGA目标谱谱形相似均具有良好谱形,匹配效果优于规范标准谱。建议规范标准谱作为强震记录选取的目标谱时,需要:(1)增加特征周期;(2)减小地震设计分组1、2组,场地类型为I类场地和II类场地的中长周期段反应谱值。(5)探讨了地震安全性评价工作中强震动记录的选取,结合不同等级的工程场地地震安全性评价,提出与之相适应的强震记录选取的基本方法及原则,建议如下:(1)I级安评的工程场地,采取基于设定地震的强震动记录选取方法。首先根据设定地震确定地震参数的初选条件,然后以场地设计谱作为目标谱,匹配场地设计谱选取记录。(2)II级和III级安评的工程场地,采取建立条件均值目标谱的方法。即以场地设计谱上结构特征周期点对应的加速度反应谱值为条件,利用设定地震的震级和距离等基于加速度反应谱衰减关系建立条件均值目标谱,并采取匹配条件均值目标谱分布的方法选取强震动记录。(3)Ⅳ级安评的工程场地,根据目标PGA值,采取PGA目标谱的方法选取强震动记录。     

以反应谱和功率谱密度函数表征的强震运动的统计特性

文中利用我国海城和唐山地震１９０条强震记录和美国西部１３８条强震记录研究了以反应谱和功率谱密度函数表征的强震运动的统计特性。反应谱用最大地面加速度归一化，即表为谱放大系数，功率谱密度函数用金井清谱描述。文中研究了参数的统计值和依赖性，以及谱放大系数和金井清谱参数与场地条件、震源和震中距等之间的相关性，分析比较了中美两国强震运动谱的统计特性，并对我国地震工程应用的强震运动谱的统计参数值的选取提出了建议。     

基于数值模拟的设定地震场地谱时程拟合方法

本文将确定性数值模拟方法与地震动预测方程相结合,提出了一种重大水电工程场址设定地震的地震动时程生成方法。该方法基于场址设定地震,首先采用地震动预测方程确定场址的场地相关反应谱;其次建立包含震源和场址的场地模型,通过确定性数值模拟方法生成场址地震动时程;最后对生成的场址地震动时程进行调整,使其反应谱与设计谱相一致,用于工程抗震分析。这一方法生成的地震动时程既考虑了震源机制、传播路径以及局部场地效应等物理背景,又与场地相关的设计地震反应谱保持一致,为重大工程抗震分析与评价提供了一种新的思路。     

汶川地震远场地震动场地相关性与分析方法评价

为考查远场地震动的场地相关性并评价一些场地特性分析方法的适用性,采用不同方法对汶川地震山东省12个远场台站的强震记录进行了分析.选取台站分别位于按建筑抗震设计规范(CBC)场地划分中的Ⅰ—Ⅲ类场地上.地震动记录的分析方法包括傅里叶幅值谱法,地震反应谱法,水平与竖向谱比率法,参考点谱比率法,以及尾波分析等.结果表明,按傅里叶幅值谱法,地震反应谱法,水平与竖向谱比法计算得到的卓越周期均远大于台站场地的卓越周期,不同方法得到的结果之间也有较大差别,且主要反映长周期地震动的卓越频率;参考点谱比率法的结果未反映地震动的卓越周期,也与场地的卓越周期差别较大;对完整记录尾波分析所得的结果比较接近场地的卓越周期.希望本文能为考虑远场地震作用时设计谱的建立,以及场地特性估计时地震动分析方法的选取提供参考依据.     

H/V谱比方法在强震记录应用中几个影响因素的初步研究

随着我国强震记录的积累,利用强震记录进行工程场地抗震设防研究成为必然。使用滇西南地区2007—2011年间强震台网记录到的强震动记录数据,研究使用水平/垂直谱比法(H/V)处理强震数据时的几个影响因素。通过研究发现:在使用H/V谱比法进行场地地震效应研究时,强震记录和地脉动记录存在较大的不同;使用强震记录可以获得更多的震源和台站场地参数信息,但这同时也相应增加了强震数据使用时的难度。比较国内外学者使用强震数据进行场地地震效应的研究成果,分析在使用强震数据时存在的问题,最终给出使用强震记录研究场地效应的建议。     

2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震强震记录及特征分析

2017年8月8日四川九寨沟县发生7.0级地震,中国数字强震动台网布设在四川、甘肃、陕西、宁夏的66个强震台获得主震加速度记录。本文首先对198条三分向强震记录进行常规处理,计算出近场强震记录的加速度峰值随震中距的分布情况;再根据2个典型台站的加速度时程记录,通过计算其加速度反应谱并与设计反应谱比较,分析本次地震的基本特征;然后将实际观测数据与意大利新一代地震动衰减公式对比,分析峰值加速度（PGA）及谱加速度的衰减关系;最后结合已有的工程场地钻探资料,采用H/V谱比法对2个不同类别的典型台站进行地场地效应分析,发现该方法能很好地反映实际台站场地的反应特征。     

台湾集集大地震及其余震的长周期地震动特性

用丰富的高质量数字强震记录对台湾集集大地震及余震的长周期地震动特性进行了研究. 本文主要研究了长周期地震动的强度随震级、距离及场地条件的变化情况;同时对近断层的长周期地震动特性进行了分析. 结果表明,集集大地震及余震的长周期地震动反应谱的形状主要受场地条件和震级控制（D+E类场地的反应谱要比B+C类的宽,震级大的反应谱要比震级小的宽）,而受距离影响并不显著;近断层长周期地震动明显受断层活动特性影响:上盘的长周期地震动比下盘的强,北部的比南部的强.      

拟合反应谱峰加速度和峰速度的人造非平稳地震动

为满足重要工程对设计地震动的需要,文中研究了一种考虑场地附近天然地震记录数据相位非平稳特性、同时拟合S0A(T)、PGA和PGV的人造地震动技术,并以新疆玛纳斯县城区基岩场地为例,利用该区域强震记录提取的天然地震动非平稳相位,进行了非平稳人造地震动的合成。研究成果可为拟合反应谱人造地震动的工程应用提供参考。     

基于现行规范场地划分标准的地震动反应谱衰减关系

根据钻孔资料,将各国强震记录按照我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中的规定进行场地分类,利用这些强震记录,统计分析了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的地震动加速度反应谱的衰减关系并分析了其特点。当震级和震中距相同时,土层场地的反应谱在大多数周期上要比基岩场地的大一些,这也说明了,设计反应谱的最大值随场地条件是变化的。文中结果为我国土层场地的地震动加速度反应谱估计提供了依据。     

地震动特性参数对结构响应影响的近似定量关系

<正>地震动非平稳特性对结构响应有重要影响。通过讨论地震动特性参数的变化对结构响应的影响,建立地震输入对结构影响的近似定量关系。通过分析对地震动强度非平稳特性的描述参数,选取强震平稳段持时和下降段衰减系数来描述地震动强度的非平稳特性,并对大量地震动记录的统计分析确定了各参数的取值范围。基于DOE技术,采用均匀设计分析各参数的实验水平数,及各水平的取值情况,获得24组不同的参数组合。论文基于特定的目标谱,对设计给出的24组参数组合进行分析,对每组参数拟合得到了7     

近场地震动频谱特征周期研究

基于999条具有完整信息的欧洲及其毗邻地区的近场强震动记录,对反映地震动频谱特性的不同特征周期参数(反应谱卓越周期T。、平滑化反应谱卓越周期T_o、傅氏幅值谱平均周期T_m)进行了研究,分析了场地条件、地震震级等因素对近场水平向及竖向地震动频谱特征周期的影响,并探讨了我国现行规范中设计反应谱特征周期T_g取值的合理性问题。统计结果表明:在近场区域场地和震中距仍是影响地震动频谱特征周期的重要因素,因为近场地震动的复杂性,震级对地震动频谱特征周期的影响不是很明显;近场区域竖向与水平向地震动的频谱特征周期有明显差别,且场地越软竖向与水平向地震动频谱特征周期的比值越小;我国现行抗震规范中设计反应谱的特征周期取值偏低,可能是偏于不安全的。