近断层地震动场预测——以长春市为例

断层带附近地震动场分布的研究,是当前地震工程领域研究的热点问题之一。近断层地震动场的分布对在断层附近进行抗震结构设计时,不仅是提供地震动输入,也是确定建设场地避让范围的重要依据之一。以区域地震构造背景分析、目标断层活动性鉴定、地震危险性评价为基础,结合断层探测结果,利用统计经验关系等最终确定发震断层,并建立相应的震源模型。采用显式有限元和并行计算技术计算目标区域场地的长周期地震动。利用有限断层随机合成的方法,计算高频地震动。将低频和高频地震动合成为目标区域内的宽频带地震动时程。对局部特殊场地条件地区,基于场地调查和勘探的数据,利用等效线性化等方法进行一维土层的非线性反应计算,给出这些特殊场地的宽频带地震动时程。最后,根据地震动时程获得设定地震发生时,目标区域的峰值加速度分布预测图和相应的反应谱。以长春市为例预测了在设定地震发生时,近断层地震动场的分布情况。当长春尖山子—卡伦断层发生6.0级地震时,潜在破坏性地震动的影响范围集中在附近,沿断层走向分布。加速度峰值沿断层垂直变化,主要为90 Gal～140 Gal。只是在长春市南部加速度峰值达到200 Gal。本研究的预测结果具备断层附近地震动的一些最基本的特征,符合当前对断层附近地震动的基本认识。     

汶川地震山脚震害特征及机理分析1

汶川地震和以往地震现场震害调查表明,局部场地地形对震害的影响明显,其中,山脚房屋震害程度明显低于山顶和水平地表土层场地.针对这一震害特征,本文以汶川主震的地形效应观测强震动记录和人工爆破山体地形地震动观测记录为基础,通过数据分析,结合动力集中质量中心差分有限元法进行数值模拟分析,进一步揭示了山脚房屋震害轻微的特征不仅与其所在场地条件良好有关,更与山脚所处山体底部的几何位置直接相关.     

新疆北天山地区宽频带地震动模拟关键技术研究

近年来,我国强震动观测记录数据库有了大幅扩充,一定程度上满足了重大工程抗震设防对宽频带地震动输入的迫切需求。然而,对于地震频发、强震动观测记录少的地区,宽频带地震动的数值模拟仍是确定合理地震动输入的重要途径。北天山地区是新疆经济社会发展的核心区域,现有强震动观测记录难以满足该区重大建设工程的抗震设防需求。研究构建考虑北天山地区震源机制、地质构造以及场地特征的宽频带地震动模拟方法对于高地震风险的北天山地区具有重要工程应用价值。宽频带地震动模拟方法由具有强区域特征的高频地震动随机模拟方法及基于求解无限域波动问题的低频地震动模拟方法组成。本文围绕北天山宽频带地震动模拟方法构建中的关键问题展开研究:针对高频地震动模拟,主要研究中小震震源模型的构建及非平稳地震动合成所需的群速度模型;针对低频地震动模拟,主要研究无限域波动数值模拟中高精度人工边界的构建,以尽可能缩小模拟工作区和提高计算效率。取得的研究成果如下:(1)北天山地区震源和路径传播模型构建。利用该地区2009—2015年843个M_L≥3.0地震记录,采用多台多地震联合反演方法建立了该地区的路径衰减、台站场地响应以及震源谱模型。结果表明,北天山地区中小震震源谱具有分段特性:4级以下地震的震源谱与引入震源谱高频衰减因子(κ=0.003)的Brune模型在统计意义上基本一致,4级以上地震的震源谱逐渐偏离Brune模型,呈现较为明显的双拐角频率特性;另外,震源谱存在分区差异,库拜盆地、塔里木盆地内地震的震源谱在高频段衰减更为显著。(2)北天山地区等效群速度模型构建。在已有基于等效群速度模型合成地震动的工作基础上,引入震相微分计算方法改进了等效群速度的计算方法;提出应用测震记录P波到时构建最快波群速度模型,分析了最快波群速度选取对等效群速度模型构建的影响;基于北天山地区的强震动观测记录,统计得到该地区的等效群速度模型。等效群速度模型引入到高频随机模拟方法的算例结果表明,基于等效群速度模型考虑地震动非平稳特征可给出更为合理的地震动模拟结果,对于面波发育的深厚覆盖层场地影响尤为突出。(3)高精度人工边界条件完美匹配层构建。完美匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到,其构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发的数值失稳、计算精度低下等问题。为此提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法。弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件,规避了变换后所得场方程与界面条件的匹配不合理问题。新方法可直接给出弱形式匹配层,结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案。利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性。(4)新源—和静6.6级地震地震动场的数值模拟。2012年6月30日新源—和静地震是北天山地区近50年来发生的最大地震,测震及强震动观测记录均较为丰富。本文应用反演所得滑动分布和随机滑动分布分别拟合了强震动台站的地震动时程,对比分析了拟合反应谱与观测记录反应谱的差异性;模拟了该地震的烈度分布图,分析其与实际调查烈度图和基于新疆常用地震烈度衰减关系计算的烈度图之间的差异,探讨了破坏性地震发生后应用高频随机有限断层方法生成地震烈度分布图的可行性。     

地震动的山体地形效应

地震动的山体地形效应问题属于局部场地条件对地震动的影响范畴。汶川地震之后,记录到了大量主、余震山体地震动记录,结合"明灯一号"人工爆破山体地形地震动记录以及汶川地震震后现场与地形效应相关的震害调查资料,本文对地震动的山体地形效应进行了详细     

海域俯冲带高频地震动模拟?以2021年2月13日日本福岛MS7.1地震为例

2021年2月13日,日本福岛近海发生M_S7.1地震,震中距海岸线约70 km,震源深度接近60 km,造成了较大范围的震害影响。考虑地震应急及地震动强度特征预测的应用前景等,利用经验格林函数法快速估计了本次地震的高频地震动（1.0～20.0 Hz）空间分布特征及加速度时程,并结合实际地形、场地覆盖层等信息对部分台站地震动模拟结果进行修正,最终获得较可靠的地震动预测结果。研究结果表明,在具备合适小震记录时（余震及前震）,可较准确地再现大震的高频地震动主要特征,模拟结果与真实记录拟合较好;地震动模拟过程中需考虑盆地等特殊地形及覆盖土层对地震动的放大作用影响,这也是未来利用经验格林函数法合成大震时需重点考虑的因素。     

施甸盆地三维地震动研究

本文利用三维施甸盆地模型以及川滇地区的地壳速度结构,采用谱元法和并行计算技术,考虑地形的影响,模拟了盆地外围中等设定地震作用下施甸盆地地震波的传播,分析了面波的产生和传播,研究了该盆地不同位置剖面地震动的差异和原因.研究表明,小型盆地在中等地震的作用下盆地内部地震动空间差异很大,盆地中较深的小型凹陷更容易汇聚面波,形成更强的振动,位于覆盖层厚度剧烈变化区域的地震动强度也会很大,甚至大于覆盖层厚的区域.较基岩地震动,盆地内地震动持续时间明显增加,地震动的放大作用明显,这也是盆地震害严重的主要原因之一.     

俯冲带地震动预测模型SMA2020的评估检验实例——2021年2月13日日本福岛县东部海域MW7.1地震

地震动预测具有较大不确定性,利用强震动观测记录对已有地震动预测模型进行检验评估对于模型的合理使用具有重要参考意义。针对2021年2月13日发生在日本福岛县东部海域的M_W7.1地震,基于残差分析和对数似然函数法对俯冲带地震动预测模型SMA2020的路径项和场地项表征合理性、模型的预测精确性进行了评估。得到结果:（1） SMA2020模型对于地震动的路径衰减表征较为合理,在路径项中考虑了莫霍面反射效应,可以更真实地表征俯冲带深源地震的路径效应。（2） SMA2020模型对于PGV的场地效应表征较为合理,但对于PGA及PSA的场地效应表征有所偏差,还需要进一步检验验证。（3） SMA2020模型对于此次板内地震的短周期IM预测精确性要优于中长周期,对于T=1s的PSA预测表现最不佳。研究结果可为模型的潜在使用者提供有价值的辅助信息,也可以为我国地震动预测模型的开发研究提供理论参考。     

汶川M_S8.0地震河谷地形对汉源县城高烈度异常的影响

汉源县城位于汶川M_S8.0特大地震六度区内唯一的八度异常区,为典型且罕见的远震高烈度异常区.汉源县城处于流沙河的河流阶地之上,河谷地形对地震震害有显著的影响.为定量分析河谷地形对汶川大地震汉源县高烈度异常的影响,基于汉源县城震害科学考察和场地勘察获取的资料,根据震害分布特征和流沙河谷地形的特点,选取1条实测得到的横切汉源县城并垂直流沙河河谷方向的典型剖面作为计算模型,以脉冲作为基底输入,采用有限差分方法研究了该剖面的场地放大效应,分析了地形对高烈度异常的影响.计算结果表明:汉源县城场地对地震动放大效应的显著频段是1.0~10Hz,且这一频段老县城场地的放大效应比新县城场地显著;汉源老县城场地对汶川M_S8.0地震主震的地震动有显著的放大效应,地表峰值加速度大大超过了抗震设计规范的规定值;汉源场地地形放大效应显著频段与汶川M_S8.0地震的能量集中频段基本吻合,汉源老县城建筑物的自振频率恰恰位于该频段,产生共振效应,从而造成更显著的放大效应,这也是汉源震害异常的主要原因之一.由此可见,河谷地形对地表地震动有重要的影响,在工程选址和抗震设计时应考虑其影响.     

2010年4月14日玉树Ms7.1地震加速度场预测

基于有限断层震源、且使用动力学拐角频率的地震动随机模拟方法预测玉树地震近断层的加速度场.首先,基于有限断层震源建模方法建立该次地震的震源模型;然后,基于上述地震动模拟方法预测玉树地震近断层191个节点的加速度时程.在此基础上,取每个结点的加速度峰值绘制该次地震的近断层加速度场.结果表明:(1)近断层加速度场主要受震源破裂过程和断层面上滑动分布的影响.断层面上凹凸体投影到地表的区域附近,加速度峰值最大,也是震害最严重的区域;(2)对于走滑地震,断层沿线附近的场地并非均会发生破裂方向性效应;发生破裂方向性效应的场地与凹凸体在断层面上的位置有关.     

川滇地区地震动预测模型及其对2021年漾濞6.4级地震的适用性

随着川滇地区强震记录的不断增加,为了建立更符合该区域地震动特征的预测模型,文中基于该区域现有的地震动数据,通过随机效应回归模型建立适用于川滇地区的地震动预测模型;2021年5月21日,云南省大理州漾濞县发生6.4级地震,为了分析文中预测模型对漾濞地震的适用性,首先根据预测模型的适用范围选取合适的漾濞地震数据,计算真实记...     

2021年2月13日日本福岛县地震中脉冲型地震动对结构动态响应的影响

2021年2月13日,日本福岛县近海发生M7.3级强地震及多次余震。根据台站地震动数据,从地震地面运动特征,框架结构震害特征以及有无速度脉冲地震动下框架结构的动力响应等方面对此次地震震害进行了初步探究。结果表明:此次福岛近海地震有比较明显的速度脉冲特征,地震动的加速度反应谱卓越周期较低,速度频谱却以低频成分为主。在速度脉冲型地震作用下,结构层间位移角和楼层剪力远大于非速度脉冲地震动,是此次地震中非结构构件发生破坏的主要原因。     

青海玛多7.4级地震桥梁工程震害特性分析

2021年5月22日青海果洛州玛多县发生7.4级地震,导致了显著的桥梁结构震害。本文基于现场调查,介绍了野马滩大桥、野马滩2号桥、黑河中桥、吾儿美岗大桥和雅娘黄河桥的典型震害特征。进一步结合地震断裂与桥位关系、地震台站的地震动记录与特性分析,初步分析了各桥的地震致灾要素和结构失效机理。野马滩大桥和野马滩2号桥整体划一的落梁震害可能系近断层法向的方向性效应所致;黑河中桥的结构轻微震害应系桥台的纵向约束作用,整个桥梁的纵向地震响应类似于整体式桥;吾儿美岗大桥结构南北方向的地震响应高于东西方向,同时减隔震支座与上、下部结构的有效锚固是发挥其减震耗能功效的必要保证;雅娘黄河桥未见水平方向地震作用所导致的显著震害特征,初步推断墩底的压溃破坏可能系震中竖向地震动所致。     

玛多地震中大野马岭大桥震害机理分析

2021年5月22日青海玛多发生了M_s7.4级地震,从地震中桥梁震害情况看:此次地震的特点是断层北侧震害轻,南侧震害重。位于断层南侧的野马滩大桥是简支梁桥,发生大量落梁,是此次地震中受损最为严重的大桥之一;而位于北侧的大野马岭大桥是连续梁桥,仅发生了部分挡块开裂。其中原因值得深入研究。本文通过有限元分析软件Midas/Civil建立大野马岭大桥（上行线）模型,进行地震反应分析,讨论分析了大野马岭大桥在此次地震中的震害机理。发现南北向的地震动是造成该桥横向挡块破坏的主要原因,东西向地震动因受到桥台和纵向挡块的约束并没有出现严重损伤。若将该桥由连续梁桥变成简支梁桥,地震反应会有所变化,但总体趋势特点变化并不大。另外,本文通过现有资料选定5组地震动作为输入,进行地震反应分析,比较分析不同地震动对该桥的影响,并验证地震动模拟效果。     

2022年日本福岛7.4级地震震害分析与对比

2022年3月16日在日本福岛县东部海域发生7.4级地震,本文基于近实时震害评估系统RED-ACT对此次地震进行了快速评估,包括强震动记录分析、区域地震破坏力震害评估结果和典型桥梁破坏,并结合实际震害对比了该系统评估结果以及其他主要震害快速评估系统的分析结果,结果表明：(1)此次地震造成的地面运动强度较大,多数台站记录PGA较2021年福岛7.3级地震更强,反应谱在0.5～1.3s区间呈现远高于2021年福岛地震的趋势。(2)RED-ACT的震害评估结果相较于日本NIED-CRS系统和美国USGS-PAGER系统与实际震害更为接近,在强震动记录较为密集的地区,开展基于强震动时程和建筑非线性分析的震害评估能够得到更为准确的震害评估结果。(3)此次地震对白石市附近桥梁造成了一定的破坏,桥梁破坏附近处的强震动会对典型桥梁结构造成一定程度的破坏。     

黄土丘陵河谷场地地震动特征研究

研究黄土丘陵河谷场地在地震作用下强地面运动特征的变化情况,可以揭示强震对该类场地上震害的触发机理。结合黄土高原的地貌特征,建立具有代表性的动力数值分析模型,通过输入不同幅值、频谱特性和持续时间的地震波,对起伏地形和覆盖黄土层共同影响下的黄土河谷场地进行地震反应分析。结果表明:黄土层和地形耦合作用控制了地表的PGA变化,使其趋于复杂,在同一输入波不同振幅作用下,与基岩河谷各测点相比,黄土覆盖河谷场地的地震动频谱幅值均有所增加,并且频谱主峰均向高频移动。在不同地震波输入下,场地不同部位的固有频率受地形高程和土层影响;而地震动大小和频谱幅值不仅与场地的基本频谱和地形起伏有关,也与输入地震波的频谱成分相关。输入波PGA与地震频谱特征都不变时,同一场地输出的地震频谱形状具有相似的特征,随着地震持时增长,能量向场地基本频率附近集中,从而可能导致场地上相应频率建筑物震动幅值增加,造成累积破坏。     

地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能影响研究

为了研究地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能的影响,选取台湾集集地震中8条地震波作为输入,进行了柱顶隔震体系模型的振动台试验。分析了柱顶隔震体系的水平向动力响应特点,研究了地震波的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距及幅值对其水平向减震性能的影响,并进行了数值模拟的对比分析。结果表明:柱顶隔震体系的水平向减震性能良好。相同地震强度下地震波参数的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距对柱顶隔震体系水平向减震性能的影响明显,其中:PGV/PGA的影响程度最大,可以作为主要的分析指标;随着地震动强度的增大柱顶隔震体系的水平向减震效果更加明显,地震动强度达到一定幅值后,减震率缓慢下降;与远场地震相比,近场地震不利于柱顶隔震体系的水平向减震性能的发挥,脉冲型近场地震作用下其减震效果更差。振动台试验结果与数值模拟结果基本一致,表明分析结果的可靠性。     

强震下斜交桥地震反应与减隔震性能分析

针对斜交桥在破坏性地震中发生破坏和损伤的突出问题,采用铅芯橡胶支座(LRB)进行隔震和滞回耗能。基于OpenSees平台建立了不同斜度的传统非隔震和全桥采用LRB隔震的4跨斜交连续梁桥动力分析模型,沿2个水平方向输入远场地震动和具有向前方向性效应、滑冲效应以及无速度脉冲效应的近断层地震动,并进行非线性时程计算,研究桥墩和挡块的损伤状态、主梁旋转度、碰撞力与斜交桥斜度的关系以及LRB对斜交桥抗震性能的影响。结果表明:向前方向性效应和滑冲效应的脉冲型地震动作用下的斜交桥地震反应和损伤明显大于无速度脉冲近断层和远场地震动作用; 采用LRB隔震后,明显降低了固定墩的地震损伤,桥墩位移减震率可达到50%以上; LRB隔震桥主梁与挡块的间隙宜结合桥梁的地震风险和设计位移进行确定。     

物理地震危险性分析中的地震动模拟方法研究进展

随着计算机计算能力的大幅提升和地震科学方法认知的不断丰富和完善,众多的学者开始用基于物理机理真实断层模型和速度结构模型的地震动数值模拟来评估未来可能发生的破坏性地震的灾害特征.本文初步汇总了地震动数值模拟在地震危险性分析中的研究现状、计算方法和研究实验项目,阐述了地震动数值模拟在物理地震危险性分析及应用中的发展趋势.从...     

山脊地形效应的强震动观测研究

根据强震动观测、实验研究与数值模拟结果表明,山脊地形对地震动具有显著影响.文章基于汶川地震主震及余震的三个地形效应观测台阵记录的三分量地震动加速度时程,经基线校正后计算得到各观测点的地面峰值加速度、峰值加速度比和反应谱比,分析山脊地形对地震地面运动的影响.结果表明:山脊地形对地震地面运动的影响显著,其地形地震效应随山脊地形的不同而变化,且地形效应具有方向性;水平向地形效应显著于垂直向;谱比是周期相关的,在所分析的周期范围内谱比不总是大于1．0.