基于黏弹性解的土层地震反应分析程序LSSRLI-1和SHAKE2000的对比

地震过程中震动传播的局部场地效应通常用一维的场地反应分析方法来考虑,目前使用最多的是线性、等效线性化和非线性三类,其中国内外分别以LSSRLI-1和SHAKE2000为代表的等效线性化程序使用最为广泛。LSSRLI-1是我国地震安全评价程序,提出已有20多年,为我国的防震减灾事业做出了巨大贡献,但也在实践过程中表现出了一些缺点和不足,是否可以改进有待研究。本文以经典波动理论为基础编制了相应的土层反应分析线性计算程序,并与LSSRLI-1和SHAKE2000就硬和软两种场地上地表加速度反应谱和土体剪应变分布进行了对比分析,考虑了不同输入波以及不同震动强度对分析结果的影响,也讨论了土体剪应变计算偏差对地表反应谱的影响。结果表明:硬和软场地上SHAKE2000计算出地表加速度反应谱和土体剪应变分布均符合较好;硬和软场地上传递函数计算中LSSRLI-1、SHAKE2000和精确解三者一致;硬场地上LSSRLI-1计算所得土体剪应变分布同SHAKE2000和精确解相比偏差很小且对反应谱的影响可以忽略;某些情况下,软场地上LSSRLI-1计算出的土体剪应变分布同SHAKE2000和精确解相比明显偏大,该偏差会导致地表响应显著偏小,说明LSSRLI-1用于软场地地震反应分析时其剪应变求解方法有待改进。     

基于DEEPSOIL的软土场地地震反应研究

软土场地地震反应分析是目前工程场地地震安全性评价中的重要组成部分,对场地设计地震动参数的确定具有重要意义。利用一维场地地震反应分析软件DEEPSOIL,可进行场地线性、等效线性化和时域非线性等多种分析,并可考虑孔隙水压的影响。笔者根据土层计算参数,编制了DEEPSOIL软件场地模型输入文件的自动生成程序,可高效、快速地完成对场地的建模。通过数值算例验证了DEEPSOIL软件的精度。同时通过对某典型Ⅲ类软土场地的地震反应分析,研究了拟合参数的敏感性以及等效线性化方法和时域非线性方法对峰值加速度和地表加速度反应谱的影响,并指出了等效线性化方法在分析软土场地地震反应中的不足。对于软土场地建议采用DEEPSOIL软件进行时域非线性分析,因为其参数简单并容易确定,适合建模快速和使用方便的要求。     

土层结构对反应谱平台值的影响

本文利用目前工程上广泛应用的场地地震反应的一维等效线性化波动方法,计算了不同场地模型在三种不同强度的地震动输入下的地表加速度反应谱。为了研究不同的土层结构对反应谱平台值的影响,本文将计算得到的地表加速度反应谱拟合成建筑抗震设计规范规定的设计反应谱的形式,分析对比了不同的覆盖层厚度、软弱土层对反应谱平台值的影响,得到了一些有价值的研究成果。     

土层结构对反应谱特征周期的影响

本文选取和构造了若干有工程意义的典型场地剖面,利用目前工程上广泛应用的场地地震反应分析的一维等效线性化波动方法,计算了在不同地震动输入下的不同场地剖面的地表加速度峰值和地表速度峰值。利用计算得到的地表加速度峰值和速度峰值计算了不同场地在不同地震动输入下的反应谱的特征周期。研究了不同土层结构对地表加速度反应谱特征周期的影响,获得了一些有意义的结果。     

南京河西地区设计地震动研究

本文根据南京及周围地区的地震环境,采用概率法对南京河西地区某高层公寓工程场址进行了地震危险性分析,采用等效线性化模型考虑场地土的非线性特性的影响,并用一维波动模型进行了场址土层地震反应和场地地震动效应分析,给出了５０年超越概率６３％,１０％和３％的场址基岩和地表的水平向加速度反应谱值加速度。     

龙头山集镇局部场地地震动效应分析

依据龙头山集镇6个典型场地上的钻探资料及土体的动力非线性特性试验数据,分别建立了相应场地的地震反应分析模型。以幅值折半的龙头山镇强震动台站（053LLT）东西向主震加速度记录作为入射地震动,采用一维土层地震反应分析等效线性化方法计算了场地地震反应,讨论了近地表覆盖土层结构对地震动加速度峰值及反应谱的影响,并对场地效应与震害的关系进行了分析。      

泉州盆地地震效应特征的一维等效线性和二维非线性分析的比较

采用等效线性动粘弹性模型描述土的动力非线性特性,基于一维等效线性波传法,对泉州盆地地震效应进行了分析;同时,采用修正Martin-Seed-Davidenkov动粘弹塑性模型描述土的动力非线性特性,对泉州盆地非线性地震效应进行了大尺度二维精细化有限元分析,研究了地形地貌和土层横向不均匀性对地震效应的影响。将两种分析结果进行对比,结果表明：①随着基岩输入地震动强度增大,地表峰值加速度PGA放大效应总体呈现减小趋势,中震与小震、大震与小震的地表PGA放大系数之比依次为0.83~0.99、0.72~0.97;②该盆地Ⅲ类场地处,基岩、地表起伏不大,且土层横向分布较均匀,两种方法计算得到的地震效应特征类似;基岩或地表起伏剧烈、土层横向分布明显不均匀的Ⅱ类场地上,二维非线性分析给出的地表PGA放大系数明显大于一维等效线性结果,两种方法得到的地表加速度反应谱及PGA随土层深度的变化特征存在显著差异,二维非线性分析给出的地表加速度反应谱大多呈现双峰甚至多峰现象,且PGA在土层特定深度处存在聚集效应,使PGA随土层深度的变化呈现非单调性。     

基于等效线性化方法的一维土层地震反应通用计算程序对比

基于等效线性化的一维土层地震反应计算是目前国内外普遍采用的方法,国外的SHAKE91、DEEPSOIL和我国的LSSRLI-1即是根据这一方法编制的通用计算程序。本文采用这3个程序进行了不同地震波、不同输入地震动幅值下不同场地类型的土层地震反应计算,并对三者的结果进行了全面的比较分析。结果表明:①SHAKE91和DEEPSOIL程序的计算结果完全相同;②当土层最大剪应变均采用时域计算时,LSSRLI-1程序的计算结果与SHAKE91和DEEPSOIL程序基本相同,但有微小差别,其原因是:在基于等效剪应变通过离散形式的剪切模量和阻尼比随等效剪应变变化的关系曲线确定等效剪切模量和阻尼比时,DEEPSOIL和SHAKE91采用的插值方法与LSSRLI-1不同;③当LSSRLI-1程序采用频域经验关系计算土层最大剪应变时,特别是在强地震动输入下得到的土层地表加速度峰值和加速度反应谱与另外两个程序的计算结果有差别,且土层最大剪应变随着输入加速度的增大出现较大的差别。因此,本文建议:当采用LSSRLI-1程序计算土层地震响应时,应使用程序中的时域解方法代替以往默认的频域经验关系方法。     

硬夹层厚度对场地地震反应的影响

文中基于某核电站场地工程地质资料,构建了5个硬夹层厚度不同的工程地质剖面。在此基础上,建立了5个一维分析模型,并应用一维土层地震反应等效线性化方法分析了硬夹层厚度对场地地震反应加速度峰值与反应谱的影响。分析结果表明:硬夹层的厚度对场地地震反应峰值加速度与反应谱有较明显的影响,硬夹层厚度的增加减小了场地的非线性效应;不同输入地震动水平下,硬夹层顶板的峰值加速度均小于输入加速度峰值,地表峰值加速度均大于输入加速度峰值;相同输入地震动水平下,随着硬夹层厚度的增加,硬夹层顶板和场地地表峰值加速度与输入峰值加速度之比均表现为先逐渐减小后逐渐增加的趋势,而场地地表与硬夹层顶板的峰值加速度之比随硬夹层厚度的增加总体逐渐增加;硬夹层厚度相同时,随着输入峰值加速度的增大,硬夹层顶板和场地地表的峰值加速度与输入峰值加速度之比逐渐减小;硬夹层仅对一定频带内的加速度反应谱有影响,其厚度越大,影响频带越宽,而对于影响频带之外的加速度反应谱影响很小,同时周期越长影响越小。     

黄土高填方场地地震动参数特性分析

削山造地后形成的黄土高填方场地对地震动参数特性影响较大。以实际工程项目为研究对象,构造不同填土高度的计算剖面,采用一维等效线性化方法计算土层地震动参数,分析基岩地震动输入参数和填土高度对场地地表放大效应的影响。研究表明:场地地震放大系数随填土层的高度增加呈递减趋势。在多遇地震动和基本地震动作用下,场地地震放大系数递减速度比罕遇地震动和极罕遇地震动作用下要大。当填土高度达到一定程度后放大效应趋于平稳;填土高度的变化,会改变地表加速度反应谱的形状。填土高度越大,地表反应谱长周期的频谱成分越显著,反应谱曲线向后移,反应谱峰值点均明显向长周期移动,并出现多个峰值点,反应谱特征周期值变大;下伏基岩的刚度越大,地表峰值加速度的放大效应越大。地表加速度反应谱特征值相比变小。当填土高度增大到一定程度时,下伏基岩的种类对地表地震动特性影响则不明显。该研究成果对高填方场地的地震安全评价和结构抗震设计提供参考。     

基岩输入时程随机数对场地峰值加速度的影响研究

研究基岩输入时程随机数对场地峰值加速度的影响,对核电厂设计地震动参数的合理确定具有重要意义。本文选取了某重要核电站场地具有代表性的3个钻孔,建立了场地计算模型。根据确定性方法、概率性方法得到的基岩反应谱及其包络谱,基于不同随机数,分别合成了400条基岩输入时程。采用LSSRLI-1程序进行了场地地震反应,根据4800个计算结果,研究了不同随机数对地表峰值加速度的影响,给出了自然对数下峰值加速度标准差的估计,揭示了峰值加速度的分布规律,提出了对核电厂设计地震动参数合理确定的建议。     

基于实际记录的现有等效线性化分析程序对比研究

根据我国建筑抗震设计规范中场地的分类原则,确定日本KiK-net中台站的场地类别。运用SHAKE2000和LSSRLI-1对不同类别场地的峰值加速度、反应谱、剪应变等进行计算,给出Ⅰ~Ⅳ类场地的计算结果,并将计算结果进行汇总后进行对比分析,得到不同场地条件下SHAKE2000和LSSRLI-1计算结果的差异以及计算结果与实测记录之间的差别。研究表明,土的动模量比、阻尼比的非线性以及场地类型对计算结果影响较大,Ⅰ、Ⅱ类场地中大多数情况下SHAKE2000和LSSRLI-1计算结果相差不大;Ⅲ、Ⅳ类场地中多数情况下SHAKE2000和LSSRLI-1计算结果相差不大。以实测记录为基准,SHAKE2000结果好于LSSRLI-1计算结果,特别是对于Ⅲ、Ⅳ类场地中,土体为强非线性工况而言,SHAKE2000结果要明显好于LSSRLI-1计算结果。初步分析表明,SHAKE2000与LSSRLI-1计算结果差异来自于计算剪应变的不同。     

软土地基核电厂房动力响应振动台试验

为了分析软土地基－筏基础核电厂房结构地震反应规律和特征,利用地震模拟振动台开展了软土地基－筏基础－核电厂房动力相互作用问题的试验研究。分别进行了表面水平土体模型和表面凹陷土体模型的运动相互作用试验、地基土－筏基础－核电厂房振动台相互作用试验、核电厂房直接固定在振动台面上的刚性基底振动台试验。试验采用圆形叠层剪切模型箱,地基土模型为某工程场地的均匀粉质粘土,其剪切波速为213 m/s;核电厂房简化为3层框架剪力墙结构模型。试验输入波形为美国核电规范常用的RG1.60反应谱合成得到的人工地震动时程。振动台试验结果对比分析表明:土－结构体系中系统的振动周期和阻尼明显大于刚性基底下结构的振动周期和阻尼;相同地震作用下在土－结构动力相互作用体系中结构加速度明显小于刚性基底下的结构加速度反应;而位移明显大于刚性基底下结构的位移。本文的研究成果可为软土地基建立核岛厂房的适应研究提供参考。     

THE EFFECT OF HARD INTERLAYER THICKNESS ONTHE SITE SEISMIC RESPONSE

Studies on the effect of near-surface overburden soil layers on seismic motion have shown that the overburden soil layers have a significant impact on the seismic effect of the site due to the formation age, genetic type, thickness difference, structure, and dynamic characteristics of the soil layers. In this paper, the one-dimensional seismic response analysis of a nuclear power plant site containing a thick hard interlayer was conducted to discuss the influence of the hard interlayer thickness on the site seismic response, so as to provide a basis for determining the seismic motion parameters for seismic design of similar sites. Based on the engineering geological data of a nuclear power plant site, five models of one-dimensional soil-layer seismic response analysis were built, and the equivalent linear method of the one-dimensional site seismic response was applied to analyze the effect of the interlayer thickness on the peak acceleration and the acceleration response spectra of the site seismic response. The seismic response characteristics of the site and influence rules of the hard interlayer thickness are summarized as follows:1)Under different input seismic motion levels, the peak acceleration at the top of the hard interlayer was less than the input peak acceleration, and the peak acceleration at the ground surface of site was greater than the input peak acceleration. 2)Under the same input seismic motion, the ratios of the peak accelerations at the top of hard interlayer to the input peak accelerations were smaller than the ratios of the peak accelerations at the ground surface to the input peak acceleration, and these ratios first decreased and then increased gradually with the increase of the hard interlayer thickness; while for the same hard interlayer thickness, these ratios gradually decreased as the input peak acceleration increasing. 3)For the same input seismic motion, the ratios of the peak accelerations at the ground surface of site to those at the top of the hard interlayer increased gradually as the hard interlayer thickness increased; however, corresponding to different hard interlayer thicknesses, the variation characteristics of ratios which are the peak accelerations at the ground surface of site to those at the top of the hard interlayer were inconsistent with the increase of the input peak acceleration. 4)The hard interlayer had a significant influence on the short-period acceleration response spectrum and the thicker the hard interlayer was, the wider the influence frequency band would be; while for a special hard interlayer thickness, the influence frequency band is certain, and the hard interlayer had little effect on the acceleration response spectrum coordinates outside this frequency band, the longer the period is, the less the influence of the hard interlayer on the acceleration response spectrum coordinates. The seismic response characteristics of the site and influence rules of the hard interlayer thickness indicate that the hard interlayer thickness has a significant impact on the peak acceleration and the acceleration response spectra of the site seismic response, and the hard interlayer has obvious isolation effect at the seismic motion, and the increase of its thickness reduces the nonlinear effect of the site and leads to the wider influence frequency band. Meanwhile, the higher the input peak acceleration is, the stronger the nonlinear effect of the site, and it's remarkable that the soft layer overlying the hard interlayer has a significant amplification effect on the seismic motion.     

场地条件对地表地震动特征的影响

以安徽省滁州市地震小区划场地为研究对象,基于ABAQUS显式有限元并行计算平台,采用大尺度二维精细化有限元非线性分析方法,研究了局部地质条件差异对场地地震效应的影响。结果表明：该场地地震动放大效应明显,河漫滩地表PGA放大效应尤为显著;相比一级阶地,河漫滩地表加速度反应谱谱形加宽,谱峰向长周期方向移动,移动幅度约为0．05～0．25S,相应的特征周期增大。地表加速度反应谱呈双峰甚至多峰特征,大尺度场地非线性有限元分析能定性反映出局部地质条件对场地地震效应特性的影响,可为城市地震小区划提供更为合理的科学依据。     

基于SOILQUAKE软件方法的厚层淤泥场地设防地震动参数确定探讨

以天津滨海某厚层淤泥场地为例,分别采用等效线性化法（LSSRLI-1）和新一代土层地震反应分析SOILQUAKE软件方法在场地危险性计算确定的不同设防水准地震动输入条件下进行了建模土层地震反应计算。计算结果表明：（1）对厚层淤泥软弱场地,与新版区划图结果相比等效线性化法可能会低估场地地震作用,甚至是低估场地设防烈度;（2） SOILQUAKE软件方法在软弱场地设计地震动参数确定时仍能体现一定的放大作用,尤其是强地震动作用下,克服了等效线性化方法在软弱场地计算时出现的设计谱明显矮、宽现象,与当前认识相一致,为软弱场地重大工程设防参数确定提供了参考;（3） SOILQUAKE软件方法在软弱场地设计地震动参数确定较新版区划图结果设防标准有大幅度提高,考虑到相关抗震设防规范的协调性,还需进一步对其他类型软弱场地进行大量强震记录输入计算检验,以便更好的工程应用。     

厚层淤泥质粉质黏土的动力特性参数对地表地震动参数的影响

以天津滨海某软弱场地为例,在不同强度不同相位的地震动时程输入下,用等效线性化技术考虑土的动力非线性特性,计算水平成层场地的地震反应,研究天津地区厚层淤泥质粉质黏土的动剪模量比和阻尼比与剪应变幅值的关系曲线的变异性对深软场地地表峰值加速度及其反应谱的影响。结果表明:(1)在阻尼比较均值加减一倍标准差对地表地震动参数变化影响不大;(2)在动剪模量比均值增加或减1倍标准差,对2%超越概率水平下地表峰值加速度影响显著,对应地表峰值加速度可能增加或减小20%~30%,其地表反应谱谱型也有变高变瘦或变矮变胖的趋势;(3)在动剪切模量均值减1倍标准差时,对10%超越概率水平下的地表峰值加速度的影响比较显著,减小幅度在15%左右,反应谱也存在变矮变胖的趋势;在动剪切模量均值加1倍标准差时,对10%超越概率水平下的地表地震动参数影响不明显;(4)在动剪切模量或阻尼比均值加减1倍标准差时,对63%的地表地震动参数影响均不明显。     

考虑不同固定条件的核电设备多维地震响应振动台试验研究

在核电站中:核电设备通过不同的固定条件与结构相连,地震作用时设备与结构动力相互作用复杂,为分析核电设备多维地震响应并鉴定其抗震性能,进行了考虑不同固定条件的核电设备多维地震响应振动台试验研究。振动台试验进行了5次运行基准地震和1次安全停堆地震的动力时程激振,以及试验首末2次动力特性测试。试验结果表明:不同固定条件会影响核电设备多维地震响应的加速度峰值、反应谱特性和动力放大系数,与设备直接固定于振动台相比,将核电设备悬挂固定于剪力墙再与振动台连接的固定条件,改变了设备反应谱特性,且放大了响应的加速度峰值,具有显著的动力放大效应,使核电设备多维地震响应更为强烈。因此,对此类固定条件的核电设备,在产品设计及安装固定时要充分考虑动力放大效应,以提高设备的抗震韧性。抗震试验前后,核电设备功能运行正常,结构完整性好,抗震性能满足要求。