基于谱元法的地震动放大效应研究 ——以青川县斜坡为例

利用无人机航空遥感获取的高精度数据构建DEM模型,结合谱元法数值模拟技术对青川县区域动力放大效应进行探索,并与汶川地震诱发的地震灾害进行耦合分析。结果显示,斜坡地形存在对地震动幅度和持续时间有明显的放大作用。虚拟地震作用下,在东山、狮子梁、桅杆梁地形突出部位均出现峰值加速度放大的现象。合成数据分析表明,这种放大效应具有一定方向性,具体表现为水平向放大大于垂向,南北向放大大于东西向。根据对比,模拟结果与实测分析结果较为吻合,可为进一步开展斜坡地震动力评价提供参考依据。     

核岛近区域复杂场地的波动场动力特性研究

核岛场地动力特性对核电站结构的地震响应有重要影响。输入波动场构成了结构-地基动力相互作用分析的完整的地震动输入条件,核岛近区域的复杂场地改变了输入波动场的动力特性。本文从工程抗震角度,以现有大型通用有限元软件ANSYS为基础,进行二次开发,建立全三维(3D)地基模型,并引入人工透射边界条件,模拟地基的辐射效应。采用传递函数的分析方法,输入位移脉冲函数,输出关注位置的位移响应。本文探讨了核电场地近区域存在水平软弱层、夹杂体以及开挖场地的输入波动场的动力特性。结果显示水平软弱层具有明显的放大低频、过滤高频的作用;夹杂体的位置和开挖深度对输入波动场的动力特性也有不同程度的改变。本文方法可为核电厂工程结构的抗震设计提供一定的技术依据。     

梯形山体地形效应及对周围场地地震反应的影响

利用数值方法对地震动的局部地形效应进行研究,主要以梯形山体为研究对象,重点考察了山体的存在对其周围场地的地震动产生的放大或衰减效果。对不同高宽比的山体输入不同频率的Gabor小波,研究输入波的频率和山体高宽比对山体顶点、山体脚点和周围场地动力反应的影响。输入波形简单的Ricker小波,通过散射波的走时分析并结合单频波的计算结果研究山体对周围场地地震反应的影响机制。实际地震波作用时的计算结果和单频波的结果都表明周围场地受山体影响会对地震动特定频率谱值产生明显的放大。突出地形的存在使周围场地的地震反应发生显著变化,具体表现为:(1)在单一频率的输入波作用下,虽然远距离场地的动力反应接近自由场,但高频波会引起距离山体较近的场地强烈的动力反应改变。低频波则不会造成周围场地动力反应的明显变化。(2)山体高宽比对地形效应有显著影响,更大高宽比的山体会造成更强烈的地震动地形效应。(3)周围场地不同位置因山体影响对地震动的不同频率的谱值放大可以达到1.5倍左右。     

地震中地形放大效应的观测和研究进展

评述了地震响应地形放大效应的研究概况及最新进展，对地震响应地形放大效应的进一步研究提出了一些看法。     

SH波入射时凸起场地的地形和土层放大效应

基于间接边界元法,首先采用Ricker波作为输入波,分别研究了SH波入射时均匀半空间凸起场地、两侧含覆盖土层的岩质凸起场地、匀质土质凸起场地、异质土质凸起场地的波传播特征,同时比较了凸起地形与土层对Ricker波的放大效应,研究表明,覆盖土层能增强场地对地震动的散射和反射效应并延长地震动持时,土层对地震动的放大效应比凸起地形对地震动的放大效应更为显著。在此基础上进一步以Taft波、El Centro波和天津波作为输入地震动,研究了异质土质凸起场地的地震响应,就本文所考虑的模型而言,这3种地震动输入下得到的凸起场地对地表加速度反应谱峰值的放大幅度分别为102.9%、149.9%和186.7%,大大高于建筑抗震设计规范中为考虑地形效应而对水平地震影响系数最大值进行增幅的取值。     

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.     

基于数字高程模型的山谷地形效应分析

采用DEM数据建立基于数字高程模型的三维有限元山谷地形模型,研究了输入不同地震波情况下,山谷地形不同监测点处的动力响应特性。数值模拟结果表明,地形效应对地震动的振幅影响很大,随高程增加振幅幅值不断增大;山谷地形的顶部加速度峰值大于底部峰值,地形的放大效应在顶部比底部明显;同时,存在地震波的行波效应,表现为山谷顶部相对于山谷底部的滞后性;山谷地形对高频段(10 Hz)的地震波存在滤波作用,对地震波低频段(2~5 Hz)的能量起到放大作用;山谷地形跨度大小对场地地形效应的数值模拟结果表明,当跨度减小时,峰值加速度放大作用趋于明显,即由地表引起的地形效应,随着跨度的增大逐渐趋于平缓。     

黄土斜坡动力响应特征分析

斜坡动力响应特征与斜坡形态密切相关,若入射地震波主频接近斜坡卓越频率就会放大斜坡动力响应,甚至造成斜坡失稳。汶川地震对远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏,局部场地震害和地震动放大效应显著。选取汶川地震典型黄土斜坡场地,利用地形台阵流动观测和数值模拟计算相结合的方法,系统开展强震动作用下黄土斜坡场地动力响应特征研究。结果表明:坡顶卓越频率最小,其PGA放大系数甚至达到坡底的1.98,这种现象可能与斜坡高差和入射波波长之比密切相关,比值0.2时坡顶放大效应达到最大。随斜坡坡度增加,放大效应增强,坡顶反应谱卓越周期放大系数可达5,说明斜坡地形对强震地面运动有显著影响。数值计算结果与实际强震观测基本吻合,其结果对黄土地区建设工程抗震设防具有重要的科学与实际意义。     

盈江“5.24”和“5.30”地震中吾排小学二层框架结构破坏分析

在地形、地貌及场地条件复杂的山区,历次地震中都会出现一些破坏异常的点或区域。分析其破坏原因,对于当地或类似情况的点或区域的抗震设防以及减少由于地震造成的灾害损失具有重要意义。本文主要针对2014年盈江"5.24"和"5.30"地震后,Ⅷ度区的卡场镇五排村吾排小学二层框架教学楼的破坏情况进行分析,找出了造成建筑结构破坏的几个不利因素,主要包括山丘顶部地形放大效应、土层的放大效应、边坡效应以及多次地震灾害的累加效应。     

路基地震峰值加速度响应特性振动台试验研究

在采用拟静力法分析公路路基抗震稳定时,需要考虑路基对地震加速度产生动力放大效果的影响。为了研究该放大效果,针对填方路基在强地震动作用下的动力响应,设计并完成了1∶20比尺的路基大型振动台模型试验。通过输入不同类型、幅值、频率的地震波激励,研究地震作用下路基模型边坡地震峰值加速度的放大系数。试验结果表明,路基边坡对输入的水平地震波具有明显的放大作用,而对竖向地震波的放大作用不明显。沿路基高程向上,水平地震波加速度峰值放大系数呈现波动,且坡面的放大系数大于路基内部的放大系数。在不同类型、不同振幅和不同频率的地震波作用下,路基地震峰值加速度放大系数具有明显的差异。试验结果可为确定路基抗震稳定设计的动力荷载提供相应的参考。     

首都圈地震动三维地形效应谱元法模拟

针对三维波动弹性动力方程推导谱元法算法,考虑三维真实地形及介质的衰减特性,基于并行计算环境,采用谱元法和etop1′数据,对首都圈一个4.7级地震的地形效应进行模拟。模拟结果表明,在考虑地形效应情况下,模拟台站记录与实际观测记录更为一致,地形对地震波速度竖直分量的影响要大于两个水平分量,高PGA区域多分布于山顶与山脊;与平坦地形相比,PGA相对地形放大系数为-20.4%—174.6%,不同地点的垂直向速度及加速度分量波幅遵循峰顶、山脊得到放大的模式。与已有二维模型计算结果相比,三维真实地形对地震动的影响更为复杂。     

考虑边坡地形效应的地震动力响应分析

地震滑坡往往会造成巨大的人员伤亡和财产损失,而边坡在地震作用下的响应规律是研究地震边坡稳定性的首要问题.本研究利用FLAC3D有限差分软件建立多个边坡模型,进行边坡地形效应的地震动力响应分析,考虑的地形主要包括坡高、坡角、坡面形状等三方面的因素.将选取的地震波作用于不同模型,分析坡面加速度、速度放大比及坡顶坡脚傅里叶谱...     

山谷地形对入射SV波地震反应分析

基于黏弹性人工边界的显式动力有限元方法,研究了突出平台状山谷地形场地的地形效应,分析了山谷地形对地表地震动的影响.结果表明:(1)沿着地震动输入方向地表反应较其他方向上的反应强烈;(2)与单一凸起山体地形对地表地震动的放大效应相比,相邻地形的存在对地表地震动位移傅里叶谱谱比曲线的形状影响不大,但是对PGD有着较大的影响...     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

对称双斜桩侧向动力响应特性试验研究

地震作用下的桩基动力响应问题一直是土动力学和岩土工程抗震领域研究的热点。本文基于非液化干砂和饱和砂土中对称双直桩和双斜桩电磁式振动台试验,在试验中输入不同峰值加速度的正弦波和不同的地震波形,对比研究非液化干砂和饱和砂土中斜桩横向动力响应特性的不同,主要包括桩头承台加速度和位移幅值与台面输入时程的对比。研究结果表明:无论是正弦波输入还是地震波输入试验,当饱和砂土发生液化后,桩周土对桩侧支撑反力降低从而导致桩-土之间相互作用力减小,加速度和位移幅值放大效应均发生显著增加,对称双斜桩的动力响应放大程度低于对称双直桩,尤其在饱和砂土液化时更加显著。地震波输入试验中承台加速度和位移量值均明显高于正弦波试验工况,但相对台面输出幅值的动力放大倍数整体水平较低。     

单体边坡地形的地震动力响应及其放大效应的数值分析

本文采用隐式动力有限单元法研究了不同的边坡角度和边坡高度对地形放大效应的影响,并以位移峰值放大系数为衡量地震动放大效应的标准,计算了不同边坡角度和边坡高度条件下的地震响应,在此基础上对模型关键监测点的输出波形以及位移峰值放大系数的变化趋势进行了分析,获得了不同监测点处的地震动时程曲线,揭示了坡角和坡高对单体边坡地震动放大效应的定量作用规律。数值结果表明,相同高度处坡面监测点的水平向位移峰值放大系数大于坡内监测点的,地形放大效应在水平方向具有趋表效应。由于坡面存在入射波和反射波的叠加,因此竖直向位移峰值放大系数的最大值出现在坡体内部。      

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     

基于振动台造波模拟实验的地震涌浪频谱与共振现象研究

有关地震涌浪频率、以及共振引发的涌浪效应是甚少有人研究的问题.按地震作用时间,将地震涌浪划分为强制波动段与自由波动段.基于大型振动台造波模拟实验,利用小波分析与快速傅立叶变换进行频谱分析,提出强制波动段地震涌浪频谱成分包含地震波频谱与水体固有频率频谱,自由波动段频谱仅为水体固有频率;基于输入为白噪声的振动台实验,提出水体前四阶固有频率中,只要有一个在地震波的主要频段内时,地震涌浪就会由于共振效应而放大;设计了共振条件下的振动台实验,建立了地震涌浪最大高度的计算公式,并用实震资料进行了检验.论文研究丰富了对小型库湖地震涌浪的认识.     

地形效应影响下地震动参数与斜坡稳定性的相关性研究

地形对地震动的影响比较复杂, 考虑地形放大效应的地震滑坡稳定性分析需要选择合适的地震动参数. 本文使用自贡地形影响台阵记录到的2008年汶川M_S8.0地震主震加速度记录, 分析了地震动峰值加速度、 阿里亚斯烈度以及90%能量持时随地形高度的变化, 探讨了地形效应作用下峰值加速度和阿里亚斯烈度与地震动作用下斜坡稳定性的相关性. 结果表明: ① 地形场地对峰值加速度和阿里亚斯烈度均有显著的放大效应. 地形放大效应较为复杂, 其整体上随台站高度的增加而增大, 水平向的放大效应大于竖直向. 水平向峰值加速度的放大系数为1.1—1.8, 阿里亚斯烈度的放大系数为1.2—3.3; 竖直向相应放大系数分别为1.1—1.3和1.2—1.7. ② 地形对地震动持时也有一定的放大效应, 但不同高度、 不同分量的放大效应没有显著差异, 其放大系数均约为1.3. ③ 阿里亚斯烈度和峰值加速度均能很好地表征地形对地震动的影响, 与地震动对斜坡稳定性的影响具有很强的相关性. 与峰值加速度相比, 阿里亚斯烈度综合了地震动的多方面特征, 可以更好地表征地形对地震动的影响, 与地震动作用下斜坡稳定性的相关性更强.      

考虑河谷场地效应的拱坝-地基地震响应分析方法研究

正河谷地形对场地地震响应有很大影响,但一般进行拱坝-地基体系动力分析时为方便计算,常常将三维拱坝-地基模型的河谷四周侧边界简化为水平成层半空间来求解自由场(本文称为自由场近似解),这与拱坝-地基体系实际受到的地震作用差别是显而易见的。在拱坝-地基动力相互作用地震反应分析中,包括自由场在内的波动输入处理的合理与否,将直接影响