强震动台站观测环境对地震动的影响分析

强震动观测记录是地震工程学和工程应用的基础,现今亦日益成为地震学研究不可或缺的数据,其不仅用于确定抗震设计参数、研究空间地震动变化规律、发展地震动衰减模型及确定结构抗震设计地震动输入,而且成为研究震源破裂过程、震源机制解、地震预警与速报的关键性资料。随着强震动台网建设发展,其台站观测环境的影响越来越突出,因此,研究强震动台站观测环境对地震动的影响对于提高强震动记录的质量,更好地发挥强震动记录的作用,具有重要的现实意义。论文围绕强震动台站观测环境对地震动的影响这一主线,以COSMOS强震动台站设计规范和我国强震动台站的设计规范为基础,概要介绍了强震动台站的选址现状,指出了强震动观测现存的主要问题。论文从强震动台站观测环境、基墩建设、地形影响和仪器一致性等台站建设中的关键环节进行分析,通过数值模拟、强震动观测及振动台试验,定量评价各环节对强震动观测质量的影响,为强震动观测台站建设技术标准或规范提供基础依据。论文主要的研究工作如下:(1)采用集中质量显式波动有限元方法,定量分析了回填土、基坑及置换方案建设的强震动台站对场地地震动的影响,探索了回填土的剪切波速和厚度、基坑尺寸及置换土层厚度等因素对地震动的影响规律。数值模拟结果表明,回填土、基坑及置换方案建设的强震动台均对地震动峰值和反应谱有一定的影响,这为回填土和重塑土场地上的强震动观测台站的自由场确定提供了参考依据。(2)分析了汶川地震中宜宾高场强震动台所获取的异常强震动记录,采用人工触发试验重复验证了宜宾高场台汶川地震记录的异常原因;以此台为数值模拟原型,构建了考虑仪器墩高和横截面尺寸的24个不同数值分析模型,研究了仪器墩高和横截面尺寸对地震动的影响。结果表明,宜宾高场强震动台记录中高频成分和非对称异常产生的原因是仪器墩未能和地基牢固接触,在强地面运动作用下仪器墩不能与地面产生相同的整体运动,从而形成了两者间的相对运动并造成了局部的接触碰撞效应;仪器墩高和横截面尺寸的大小对地震动幅值和反应谱有一定的影响,为减小这种影响,建议仪器墩高不超过0.8m、横截面尺寸不超过1.2m×1.2m。(3)分析了观测台站的地形环境对地震动的影响。通过地脉动谱分析了什邡八角强震动台站观测的地震动受河谷地形影响的范围,指出了不受河谷效应的影响、在远离河谷60m处的场地接近自由场地,并利用参考场地谱比法给出了什邡八角台站地震动受河谷地形影响的修正因子;同理,给出了江油含增强震动台站受通讯塔影响的修正因子。采用二维显式波动有限元方法,研究了不同波长与坡高比值的边坡地震响应特征及规律,并分别将地形边坡两侧自由场地的峰值位移作为基准,计算距坡脚和坡顶不同距离的峰值位移的比值,给出了自由场点距坡脚和坡顶的水平向距离,为边坡地形强震动台站选址参考使用。同时,场地的地形效应分析表明坡顶对地震动的影响较坡脚明显。此外,自由场点距坡脚和坡顶的水平向距离与地震动的卓越周期密切相关。(4)根据中国数字强震动台网中4种记录器和2种加速度计的5种组合,进行了不同地震波输入下的振动台试验,对在相同输入下不同组合强震仪的记录进行对比分析;为进一步验证振动台试验结果,利用上述两种组合的强震仪在汶川地震余震中捕获到的并址观测记录,进行了相关对比分析,检验了振动台试验结果。结果表明,5种不同组合的仪器记录加速度波形一致性较好。此外,对同一型号的Basalt型数字式强震仪和ES-T三分向力平衡式加速度计开展了技术参数测试和设备一致性实验测试,测试结果表明该类型设备工作可靠,一致性较好;并进一步开展了传感器安装偏转对强震动观测结果影响的实验测试工作,实验测试结果表明一定程度上安装偏转得到的数据和正确安装得到的结果差别不大。     

强震动台站周边地面建筑物对观测结果的影响分析

强震动观测是获取地震地面运动最基本的手段,但其观测质量会受到观测台站周边环境的影响。本文针对不同场地条件的观测台站和附近不同高度建筑物,开展建筑物对观测场地地震动影响的模拟分析,探讨其对强震动观测的影响规律。基于ABAQUS有限元分析软件以及粘弹性边界方法,建立了8个场地-建筑物体系计算模型,分别考虑了4种不同剪切波速的场地和4种不同层数的框架结构建筑物,计算分析了建筑物高度、观测点与建筑之间的距离对强震动观测及场地土波速变化的影响。结果表明:强震动台站附近地面建筑物的存在对观测结果将产生明显的影响,近距离建筑物影响的相对误差可高达20%以上;建筑物高度的变化并没有明显改变其影响程度和影响较大的地震动周期范围,但较高建筑物的影响程度会随距离增加衰减速度减慢;场地土越软,周边建筑物对观测带来的影响越大。建议:对于较软弱场地（土层平均剪切波速低至210m/s）,强震动台站避让建筑物的距离应不小于40m,对于较坚硬场地（土层平均剪切波速大于250m/s）,强震动台站避让建筑物的距离应不小于25m。同时还认为,如果强震动观测要求较高精度,需进一步增加避让距离,且应具体考虑建筑物高度等因素的影响。     

自贡西山公园山脊场地地形和土层效应数值模拟

利用自贡地形影响强震动观测台阵在汶川地震中获得的强震动记录,以位于山脚下基岩上的台站为参考点,采用传统谱比法对场地放大效应进行了初步分析;同时用显式有限元-有限差分方法模拟了自贡西山公园山脊场地地形和土层的地震动效应,并进行了数值模拟结果与强震动观测结果的对比分析.结果表明:上覆土层对地震动的放大作用相对于地形变化的放大作用更为明显;地形对地震动水平分量的放大效应要明显于对竖直分量的放大效应;采用二维模型对上覆土层的模拟与观测结果较吻合,对于基岩介质部分的模拟在低频范围内也能反映山脊地形对地震动的影响.     

土层平均剪切波速确定及其可靠性验证——基于钻井台阵强震动记录

震害资料显示,场地条件对地震动特性以及工程结构破坏程度影响显著。为减少因场地效应而造成的经济损失和社会影响,在进行场地地震反应分析时,需最大限度地减小因场地土层模型参数的不确定性引起的地震动评估偏差,为工程结构地震反应分析选取并生成适当的地震动输入。随着强震动观测技术的逐渐发展,大量可靠的钻井台阵记录为地震过程中场地观测点的动力反应提供了直接数据。以美国加州地区La Cienega钻井台阵强震动观测数据为基础,利用互相关函数,对不同强度地震作用下场地土层的平均剪切波速进行分析,并在此基础上,以Cyclic 1D为模拟平台,建立一维自由场地地震反应有限元分析模型。分析结果表明：通过钻井台阵地震动观测数据识别,得到场地平均剪切波速,能够反映该场地的动力特性,数值模拟计算结果和台阵地震动记录基本吻合,可为数值模型参数选取提供依据。     

岩溶场地地震作用下加速度变化研究

为研究岩溶场地地表地震动参数变化规律,运用正交试验的基本理论和方法步骤,通过正交试验设计单一土洞在4种因素(土洞直径、覆盖土层厚度、土洞深度以及土体动弹性模量)变化下地表加速度时程的变化。选取了正交表分析设计32组数值试验的方案,建立400m×400m的场地有限元模型计算,并运用MATLAB软件对上述32组有限元试验计算结果进行二次回归分析,得到场地地表地震动与各主要影响因素的关系式。分析得到:土洞的直径d对场地的地表峰值加速度影响最大,其次是覆盖土层厚度H和土体动弹性模量E,影响较小的是土洞的深度h;且当仅有1个自变量时分别随着土洞直径d、覆盖层厚度H和土体的动弹性模量E变化时为开口向下的二次函数,随着土洞中心点的深度h变化时为开口向上的二次函数。     

山东省数字强震台站建设及其汶川8.0级地震的纪录特征

介绍了山东省强震观测台站在十五期间的建设情况,通过汶川8.0级地震的检验,表明山东强震观测台站的观测仪器运行良好,强震台站的场地条件与强震动参数存在明显的相关关系,强震动的土层放大效应非常明显,其影响对结构第一周期在1s-8s左右的建筑物具有重要的作用。     

强震动观测台站类型对地震动的影响分析

以强震动台站结构类型作为控制因素,基于集中质量显式时域动力有限元方法,系统地分析了不同场地条件下观测室结构（砌体观测房、半地下观测室、玻璃钢罩观测室）对地震动的影响。通过对北京地球观象台院内并址观测实验台站捕获的地脉动和两次地震事件数据的处理并结合数值模拟结果,分析得到不同类型观测室对地震动的影响规律。结果表明:观测室结构对地震动的影响是客观存在的,由于观测室结构自振周期和体量不同,不同观测室对地震动的影响频带和影响程度亦存在差异,相较于其它结构对地震动的影响,玻璃钢罩观测室的影响频带较窄、影响程度最小。      

长周期地震动三维有限元数值模拟方法

采用数值方法对长周期地震动进行模拟已成为当前强地面运动预测的研究方向之一。本文提出了一种有限元并行计算的高效地震动数值模拟方法,可以同时考虑震源、传播途径和场地条件对地震动的影响,并根据昆明地区未来可能发生的设定地震对昆明市的影响地震动进行了预测。这一方法可以应用于国内已探测的发震活断层进行地震危害性评价工作。     

基于H/V谱比法的场地卓越频率研究

筛选喀什乌恰地区21个强震动数字化观测台站作为研究对象,利用H/V谱比法计算各场点场地卓越频率,并与钻孔剪切波速计算结果进行对比,两者结果相差不大。根据幂指数关系,回归拟合了场地卓越频率与覆盖层厚度的关系,h=43.53 f■,有很好的相关性。最后对伽师台55条强震动记录按照峰值加速度分档,计算各分档场地卓越频率,发现0～50 gal之间各分档场地卓越频率相差不大,100 gal以上档场地频率向低频移动,场地发生非线性反应。     

基于强震动记录确定的场地卓越周期

本文介绍了3种根据场地强震动记录获取场地卓越周期的方法: ① 地表记录的傅里叶谱分析法; ② 地表水平/垂直傅里叶谱比法; ③ 地表/地下傅里叶谱比法. 基于日本强震动观测台网KiK-net中两个基岩台站和两个Ⅲ类场地台站获取的数百条强震动记录, 分别使用上述3种方法确定场地的卓越周期, 并对比分析各种方法的优缺点及其适用情况. 结果表明: 对于基岩场地, 由于记录信息复杂, 局部场地条件对地震动影响较小, 地震动自身特性突出, 导致3种方法所得到的结果均比较分散; 对于土层场地, 场地条件影响比较显著, 3种方法基本都可以得到一个较为准确的数值; 但对于某些场地, 地表水平/垂直傅里叶谱比法所得结果存在不确定性, 相比之下, 地表/地下傅里叶谱比法则能给出一个更为准确的场地卓越周期值.      

基岩上均匀场地中透镜体对地震动的非线性放大作用

本文采用有限元方法研究基岩上均匀场地中透镜体对地震动的非线性放大作用,分析非线性放大作用和线性放大作用的差别,以及透镜体埋深、宽度、厚度以及输入地震波幅值和频谱等因素对非线性放大作用的影响.研究表明,透镜体的存在对地震动有显著的非线性放大作用,该放大作用可达30%;非线性放大作用一般小于线性放大作用;透镜体宽度对地表加速度反应谱的影响较大,埋深和厚度对地表加速度反应谱的影响较小;输入地震波幅值和频谱也有很大的影响.     

基于OpenSees的地震动对软土震陷影响研究

软土具有高灵敏度、低强度等特性,在地震过程中极易产生震陷。基于OpenSees数值模拟方法对软土场地的震陷反应进行非线性动力有限元分析,通过改变地震动峰值加速度、频谱特性、输入方式来研究其对软土震陷的影响。结果表明,地震动峰值加速度对地基土的不均匀震陷有显著影响,地震动峰值加速度越大,震陷量显著增大,震陷影响深度更大,对水平地表造成的破坏范围也更大;地震动频谱特性对软土震陷有重要影响,当地震动卓越频率与场地自振频率相近时,其幅值越大,产生的震陷越严重;水平、竖向同时输入地震动的方式能更好地反映土体的振动及震陷响应。该研究成果对探索软土震陷的机理有一定的指导意义。     

回填土不确定性对场地地震反应的影响

选取某核电场地控制性钻孔的厚度、剪切波速、密度等实际勘探数据,通过改变回填土剪切波速,分析了回填土不确定性对场地地震动参数的影响。研究结果表明:在回填土层厚度不变和模型总厚度不变的情况下,地表的水平向峰值加速度随着回填土剪切波速的增大而减小,但水平向峰值加速度增幅逐渐减小;回填土剪切波速到达一定的波速就不再影响地表水平峰值加速度;随着回填土剪切波速的增加,整个反应谱的谱值都普遍减小。     

Numerical analysis of reinforced soil walls with granular and cohesive backfills under cyclic loads

Novel approaches to the dynamic analysis of the reinforced soil walls have been reported in the literature. Use of marginal soils reduces the cost of geosynthetic reinforced soil walls if proper drainage measures are taken. Therefore the affect of using cohesive marginal soils as backfill in geosynthetic reinforced retaining structures were investigated in this research. The dynamic response of reinforced soil walls was investigated in a similar focus, using finite element analysis. The results obtained from walls with cohesive backfill were compared to the results obtained from walls with granular backfill. The height of the wall was chosen as 6 m in the two-dimensional plane strain finite element model and the base acceleration was chosen to be a harmonic motion. The effects of various parameters like the backfill type, facing type, reinforcement stiffness, and peak ground acceleration on the cyclic response of reinforced soil retaining walls were investigated. After analyzing the wall response for end of construction and dynamic excitation phases, it was determined that the deformations and reinforcement tensile loads increased during the cyclic load application and that the amount of additional deformation that occurred during cyclic load application was strongly related to backfill soil type, facing type, reinforcement type and peak ground acceleration. It was determined that a cohesive backfill and geotextile reinforcement was a good combination to reduce the deformations of geosynthetic reinforced walls during cyclic loading for medium height walls.     

强震作用下桩-土-断层非线性动力相互作用特性

为研究强震区跨断层桥梁桩基非线性动力相互作用特性,依托海文大桥实体工程,利用MIDAS/GTS有限元软件,建立了桩-土-断层相互作用模型,分析0.20~0.60g地震动强度下断层上下盘桩基加速度响应、桩顶水平位移、桩身弯矩以及桩身剪力响应情况。结果表明:覆盖层土体对桩身加速度放大作用明显,且随着输入地震动强度的增大,放大作用逐渐减弱;覆盖层对地震波的滤波作用显著,随着输入地震动强度的增大,滤波作用逐渐减弱;上盘桩基达到桩顶峰值加速度的时刻滞后于下盘;随着输入地震动强度的增大,上、下盘桩的桩顶产生的永久位移和水平位移峰值逐渐变大,上盘桩顶产生的永久位移和桩顶峰值位移均大于下盘,产生显著的"上盘效应";不同强度地震动作用下,断层上、下盘桩基弯矩均在上部土层界面处达到峰值,剪力均在基岩面处达到峰值,下盘桩基弯矩和剪力峰值大于上盘桩基,呈现出显著的"下盘效应"。在桥梁桩基抗震设计时,应着重考虑断层上、下盘桩基的差异和不同强度地震作用对桩基承载特性的影响。     

Evaluation of the effect of earthquake frequency content on seismic behavior of cantilever retaining wall including soil–structure interaction

A three-dimensional backfill–structure–soil/foundation interaction phenomenon is simulated using the finite element method in order to analyze the dynamic behavior of cantilever retaining wall subjected to different ground motions. Effects of both earthquake frequency content and soil–structure interaction are evaluated by using five different seismic motions and six different soil types. The study mainly consists of three parts. In the first part, following a brief review of the problem, the finite element model with viscous boundary is proposed under fixed-base condition. In the second part, analytical formulations are presented by using modal analysis technique to provide the finite element model verification, and reasonable agreement is found between numerical and analytical results. Finally, the method is extended to further investigate parametrically the effects of not only earthquake frequency content but also soil/foundation interaction, and nonlinear time history analyzes are carried out. By means of changing the soil properties, some comparisons are made on lateral displacements and stress responses under different ground motions. It is concluded that the dynamic response of the cantilever wall is highly sensitive to frequency characteristics of the earthquake record and soil–structure interaction.     

The effect of seasonally frozen soil on stochastic response of elevated water tank under random excitation

Significant seismic events have occurred around the world during winter months in regions where cold temperatures cause ground freezing. Current seismic design practice does not address the effects of cold temperatures in the seasonally frozen areas. Since many elevated water tank structures in cold regions are located in seismic active zones, determining the effect of seasonally frozen soil on the stochastic response of elevated water tank structures subjected to random seismic excitation is an important structural consideration. A three dimensional finite element model, which considers viscous boundaries, was built up to obtain the stochastic seismic behavior of an elevated water tank–fluid–soil interaction system for frozen soil condition. For this model, the power spectral density function represents random ground motion applied to each support point of the three dimensional finite element model of the elevated water tank–fluid–soil interaction system. Numerical results show that the soil temperature affects the seismic response of the elevated water tank; whereas the variation in the thickness of the frozen soil causes insignificant changes on the response. In addition, the effect of the variation in water tank’s fullness on the stochastic response of the coupled system is investigated in the study. As a result, the seasonal frost changes the foundation soil stiffness and may impact seismic behavior of the water tank.     

岩溶场地地表地震动特性研究

对典型岩溶场地进行土层地震反应分析,并与非岩溶场地土层的地震反应进行对比,研究岩溶场地地表地震动的基本特性,为岩溶区工程场地地震动参数的确定提供参考。实例研究表明:与非岩溶场地的土层地震反应相比,岩溶场地土层对地震波的放大效应较强,地表地震动的频率偏高;当岩溶场地中发育有土洞时,地表地震动加速度峰值比不含土洞的岩溶场地要大。     

Soil-structure interaction effects on strong motion accelerograms recorded on instrument shelters

The distortions of earthquake ground motions recorded in small instrument shelters as a result of soil-structure interaction effects are investigated by means of a theoretical parametric study. A total of 12 foundation geometries varying in basal radius, embedment depth and extension above the ground surface and a number of soil profiles including uniform and layered soil models were considered. The results obtained show significant amplification and deamplification of the free-field ground motion for sufficiently soft soils (β<200 m/sec) and sufficiently high frequencies (f>20 Hz).