基于第四代地震区划的跨越发震断层永久位移概率分析方法

本文主要借鉴了Lee(2007)和Youngs(2003)提出的地表永久位移估计方法,联合中国第四代地震区划图的潜在震源区参数,给出了适合中国跨越发震断层永久位移概率分析方法。震害调查表明,近场的结构破坏不仅是地震动引起的,地震地表的破裂或永久位移引起的破坏也占很大比重。应用与概率估计地震动相似的方法,给出不同概率水准的地震地表永久位移,使之服务于穿越地震发震断层管线、桥梁工程的抗震设防,采取有效的抗御永久地表位移措施,减小地震灾害带来的损失。     

由近断层强震记录得到的断层位错过程对管道的影响分析

在近些年的几次大地震中,例如,汶川地震和集集地震等,获得了不少近断层乃至断层上的加速度强震记录.这些近断层加速度强震记录对研究近断层的地震动特征(如速度脉冲、方向性效应)、震源机制等具有重要的意义.通过对断层附近的加速度记录进行2次积分,并经过适当基线校正后得到断层位错时程,发现其位移峰值往往大于断层的永久位移量.而目前埋地管道在断层位错下的反应分析方法一般直接输入的是断层的永久位移量.     

亚像素相位相关法在获取汶川地震近场形变中的应用

震后地表实际破裂带的分布及其近场的形变特征,是理解块体运动学特性、断层破裂特征、地震发生机制等科学问题的十分重要的约束条件。基于InSAR获取的汶川地震同震形变场,由于发震断层附近同震形变梯度巨大,沿断层带出现了非相干条带,以致于无法获得断层附近的形变量。而基于亚像素级的光学影像偏移量法为获取断层附近大形变分布提供了可能。文中以SPOT卫星影像为数据源,采用光学影像偏移量法获得了什邡及茂县地区的水平位移形变场。结果显示龙门山断裂带上至少2条断裂同时发生破裂,形成了主要地表破裂带(龙门山镇-高川破裂带)和次级地表破裂带(汉旺破裂带),沿龙门山镇-高川破裂带平均位移量为4～6m,在高川附近伴随的平均右旋水平位移为1～3m; 汉旺破裂带因逆冲导致水平缩短,平均位移量一般为1～2m。汶川-茂县断裂带没有明显的地表破裂带。研究表明,利用光学影像相位相关法能够获得近断层位错量,可以成为InSAR手段的重要补充。     

基于逆断层动力学模型的三维山体地震动谱元法模拟

逆冲断层是常见的断层错动形式,具有释放地震能量大破坏力强的特征,同时大量震害调查和强震观测表明,山体地形对地震动的显著放大效应会进一步加重震害,然而目前还鲜有针对逆冲断层作用下山体地震动模拟的研究。文中即采用谱元法,建立含动力学逆断层震源和三维山体地形的整体物理模型,研究了动力学逆断层地震作用下的三维山体动力响应。文中以高斯型山体为例,对其近断层地震动特性进行了分析,并着重探讨了三维山体地形对逆断层地震动产生的影响。研究表明:(1)动力学逆断层模型很好的契合了近断层地震动特性,在模拟中重现了近断层地震动的方向性效应、上盘效应、集中性效应和地面永久位移等基本特征;(2)山体对近断层地震动放大效果显著,对比无山体情况,山体加速度和位移峰值分别放大了1.79和1.21倍;同时加速度峰值随着山体高程的增加而增加,与山脚处加速度峰值相比,山顶和山腰处的加速度峰值分别放大了2.05和1.28倍;(3)山体地形引发的地震波散射和衍射效应不仅放大了山体和山体毗邻地表的地震动响应,同时延长了地震动在该区域内的响应时间。     

近断层沉积盆地强地震动谱元模拟

近断层强地震动特性与远场地震动特性具有显著差别。关于近断层沉积盆地地震响应规律,目前尚未厘清。为此利用基于有限断层假定的动力学震源模型,采用谱元法,详细研究了不同沉积内外介质波速比、走滑断层倾角下近断层沉积盆地地表的地震动时程和峰值变化规律。计算结果表明:近断层沉积盆地对地震动幅值具有显著的放大作用,在盆地内部,地震动持时明显延长以及空间分布更为复杂,同时出现多次长周期速度脉冲。断层倾角变化对地震动有着显著影响,在30°~90°范围内,整体上看:随倾角增大,盆地内部峰值加速度和峰值速度逐渐减小,而位移峰值受倾角的影响相对要小。另外,随近断层沉积盆地内部介质波速降低,盆地内部地表的地震加速度和速度会明显增大。     

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。     

断层滑动分布反演及实时校正场地放大系数研究

正十五期间,我国累计部署约2 000个强震动台站,台站分布密度增加,观测技术得到很大发展。我国即将实施"国家地震预警与烈度速报工程"建设,建成后台网台间距将达到20—40 km,资料能够快速获取。但强震动数据在滑动分布反演方面尚未应用于地震应急和灾害评估中。强震动数据大量应用于实时或者近实时地震动预测系统中,在实时场地放大系数研究方面,现有研究大多利用标量值来表征场地放大系数,缺少实时校正依赖于频率的场地放大系数的研究,期望通过研究改进实现在地震应急与地震动预测中发挥重要作用。本文围绕强震动数据深入应用于断层滑动分布反演和地震动预测方面,主要研究了快速基线校正获取可靠永久位移的方法、利用近场位移进行快速滑动分布反演、实时校正依赖于频率的场地放大系数3个方面的内容。论文主要取得了以下认识和成果:(1)分析了强震动记录基线漂移的原因,总结了国内外提出的基线校正方法,针对现有基线校正方法自动化程度低,难以快速获取近场位移的问题,改进和完善了自动基线校正方法,形成了针对国内外多种强震动仪器记录数据进行快速处理获取永久位移的能力,并利用改进的基线校正方法对不同强震动台网的强震动数据进行处理,并与附近GPS台站记录的位移对比,验证了计算结果的可靠性。研究显示改进的方法能够获得近场专业强震动仪记录到的强震动记录的永久位移,同时也检测到P-alert台网近场永久位移偏离严重,显示大地震发生时MEMS传感器记录强震动数据可能难以恢复可靠近场永久位移。(2)总结了均匀半空间和水平成层半空间的同震位错理论和反演理论及方法。利用台湾CWB和NCREE强震动台网记录到的近场永久位移数据、GPS数据、 Sentinel-1A和ALOS-2In SAR数据基于单断层模型和双断层模型分别反演与联合反演得到了美浓地震滑动分布结果,对比分析不同模型下反演结果,显示本次地震单一发震断层模型结果更加合理。研究显示地震以倾滑为主,主要滑动破裂集中在9—15 km之间,并没有延伸到地表,破裂主要发生在震中西北区域,近地表最大滑动量为0.95 m,最终矩震级为6.29,平均应力降为1.21 MPa,最大应力降为6.31 MPa。(3)利用日本F-net测震数据基于考虑震源时间函数效应的矩张量反演方法反演得到了熊本主震的震源机制解。利用日本K-net和Kik-net强震动台网记录的近场永久位移、ALOS-2In SAR数据、Geonet位移数据分别建立单一断层和分段式断层模型进行滑动分布单独反演与联合反演研究,显示分段式断层模型结果更加合理,滑动分布主要在震中东北方10—30 km间,同时震中附近具有较大的滑动量,破裂延伸到地表,分段1断层模型平均滑动量为2.19 m,最大滑动量6.00 m,平均应力降19.66 MPa,最大应力降90.75 MPa。分段2断层模型平均滑动量约1.48 m,最大滑动量为4.00 m,平均应力降为15.72 MPa,最大应力降为116.62 MPa,矩震级为7.04,破裂过程在阿苏火山西南段结束。基于K-net和Kik-net快速获取的永久位移反演滑动分布结果和基于Geonet GPS位移数据、Sentinel-1A In SAR形变数据反演得到滑动分布结果都比较一致而且可靠,研究显示大震后利用高密度强震动台网后快速获取滑动分布用于震后应急响应和灾害评估是切实可行的。(4)系统总结了国内外场地放大系数校正研究现状,显示利用标量数值来校正场地放大系数的方法不能产生依赖于频率的放大系数,因此,研究实时校正依赖于频率的场地放大系数,设计因果递归无限脉冲响应滤波器(IIR)来建模场地放大系数,完成了软件实现。收集了Kiknet IBRH10与IBRH19两个台站208次地震的强震动记录,利用谱比法得到了井下台站和地面台站之间的相对场地放大系数,设计IIR滤波器对井下观测数据滤波模拟得到了自由地表地震动。利用谱比法计算IBRH10和IBRH19两个台站间的相对谱比,设计因果递归滤波器实现场地放大系数,模拟得到了IBRH10台的加速度时程和傅里叶谱。统计分析所有观测数据和模拟数据的仪器地震烈度,发现预测准确程度有较大提高。本方法很好的改进了加速度时程和仪器地震烈度的预测。为场地放大系数的实时校正提供了一种比较准确的计算方法。(5)以熊本地震为例,基于联合反演滑动分布结果,利用随机有限断层方法模拟得到了熊本地震KMMH12台站与KMMH13台站的基岩加速度时程,提出将IIR方法引入到随机有限断层地震动模拟。通过熊本地震两个台站从井下到地表的模拟和自由地表台站之间的模拟,均取得了较好的模拟结果,验证了方法的有效性。将相关工作结合起来,对更加准确的预测地震动场有重要的支持作用。     

震源破裂方式和断层性质对近场强地震动特征的影响

基于数值格林函数法的近场强地震动数值模拟方法,以1994年Northridge地震断层面上位错量的不均匀分布模式和该地区的地层剪切波速度结构为震源模型和计算模型,做了两个方面的模拟研究:(1)直立走滑断层(断层倾角为90°)情况下,模拟分析了有限断层单侧破裂模式和双侧破裂模式对强地震动特征——破裂方向性和上盘效应的影响;(2)对于倾斜断层(倾角为45°),模拟分析了正断层、逆断层和走滑断层情况下,单侧破裂模式对其强地震动主要特征——破裂方向性效应和上盘效应的影响.结果表明:断层的破裂方式直接影响着地表地震动峰值和矢量分布;在近场区无论直立断层还是倾斜断层,其地表地震动峰值分布所表达的破裂方向性效应显著,位于破裂传播前方的地震动强度大,反映了波前被压缩的趋势,破裂后方地震强度明显变小;倾斜断层引起的上盘效应明显,NS向分量和竖向分量的地表地震动峰值的最大值出现在上盘靠近断层迹线处,EW向分量的峰值在断层迹线两侧呈不对称分布,且逆断层引起的地震动峰值最大,走滑断层的次之,正断层的最小.     

地震动的速度脉冲对结构反应及结构减隔震性能影响研究

近断层地震动非常复杂,受地壳介质和地表局部场地影响的同时,更受地震断层破裂尺度、断层面位错的发展过程、破裂速度、滑动方向等因素的影响。近断层地震动常具有震动集中性、速度脉冲、永久位移以及破裂的方向性和上/下盘效应等特征。其中,地震动速度脉     

近断层地震动区域的划分

与远场地震动相比,近断层(也称为近场或近源)地震动呈现了更复杂的破坏特性,但迄今,对该区域却没有明确划分,只是依主观选择.为解决这一问题,本文详细比较了近断层与远场地震动特征参数的差别,结果表明,近断层地震动的峰值加速度、峰值速度、峰值位移、能量密度以及竖向与水平向峰值加速度的比值同远场差别较明显,而水平向峰值速度与峰值加速度比和竖向峰值速度与峰值加速度比的差别不大.依据近断层与远场存在差别的这些地震动特征参数,划分了近断层地震动区域.     

远场地震波辐射能计算以及对近断层地面运动的约束

从圆盘断层模型出发,根据地震波能量表象定理推导出了滑移弱化过程中远场S-波辐射能量表达式,并同已有的动力学模型作了比较.结果表明,得到的模型能量值或视应力的取值强烈地依赖于断层上的动态、静态应力降和破裂传播速度,而破裂速度则对应了断层带模型中断层破坏过程所耗散的能量.动摩擦应力上调和应力下调力学机制在能量求解中得到了充...     

Direct use of peak ground motion parameters for the estimation of inelastic displacement ratio of SDOF systems subjected to repeated far fault ground motions

This study is aimed at developing statistical equations to estimate the inelastic displacement ratio of singledegree- of-freedom systems subjected to far fault repeated earthquakes. In the study, peak ground motion parameters are used to define the scatter of the original data. The ratio of peak ground acceleration to peak ground velocity, and peak ground velocity of the ground motion records and structural parameters such as period of vibration and lateral strength ratio are used in the proposed equations. For the development of the equations, nonlinear time history analyses of single-degree-offreedom systems are conducted. Then, the results are used in a multivariate regression procedure. The equations are verified by comparing the estimated results with the calculated results. The average error and coefficient of variation of the proposed equations are presented. The analyses results revealed that the direct use of peak ground motion parameters for the estimation of inelastic displacement ratio significantly reduced the scatter in the original data and yielded accurate results. From the comparative results it is also observed that results obtained using equations specific to peak ground velocity or peak ground acceleration to peak ground velocity ratio are similar.     

InSAR大气误差改正及其在活动断层形变监测中的应用

为了获取青藏高原东北缘老虎山断裂带精确的震间形变速率场,通过对短时间基线干涉图大气改正效果的评价,从3种外部大气数据(MERIS, ERA-Ⅰ, WRF)中确定出最优的大气改正方法,用于长时间基线干涉图中的大气信号改正;然后利用层叠法(stacking)累积平均经大气和轨道改正后的干涉图,获取了研究区的震间形变速率场.结果显示:海原断裂系统区域内,MERIS和ERA-Ⅰ的大气改正效果优于WRF;MERIS和ERA-Ⅰ的改正结果给出了相似的形变速率场,断层两盘相对形变速率为视线向2.5 mm/a,转换成平行于断层方向为6.5 mm/a,与GPS结果一致;在近断层5 km的范围内,出现了较大的形变梯度,揭示了浅层蠕滑的存在.      

Correlation study between ground motion intensity measure parameters and deformation demands for bilinear SDOF systems

The correlation between ground motion intensity measures （IM） and single-degree-of-freedom （SDOF） deformation demands is described in this study. Peak ground acceleration （APG）, peak ground velocity （VPG）, peak ground displacement （DPG）, spectral acceleration at the first-mode period of vibration [As（T1）] and ratio of VPG to APG are used as IM parameters, and the correlation is characterized by correlation coefficients p. The numerical results obtained by nonlinear dynamic analyses have shown good correlation between As（T1） or VPG and deformation demands. Furthermore, the effect of As（T1） and VPG as IM on the dispersion of the mean value of deformation demands is also investigated for SDOF systems with three different periods T=0.3 s, 1.0 s, 3.0 s respectively.     

近岸水平场地液化侧向大变形影响因素分析

利用改进的软化模量分析方法,对近岸水平场地液化侧向大变形进行数值计算,以研究地震波波形和幅值大小、液化、竖向地震动对侧向大变形的影响。结果表明:不同的地震波作用下,即使峰值加速度相同,液化程度与侧移距离也可能有较大不同,表现了土体变形的强非线性性质,但大地震下液化导致的侧移几乎都在米的量级上;计算区域中无液化区时,岸壁侧向永久位移很小,在几公分左右,随水平峰值加速度及不同地震动输入改变不大;计算区域中有液化区时,岸壁侧向永久位移显著增大,且随输入水平峰值加速度的增大而明显增大,其机理是强地震动使液化范围加大;水平竖向两向地震动输入与单独水平地震动输入相比,前者场地液化范围增大,平均增大42%,侧移量增加,平均增加37%。     

地震动永久位移对结构地震反应影响

本文推导了基于位移激励计算单自由度体系拟速度谱公式,通过构造的脉冲位移时程对公式精度进行了验证;之后利用小波变换去除强震记录噪声而保留地震动永久位移,再基于去趋势项方法和滤波方法去除永久位移后,计算拟速度谱。算例结果表明:短周期段内,不保留永久位移的位移激励拟速度谱值与保留永久位移的位移激励拟速度谱值相差很小;中长周期段内,不保留永久位移的位移激励拟速度谱值总体上小于保留永久位移的位移激励拟速度谱值,且不保留永久位移时,滤波方法引起的拟速度谱降幅大于去趋势项方法所引起的拟速度谱降幅。因此,基于位移激励计算中长周期结构的地震反应时,应保留地震动永久位移,或基于去趋势项方法去除永久位移。      

Characteristics of amplitude and duration for near fault strong ground motion from the 1999 Chi-Chi, Taiwan Earthquake

A great number of free-field ground motion records are obtained during the 1999 Chi-Chi, Taiwan, earthquake. Records from 130 near fault free-field stations within 55 km to the causative fault surface are used as database, and characteristics of earthquake peak ground acceleration, velocity, displacement and duration are analyzed. According to this study, near fault ground motions are strongly affected by distance to fault, fault rupture directivity, site condition, as well as thrust of hanging wall. Compared with empirical strong ground motion attenuation relations used in China, US and Japan, the PGAs and PGVs recorded in this earthquake are not as large as what we have expected for a large earthquake as magnitude 7.6. However, the largest PGV and PGD worldwide were recorded in this event, which are 292 cm/s and 867 cm, respectively. Caused by nonlinear site effects of soil, peaks and corresponding ratios on E-class site were markedly different from those on other sites. Just as observed in historic earthquakes, fault rupture directivity effects caused significant differences between peaks of ground motion of two horizontal components, but took very slight effects on the duration of ground motion. The significant velocity pulses associated with large PGVs and PGDs, as well as large permanent displacements, which may result from the large thrust of the hanging wall, became the outstanding character of this event. Based on this study, we point out that 3D waveform modeling is needed to understand and predict near fault ground motion of large earthquakes.     

Artificial ground motion compatible with specified ground shaking peaks and target response spectrum

1 Introduction Time history analysis is usually needed not only for the seismic design of important structures, such as nuclear plants, large concrete dams and super high-rise buildings, but also for seismic performance based design. Performance-based design requires tha knowledge of the entire process of nonlinear seismic responses of structures be obtained, which depends on the ground motion time history as input for this analysis. However, because the observed strong-motion recordings are l…     

Simulation method of near-fault pulse-type ground motion

Introduction With the development of the economy of China, it is possible to build large-span bridges, pipelines, dams and other lifeline structures in the seismically active regions or through the active faults. In addition, some isolated and energy diss…     

Non‐structure‐specific intensity measure parameters and characteristic period of near‐fault ground motions

This paper focuses on the effects of long‐period pulse of near‐fault ground motions on the structural damage potential. Two sets of near‐fault ground motion records from Chi‐Chi, Taiwan earthquake and Northridge earthquake with and without distinct pulse are selected as the input, and the correlation analysis between 30 non‐structure‐specific intensity measure parameters and maximum inelastic displacements and energy responses (input energy and hysteretic energy) of bilinear single degree of freedom systems are conducted. Based on the frequency characteristic of near‐fault ground motions with remarkable long‐period components, two intensity indices are proposed, namely, the improved effective peak acceleration (IEPA) and improved effective peak velocity (IEPV). In addition a new characteristic period of these ground motions is defined based on IEPA and IEPV. Numerical results illustrate that the intensity measure parameters related to ground acceleration present the best correlation with the seismic responses for rigid systems; the velocity‐related and displacement‐related parameters are better for medium‐frequency systems and flexible systems, respectively. The correlation curves of near‐fault ground motions with velocity pulse differ from those of ground motions without pulse. Moreover, the improved parameters IEPA and IEPV of near‐fault impulsive ground motions enhance the performance of intensity measure of corresponding conventional parameters, i.e. EPA and EPV. The new characteristic period based on IEPA and IEPV can better reflect the frequency content of near‐fault ground motions. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.