近场强地震动合成方法研究及地震动模拟

本文通过对近场强地震动合成方法的研究,采用随机有限断层法合成了沈阳地区近场强地震动,将得到的断层附近加速度时程结果与已有的采用混合有限元法计算结果进行对比。认为这一合成地震动的方法在重大工程选址以及缺乏强震记录地区开展抗震设防工作具有重要意义。     

北京地区近断层强地震动模拟

文中利用1679年三河-平谷8级地震的有关资料和北京地区地下三维结构的研究成果,建立了相应的震源模型和传播介质模型。利用Graves的三维有限差分程序,计算了北京地区震后的地面峰值速度。通过对计算结果的分析处理,获得了近断层强地震动的近断层效应、方向性效应、上盘效应和盆地效应等基本特征。同时,这些特征也反映了我们所设定的震源和传播介质参数的合理性,以及模拟方法的正确性。另外,分析处理中所获得的这些结果可为北京地区的城市规划和抗震设防提供客观的参考依据     

利用重力资料研究地壳分层结构的遗传反演方法

根据模型分解思想,采用变密度多层地壳密度模型,据此推导了相应的重力异常正演计算公式。以遗传算法为基础,结合上述重力异常正演公式,形成了地壳多层密度结构的遗传反演方法。     

矩形和钟形震源时间函数对地震动模拟结果的影响比较

首先介绍了用于地震动数值模拟的国际通用软件COMPSYN程序,并对此进行了二次开发,将其震源时间函数由矩形函数改为钟形函数,通过与全空间的解析解计算结果的对比,验证了修改后程序的正确性。通过对比2种震源时间函数的频谱特点,指出矩形函数的高频成分丰富,不利于地震动的模拟。2种震源时间函数下用COMPSYN程序对同一观测点地震动模拟的结果表明,矩形函数模拟的时程出现＂振铃＂和＂锯齿＂现象,且随截止频率的增加而加重,影响了对模拟地震图的识别,而钟形函数模拟的时程较为平滑,说明采用钟形函数进行地震动数值模拟是比较合理的。     

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。     

震源参数对强地面震动模拟结果的影响

基于运动学震源模型,进行了不同震源参数情形下强地面震动数值模拟.结果表明,不同的破裂过程会产生差别甚大的强地面运动分布,一次确定性震源参数的模拟结果不能作为活动断层地震危害性评价的指标,只有通过大量三维地震动场模拟计算,给出地面震动评估的统计结果,才是比较合理的发展方向.由于一次三维地震动场计算耗时很大,因此解决问题的关键是如何考虑合理的震源参数.     

地震动随机有限断层模拟方法综述

目前,地震工程中一个关键性问题就是近场高频地震动场的重建.对地震动模拟方法进行简要介绍,分析了这些方法存在的缺点,也对一些基本问题做了探讨,例如各种模型的拐角频率,震源谱,高频标定因子等等.分析了随机有限断层模拟方法的基本原理,通过各种改进模型的对比分析,指出随机有限断层模拟方法虽然存在很多不足之处,但只要合理选择参数...     

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.     

莫霍反射效应对俯冲带浅地壳地震动衰减模型的影响研究

为探究莫霍反射效应对俯冲带地区浅地壳地震动衰减模型的影响,基于日本KiK-net和K-NET台阵的4 014条水平向浅地壳强震记录,分别建立没有考虑莫霍反射效应的地震动衰减模型I和考虑莫霍反射效应的地震动衰减模型II,并对比分析了2个模型的残差分布、拟合优度及预测结果。研究发现,莫霍反射的影响降低了浅地壳地震某一距离范围内地震波的几何衰减率,采用三段线性几何衰减函数考虑莫霍反射效应的影响,明显改善了模型准确性;采用三段线性几何衰减函数的地震动衰减模型的最大对数似然值有大幅度增加,拟合优度明显提高;2个模型的预测反应谱在多数谱周期点上均存在显著差异,采用三段线性几何衰减函数的地震动衰减模型的预测反应谱在各距离分段上的变化趋势利于提高模型预测结果。结果表明,在俯冲带浅地壳地震动衰减模型研究中,可以采用一个相对简单的三段线性几何衰减函数考虑莫霍反射引起的复杂路径效应的影响,模型可靠度和标准差均显著提高。     

基于地震动参数的结构易损性表达方法研究

用贝塔分布函数对给定烈度下结构各个破坏等级的概率分布进行了破坏比概率密度的拟合,以地震动峰值作为地震动参数,根据烈度和加速度峰值的对应关系以对数插值方式计算了在任意一个峰值加速度下结构破坏比的倍塔概率密度分布及各个破坏等级的概率,从而使结构易损性的表达方式由烈度-震害等级构成的二维阶跃性易损性矩阵转化为由地震动参数-破坏比概率密度函数或地震动参数-各破坏等级的概率来表达的方式.试算结果表明,这种转化方法是可行的.本文为震害预测和地震经济损失估计提供参考.     

Spatial variation and conditional simulation of seismic ground motion

Spatially varying ground motion (SVGM) may have influence on certain civil engineering structures with spatially extended superstructure and/or substructures. Conditional simulation of spatially varying ground motion (CSSVGM) may be viewed from two different perspectives. Most procedures available in the literature neglect the spatial variability in auto-spectral density (ASD) and estimate the SVGM through cross-spectral density (CSD) which was computed using the empirical coherency models. This paper proposes a coherency model that accounts for the spatial variability of ASD. A framework has been developed for the CSSVGM, through the mapping of both proposed coherency model and ASD over the footprint of an array. Current framework (existing in the literature) accounts for only the phase variability of SVGM while proposed framework accounts for both phase and amplitude variability. Ground motion generated from both perspectives is then assessed with the data recorded over SMART1 and LSST arrays. For the purpose of assessment, a definition of target spectrum based on the direction of arrival is explored. The effect of choice of coherency model on the simulated spatially varying ground motion is investigated first. Spectra resulting from both the perspectives are assessed against the target spectrum. An attempt has been made to predict the SVGM for a future event using a coherency model calibrated against a past event and an estimate of ASD of the seed ground motion. Finally, the effect of form of ASD (of a seed ground motion) on SVGM simulated is investigated by considering the ASD in different forms. Simulating SVGM through the mapping of both coherency model and ASD seems to be more appropriate than through CSD.     

用转换函数研究那木错站地壳结构

青藏高原是研究地球动力学问题天然的试验场,也是研究全球变化的关键地区之一,中国科学院青藏高原研究所于2004年在西藏那木错建立了圈层相互作用综合观测研究站.为了解那木错站下方的地质构造,于2005年8月在本站布设了宽频带地震仪(记录器为Reftek130,摆为STS2),并于2006年5月取得首批数据.本文利用宽频带地震仪提供的三分量地震波形记录,应用转换函数及快速模拟退火算法对那木错站下的地壳横波速度结构进行了反演.反演结果表明,那木错站Moho面深度在85公里左右,地壳结构复杂,尤其在中上地壳,明显呈高低速互层结构,反映了该地区构造活动、物质交换活跃,表明这些地区还未达到均衡;同时,为了便于研究该地区地壳结构,还对IRIS提供的临近地区的地震宽频带进行了处理,为研究那木错地区圈层结构提供地球物理依据.     

陕西省数字地震台下方壳幔速度结构研究

利用广义反、透射系数的传递矩阵计算理论地震图，用快速模拟退火法搜索最佳模型，通过与地震台站实际记录的P波波形进行拟合对比，反演了陕西省13个数字地震台下方的P波速度结构。台站分布区域涉及到秦岭造山带、渭河盆地及鄂尔多斯地台三个构造区域。结果显示，3个构造区的地下速度结构差异明显，呈现了各自的构造特点。其中秦岭造山带上地壳乃至地表速度高，中下地壳出现多个低速层，可能与岩石脱水、构造滑脱带等有关；渭河盆地内上中地壳高低速度层交替出现，反映了断层活动在浅部的影响；鄂尔多斯地台有部分台站保持稳定的匀速构造。反映了古老地台地层稳定发展的特性，部分台站受到后期改造，低速层位增多。因为变化剧烈的台站分布在盆地的南部和西部。而且震源机制解显示该区主应力场方向为近东西向，可以说秦岭北缘的断裂作用以及后来来自青藏高原的挤压应力是导致渭河盆地形成和发展的主要因素。最后我们讨论了速度结构与强震、地震分布以及不同构造演化的关系。     

3D simulation of near-fault strong ground motion： comparison between surface rupture fault and buried fault

In this paper, near-fault strong ground motions caused by a surface rupture fault (SRF) and a buried fault (BF) are numerically simulated and compared by using a time-space-decoupled, explicit finite element method combined with a multi-transmitting formula (MTF) of an artificial boundary. Prior to the comparison, verification of the explicit element method and the MTF is conducted. The comparison results show that the final dislocation of the SRF is larger than the BF for the same stress drop on the fault plane. The maximum final dislocation occurs on the fault upper line for the SRF; however, for the BF, the maximum final dislocation is located on the fault central part. Meanwhile, the PGA, PGV and PGD of long period ground motions (≤1 Hz) generated by the SRF are much higher than those of the BF in the near-fault region. The peak value of the velocity pulse generated by the SRF is also higher than the BF. Furthermore, it is found that in a very narrow region along the fault trace, ground motions caused by the SRF are much higher than by the BF. These results may explain why SRFs almost always cause heavy damage in near-fault regions compared to buried faults. Supported by: National Natural Science Foundation of China Under Grant No. 50408003; National Scientific and Technical Supporting Programs Funded by Ministry of Science & Technology of China Under Grant No. 2006BAC13B01     

考虑各向异性的层土-盾构隧道地震反应数值模拟

在层状各向异性土体-盾构隧道地震反应分析中,引入了横观各向同性弹塑性模型理论,建立了适合于横观各向同性介质的双渐近-多向透射边界条件。针对地铁区间盾构隧道抗震设计的特点,基于横观各向同性弹塑性模型,研制了考虑层状土体各向异性和施工开挖效应,适合于盾构隧道动力计算的各向异性弹塑性动力有限元程序。在程序中对于不同的材料采用了不同的本构关系和不同的单元形式,并采用了关联流动法则和多种屈服准则,可同时进行各向异性土体与地下结构的二维平面应力、平面应变和轴对称问题的静力和动力数值分析。最后利用所研制的程序进行了上海地铁二号线石门一路站附近区间隧道在不同超越概率地震动输入下的隧道反应计算。结果表明,在层状土体-地铁区间隧道的抗震分析中考虑土体各向异性的影响是必要的,所提出的计算模型是可行的。     

Assessment of the vertical distribution on seismic ground motion

It is very important for the facilities such as nuclear power plants to infer seismic force loading on the earthquake stability assessment of the building foundation and the surrounding slope. The purpose of this paper was to propose a method to evaluate underground seismic coefficients, taking into account dynamic response along the depth in horizontally multi-layered ground. The dynamic property of the seismic coefficient was analyzed on the basis of earthquake records observed at hard and soft rock sites mostly found in Tertiary deposits and sedimentary ground sites of the Pleistocene and Holocene epoch. The evaluation methods of a vertical distribution on underground seismic coefficients were proposed for a few calculation methods on the classified layered ground. Extended evaluation for underground seismic coefficients was confirmed with respect to some multi-layered ground during strong motion.     

近断层地震动速度、位移峰值衰减规律的研究

在全球范围内选取6．0≤Mw≤7．6、震源深度H≤20km且断层距df≤40km的地震动速度和位移峰值数据．进行分组统计分析,确定了PGV和PGD的近断层研究区域分别为20km和15km。认为两水平分量为2条独立数据,在各自研究区域分别得到由366条PGV和265条PGD数据组成的数据库;其中水平方向分为硬土和软土2类场地,竖向只考虑土层场地．利用作者前文已提出的近断层地震动衰减模型和最小二乘法进行数据拟合分析．得到PGV和PGD随断层距和震源深度变化的衰减曲面,分析了水平、竖向以及竖向与水平比值的衰减规律。     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验数值模拟方法研究

直接针对大型振动台模型试验,建立液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用数值模拟的二维分析模型和计算方法。根据桩基平面应变假定,将空间桩体转换成平面板桩,并考虑桩的尺寸效应;基于桩截面节点位移协调条件和平衡力系等效原理,建立四结点梁单元刚度矩阵且对Timoshenko梁杆单元刚度矩阵进行增广修正,以考虑桩的横向尺寸影响桩周土位移场分布的尺寸效应。根据有效应力原理进行土动反应分析,采用满足M asing准则的修正双曲线模型描述土动力变形的本构关系,同时考虑因孔压上升造成土体软化而对土动力性能的影响,由迭代法处理土的动力非线性。采用并联弹簧-阻尼器模拟计算域人工边界,以考虑边界波的反射作用对体系动力反应的干扰和土粘滞阻尼的影响。采用W ilson-θ逐步积分法计算体系的地震反应。通过与试验结果的对比分析,评估数值模拟的建模途径和计算方法的可靠性。