基于改进的经验格林函数方法的地震动模拟

改进的经验格林函数方法弃掉以往完全用经验方法确定用于合成大震的小震数目的方法,考虑了大地震断层各个子断层位错的不均匀性,使得经验格林函数方法的物理意义更加清楚。用改进的经验格林函数方法,以汶川MS6.4余震记录作为经验格林函数模拟了九寨白河台、松潘安宏台、皋兰台和成都中和4个台站的加速度时程,与以往的经验格林函数方法比较,模拟结果的反应谱与记录符合得更好,证明了改进的经验格林函数方法可以反映震源位错的复杂分布,可以在工程地震中用来估计场地地震动过程。     

用改进的经验格林函数方法模拟唐山地震动

建筑物的抗震设防需要尽可能地掌握未来大地震强震动记录信息,但大地震强震动记录的匮乏阻碍了抗震设防实践的发展。经验格林函数方法作为模拟地震动的主要方法,可以提供可靠的大地震强震动记录,但也存在着许多问题,如缺乏对大地震断层滑动分布不均匀的描述、用经验确定小震数目、模拟方法受到大小地震相似条件的限制等。文中对上述经验格林函数方法存在的问题进行了研究,改进的经验格林函数方法,有效地解决了上述问题。并用其对唐山大地震进行了模拟,并把模拟的地震动时程和反应谱与实际记录相比较,发现用改进方法模拟的地震动加速度反应谱比用未改进方法模拟结果更接近实际的地震动记录加速度反应谱。由此说明改进的经验格林函数可更准确的模拟地震动。     

高频地震动随机模拟方法研究

基于地震动时程记录、震源破裂过程和场地模型的近断层强地震动模拟方法是目前估计地震动输入的重要方法之一,也是岩土地震工程研究的热点问题之一。由于大部分建筑自振周期在3.0 s以内,因此对地震动的高频成分更为敏感。本文以适用于模拟高频地震动的随机模拟方法为研究对象,系统地归纳和总结了该方法的研究历史和现状,详细介绍了其模拟的原理,并评述了随机点源模型和有限断层模型的特点。在此基础上,针对该方法中存在的一些问题,开展了深入系统的研究,主要研究工作和取得的成果如下:(1)建立了拐角频率和震源破裂速度的关系。推导了震源谱中拐角频率的表达式,明确了推导过程中的假设条件和适用范围,阐明了拐角频率在不同的假设条件下有不同的表达式。结果表明,无论是点源模型还是有限断层模型,拐角频率应和破裂速度有直接的联系。本文给出的拐角频率和破裂速度之间的表达式,可以弥补Boore和Motazedian有限断层模拟程序在理论上的不完善和矛盾之处,在理论上补充和完善了拐角频率的表示方法。(2)统计分析了汶川特大地震主、余震高频衰减参数kappa的分布规律。通过对不同场地、不同震级、不同距离下强震记录的分析,本文认为,高频衰减参数kappa和震级、震中距、场地以及统计的频段有关,同时也存在一定的随机性,且随机性的影响有可能更大。结果表明,水平向强震记录的kappa值大于竖向的,同时发现一定比例的竖向强震记录甚至表现出高频增大的趋势。对于水平向强震记录,在震中距或震级较小的时候,也可能会出现高频增大的情况。按照我国抗震设计规范的场地分类方法,将台站分为三类场地,分别统计了Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地kappa值随震级和震中距的变化规律,并给出了拟合公式。(3)提出了一种确定输入参数的方法,给出了地震动随机模拟方法中主要输入参数的取值范围,并分析了输入参数取值对地震动模拟结果的影响。本文利用随机模拟方法,分析了应力降、震源处密度、破裂速度、剪切波速、品质因子、高频衰减参数等输入参数对地震动峰值加速度PGA、反应谱Sa和放大系数β的影响。结果表明,上述输入参数取值变化对模拟结果的PGA均有一定的影响,按照敏感程度依次为应力降、高频衰减参数kappa、品质因子Q_0、震源处密度、破裂速度、品质因子指数、剪切波速。其中,kappa对放大系数β的影响最大,会改变放大谱的形状,其他输入参数的变化对放大系数β影响则很小,因此输入参数的取值变化对反应谱的影响主要取决于对PGA的影响程度。针对输入参数对模拟结果的影响程度,本文对输入参数的取值提出了相应的建议。在缺少反演结果的情况下,对于较不敏感的参数,可以在经验值范围内选择;对于敏感的参数,则需要搜索一个最优值使得各台站模拟记录与实测记录之间的误差最小。这一方法可作为随机模拟方法输入参数取值的参考依据。(4)利用随机有限断层模拟方法模拟了鲁甸M_S6.5地震的基岩台记录,提出了一种地震动模拟的工程方法。本文分析并总结了鲁甸地震震源机制的反演结果,结合本文对拐角频率的改进和输入参数的确定方法,利用随机有限断层模拟方法模拟了鲁甸地震基岩台的加速度时程。从结果来看,模拟地震动的峰值加速度PGA和反应谱均与实测结果较为接近,这表明随机有限断层模拟方法可以用于模拟近场地震动,也验证了本文的研究结果的合理性和可行性。对于没有强震记录对比的工程场地,本文提出了一种工程方法,它的原理是将反应谱的模拟分为PGA和放大系数包络线两部分内容分别合成,PGA的取值范围由随机模拟方法和地震动衰减关系联合确定,采用随机模拟方法确定放大系数的包络线。这种方法考虑了不同相位谱对地震动的影响,并结合了地震动衰减关系的研究成果,可以提高模拟地震动的精度,并给出了多条地震动时程曲线,拟合得到的时程反应谱包络线可以有效涵盖实测记录。该方法可用于模拟缺少强震记录工程场地的地震动。     

用经验格林函数方法模拟汶川M_W7.9地震的强地震动

汶川M_W7.9地震的发生震惊了中国乃至全世界,不仅仅因为该地震震级巨大,还因为其可怕的伤亡。评估汶川M_W7.9地震的复杂性及破坏力需对其地震特征进行研究。本文运用经验格林函数方法(EGF)模拟了地震的强地震动。首先,选取了4个震级为M_W4.9和M_W5.0的余震,对这些余震的运动利用格林函数进行了模拟。通过模拟,可以估算出包括断层规模和应力降在内的余震震源参数。然后,通过试错法正演模拟得出M_W7.9地震凹凸体(强震动生成区)的震源模型。为验证该震源模型的准确性,运用经验格林函数方法模拟合成了9个台站的强地震动。将模拟得出的强地震动与观测记录到的加速度波形、速度波形和拟加速度反应谱相比较。尽管有一些差异,但在大部分台站,合成的强地震动与观测记录结果相吻合。在模拟得出的震源模型中,断层面上3个凹凸体的应力降约为10MPa,而凹凸体面积与破裂面积比为0.24,接近经验关系式得出的结果0.22。     

用经验格林函数法和随机方法模拟卢龙地震的比较

在介绍用经验格林函数方法和随机方法模拟地震动的基础上,分别用这两种方法模拟了卢龙5．7级地震。模拟结果表明,用经验格林函数方法模拟地震动的结果与地震记录符合得很好。用随机方法模拟地震动在高频部分与地震动记录符合得比较好,而在中、低频部分符合得不太好。两种方法比较,经验格林函数方法模拟的结果更符合实际记录。但随机方法具有计算简单、无需小震记录的优点,因此发展随机的方法是有意义的。随机方法中中、低频部分不太符合的原因是随机方法中的很多经验关系是在美国大陆得到的。因此建议加强对中国大陆经验关系的研究,并把中国大陆的经验关系加入到随机方法中,使随机的方法成为中国大陆普适的模拟地震动的方法。     

地震动随机模拟及其参数确定方法

本文建议以地震动标准差函数的最大值和反映强度包络函数的回归常数作为描述随机地震动特性的基本参数。文中还提出了一种将地震学确定性低频模拟方法和工程学中高频随机模拟方法相结合的综合模型来反映地震动的频谱特性。本文提出的方法能方便地利用目前抗震设计所依据的基本参数来确定随机模型中的参数,并且有可能对地震动长周期特性进行较好的模拟。     

随机模型上的地震动模拟研究

介绍了一项随机模拟实验,该实验通过模拟一个具体场址模型的地震动响应了解模型参数不确定性对模拟结果的影响。首先给定一个典型的第四纪沉积层场址模型的参数(包括地层厚度、介质密度、横波速度和品质因子等)的统计特征,并据此在计算机上按截尾的正态分布随机抽样形成了16384个随机模型,然后分别在各个模型上进行SH波地震动响应模拟,最后对所有的模拟结果进行统计分析,了解模型参数的不确定程度与模拟结果变化范围之间的关系。实验结果表明,模型参数不确定性对模拟结果的影响程度是随频率增大的。随机模型地震动响应的第一个放大峰发生在353±031Hz的频率上,其幅值为438±076;第二放大峰发生在885±108Hz的频率上,幅值为422±090。两放大峰值的均方差与均值之比分别为18%和25%。与模型参数20%的相对变化程度大致相当。但更高频率上振幅响应的均方差与均值之比则高达30%～40%。     

地震动随机模拟方法主要影响参数分析

简要介绍了地震动随机模拟方法的原理,总结了影响地震动随机模拟结果的输入参数,重点分析了应力降、品质因子、高频衰减参数对PGA和反应谱Sa的影响。研究结果表明:应力降对地震动模拟结果影响最大;随着应力降的增加,PGA增大,各周期处的反应谱均有较大变化;矩震级增大时,PGA和反应谱的受应力降的影响也相应增大;品质因子Q0和指数n越大,PGA也越大,短周期处的反应谱受两者影响大,长周期处受其影响小;高频衰减参数k增大时,PGA和反应谱相应减小,k对PGA和短周期处的反应谱影响较大。     

经验格林函数法与随机有限断层法在合成近场强地震动中的联合运用

本文采取将经验格林函数法与随机有限断层法相结合的方式,突出体现了各自方法的优点,通过经验格林函数法确定地震震源参数,用随机有限断层法计算参数、检验其合理性。利用1998年新疆阿图什M6．9级地震的肘L4．7级余震记录,合成了这次地震的最大余震Ms6．0级地震的加速度记录,并将合成的结果与实际记录在频域和时域做了对比,分析研究了地震动特征和这次最大余震的可能破裂特征。同时对经验格林函数法需进一步改进的方向进行了探讨。     

经验格林函数方法模拟地震动研究

地震动模拟研究的目的是为建筑物的抗震设计提供未来地震动的时程或反应谱。本研究在总结了经验格林函数方法和随机方法模拟地震动的基础上,对所存在的问题进行了系统研究,得到如下成果:1改进了经验格林函数方法,提高了经验格林函数方法的严密性用经验格林函数方法模拟地震动的结果在高频部分偏低的部分原因是由于假设大小地震的滑动分布都是相     

经验格林函数方法模拟强地面运动的研究进展

经验格林函数方法(简称EGFM)是当前模拟强地面运动的一种主流方法。主要介绍EGFM方法的发展历程和特点,重点解释了EGFM核心理论的沿革;详细介绍了加入凹凸体模型的改进的经验格林函数方法,并指出一种划分凹凸体区域新方法的可能性。     

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。     

随机有限断层方法的改进和芦山地震动模拟

随着随机有限断层方法被逐步推广至宽频带地震动的震前预测与震后模拟,该方法存在的2类问题凸显:(1)模拟地震动的频率非平稳特性缺失;(2)高低频地震动的模拟精度不一致。文中探索上述问题的改进措施:(1)引入区域地震波传播群速度模型以生成频率非平稳地震动相位;(2)引入王国新改进震源谱代替Brune震源谱以实现高低频地震动辐射水平的调整。将改进后的随机有限断层方法应用于2014年芦山地震(M_w6.7)的强地震动模拟,模拟结果验证了改进措施的有效性:新引入相位使得模拟记录的频率非平稳特性趋近于真实记录;新引入震源谱模型在一定程度上可实现高低频地震动的一致精度模拟。     

经验格林函数方法模拟地震动研究现状

经过30多年的发展,格林已经成为被地震工作者普遍接受的模拟地震动的方法.回顾发展历史,该方法可以分为3个阶段:第1阶段是经验格林函数理论建立阶段;第二阶段是经验格林函数方法逐步得到完善阶段;第三个阶段是经验格林函数方法的广泛应用阶段,该阶段提出了用该方法预测未来地震动的一般步骤,标志着用经验格林函数方法预测未来地震动,为建筑物的抗震设防提供依据已经到了比较成熟阶段.最后,对用经验格林函数方法和随机方法模拟地震动的优势和不足进行了比较.     

经验格林函数方法理论上的改进

以往的经验格林函数方法存在着两个问题:一是要求大小地震需满足"相似"或"准相似"条件,这就限制了经验格林函数方法的适用范围。二是对大地震断层面的位错不均匀性考虑得不充分,而实际上大地震断层的位错一般是不均匀的。本文在假定大小地震不满足"相似"和"准相似"以及大地震断层面位错不均匀的前提下,对经验格林函数方法进行了改进,并应用于卢龙地震的模拟,模拟的结果与记录符合得比较好,说明改进的经验格林函数方法可以用来估计场地地震动过程。     

经验格林函数方法的理论探讨

通过比较经验格林函数和理论格林函数模拟地震动方法,认为经验格林函数方法能比理论格林函数更好地模拟地震动。同时亦指出用经验格林函数方法模拟地震动时出现两个问题:(1)模拟的结果高频不稳定。(2)模拟的结果有一个"人造周期"。地震工作者提出选择适当的频响函数,比较有效地解决了模拟结果高频不稳定的问题;还提出了完备经验格林函数集的概念,以提高模拟结果与记录的符合程度。但完备经验格林函数集提出了每个大震子断层上都有小震记录的过于苛刻的要求,使得完备经验格林函数集的获得只能靠理论和经验关系结合的办法。本文通过对大震断层滑动速度函数的理论分析认为:可以用多个不同滑动速度和不同上升时间的小震合成经验格林函数,用这种经验格林函数合成的地震动不会产生"人造周期"。但需要加强对小震记录的反演工作并获得丰富的小震参数。     

用随机方法模拟唐山7.1级余震地震动场

在系统介绍用随机方法模拟地震动的基础上,用该方法模拟了唐山7.1级余震地震动场。模拟结果表明,唐山地区发生MS7.1级余震时,该地区产生了强烈的地震动,很多区域加速度峰值超过400cm/s2,地震断层面长65km,宽13.5km,地震过程中断层面的平均滑动为1.08m。模拟与记录的地震动持时符合得不好,其原因是随机方法中的经验关系大都是在美国大陆得到的,所以建议加强中国大陆相应的地震动经验关系的研究,使随机方法能更好地适用于中国大陆。尽管如此,由于用随机方法模拟的地震动峰值和反应谱与记录符合得比较好,这些模拟结果可以作为建筑物抗震设防的地震动输入。     

用格林函数方法模拟卢龙地震

建筑物的抗震设防需要地震动的输入,但往往在抗震设防区缺少地震记录,这就需要地震动的模拟.在总结现有经验格林函数方法的基础上,提出了改进的经验格林函数方法,并用该方法对卢龙地震进行了模拟.模拟的结果表明:模拟的结果无论是地震动加速度时程还是反应谱与实际地震记录都符合得比以往好.说明改进的格林函数方法是模拟地震动的有效方法,可以在工程实践中应用推广.