近断层地震动等效速度脉冲研究

近断层地震动对地表结构物造成严重的破坏,它具有明显的方向性和脉冲型特征. 在速度时程中含有大幅值、长周期的脉冲波,对结构响应影响很大. 为简化计算和分析的需要,在既有的等效速度脉冲模型的基础上,建议了较为合理等效速度脉冲模型. 在充分收集脉冲型近断层地震记录的基础上,对等效速度脉冲模型的脉冲周期、脉冲强度及卓越脉冲数等参数进行了研究,并与以往研究者的结果进行比较,以利于近断层区结构的抗震设计.     

汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200 km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,同时将汶川地震的速度脉冲与集集地震和Northridge地震进行对比,利用NGA数据库24次地震事件中的3 615条记录,选取出典型的脉冲型记录作为统计分析的基础数据,研究地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.     

基于小波方法分析汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200 km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,并将此次地震中获取到的速度脉冲周期和幅值参数与Chi-Chi 地震和Northridge地震进行了比较,统计分析地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.研究表明:(1)汶川地震近断层速度脉冲具有周期长、幅值小的特点.速度脉冲周期主要分布在6~14 s之间,其中51MZQ台沿平行断层的分量脉冲周期最大为14.2 s,速度脉冲幅值与Chi-Chi 地震和Northridge地震相比明显偏小.(2) 速度脉冲记录出现在沿着地震断层破裂传播的方向上,且与地表断裂的距离都在30 km以内,这些长周期速度脉冲的形成可能主要由破裂传播的向前方向性效应引起.(3)速度脉冲的周期随矩震级呈对数线性增大,且随断层距增大有减小趋势.在矩震级小于M_w7.5时,观测到的地震动脉冲幅值为50~150 cm/s之间,与100 cm/s的典型断层滑动速率非常接近;而震级大于M_w7.5时,断层距10km范围内脉冲的幅值已经超过100 cm/s,个别记录的脉冲幅值甚至达到200 cm/s,远超过前人给出的饱和值,这可能与大的永久形变或该处土层介质条件有关.     

考虑脉冲参数随机性的近断层地震动降维建模

根据50组近断层脉冲型强震动记录,采用连续小波变换提取最强速度脉冲分量,建立最强速度脉冲峰值时刻的统计模型。对近断层地震动加速度高频分量的演变功率谱模型参数进行识别,并利用谱表示-随机函数方法实现了降维模拟,进而积分得到速度高频分量。对脉冲参数进行随机化处理,并采用改进Gabor小波模型随机模拟速度低频分量。将速度高频分量与低频分量叠加得到近断层地震动速度时程。数值算例表明,近断层地震动加速度代表性时程集合的幅值谱和反应谱均与实测记录拟合一致,验证了降维模拟方法的工程适用性。近断层脉冲型地震动的降维模拟与概率密度演化理论相结合,可实现工程结构的随机地震反应与抗震可靠性精细化分析。     

近断层地震动的基本特征

本文对近断层地震动的基本特征作了详细分析,这些基本特征主要包括近断层强地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破裂的方向性效应、近断层速度大脉冲和上盘效应。这些特征虽然在一次地震中不一定同时出现,但它们是已经被强震观测资料和数值模拟证实了的,在模拟和预测近断层地震动时,必须充分考虑这些特点,合理的近断层地震动模拟或预测模型和方法应当在结果中再现这些特点。     

近断层地震动作用下设计速度反应谱研究

近断层地震动是一种特点明显且破坏力巨大的地面运动,其速度反应谱与远场地震动的速度反应谱有显著不同。本文从美国太平洋地震工程研究中心（PEER）强震数据库选取具有特定震级、震源机制、土层剪切波速和断层距的30条近断层地震记录作为输入;运用状态空间法,利用MATLAB进行地震动作用下单自由度体系的运动方程计算得到体系的速度反应谱;通过标准化、求均值的方法研究速度反应谱的特征;按照速度反应谱峰值对应的周期对所选的30条地震记录进行分组,并用分段线性拟合方法建立了设计速度反应谱;通过不同组的设计速度反应谱与速度反应谱平均值的对比,验证本文提出的设计速度反应谱的合理性。研究结果表明,近断层地震动下的速度反应谱谱形包括四个阶段;结构的阻尼比对速度反应谱的谱形没有影响,但是会影响速度反应谱的谱峰值,结构阻尼比不同时,两两比较后的最大相对误差为16.68%。     

脉冲型近断层地震动作用单自由度体系响应分析

近断层前方向性效应地震动含有高幅值,短持时的速度脉冲,与远场地震动相比存在显著差异。本文根据所选取的40条近断层地震波记录,用小波分析方法将原始记录分解为脉冲波部分和高频波部分,对弹性和非弹性单自由度体系进行分析,得出了以下结论:对于弹性体系,大约0.484倍的速度脉冲周期可以作为临界周期,脉冲波部分将对固有周期大于临界周期的结构的响应起主导作用,反之,高频波部分将会产生显著影响;对于非弹性体系,仅仅用等效速度脉冲方法模拟近断层地震动的计算精度将会受到延性系数?的影响,随着延性系数的增加,脉冲波部分满足精度要求的结构固有周期范围将明显缩小,并且向较低周期范围偏移;仅用等效速度脉冲模型来模拟近断层地震动具有一定的局限性。     

近断层速度脉冲型地震动特征周期的估计与调整

基于美国NGA数据库,在断层投影距小于25 km范围内挑选了1387条地震加速度记录,分别按照断层距和场地条件进行分组,对近断层速度脉冲型地震动的频谱特性、特征周期,及其与断层距、震级的相关性予以分析。结果显示:① 出现速度脉冲型地震动的比例与断层投影距之间存在明显的线性相关关系,但其与震级的变化不相关;② 地震动速度脉冲周期与震级之间存在强相关;③ 对于近断层速度脉冲型地震动,采用动态变化的加速度和速度反应谱峰值周期进行特征周期的计算,更加符合真实情况;④ 地震动速度脉冲有放大地震动特征周期的作用,水平向放大的比例与竖向相当,且放大作用与场地条件相关,在较硬场地上放大较多。本文基于上述近断层地震动的统计分析结果,对现行抗震设计规范中定义的特征周期提出了适合于工程应用的调整系数,并建立了速度脉冲周期与震级之间的关系模型,分析结果显示二者的拟合效果较好。      

近断层地震动预测实例

利用模拟长周期地震动的显式有限元技术和并行计算技术、场地一维线性反演和等效线性化方法以及有限断层模型,针对一个具体的城市地下结构模型,本文给出了一套近断层地震动预测的方法和相应的预测结果,并与近断层地震动的特征对比,分析了预测结果的合理性。     

近断层地震动最强速度脉冲方向分量特性研究

为了研究速度脉冲型地震动的最强速度脉冲方向分量与垂直或平行断层方向分量之间的特性差异,本文采用多分量速度脉冲识别方法从NGA-West2强震动数据库的236组近断层地震动速度脉冲记录中提取出最强速度脉冲方向分量,对其脉冲参数随震级M_W和断层距R变化的统计关系式进行了回归分析,并对比了最强速度脉冲方向分量与垂直或平行断层方向分量之间的特性差异。研究结果表明:当R＜30 km时,最强速度脉冲方向分量的脉冲幅值预测值较垂直或平行断层方向分量的预测值大,而当R＞30 km时,两种分量的脉冲幅值预测值相差不大,可以忽略;当M_W≤7.5时,最强速度脉冲方向分量的脉冲周期预测值比垂直或平行断层方向分量的预测值大,而当M_W＞7.5时,两种分量的脉冲周期预测值差异不大,可以忽略。      

近断层速度脉冲地震动的三维有限差分模拟

根据台湾西部地质地貌特征和1999年集集M_W7.6地震的研究成果,建立三维速度结构模型和震源模型,并采用三维有限差分法对双冬断层可能产生的近断层脉冲型地震动进行数值模拟。结果表明,方向性效应引起的双向速度脉冲集中在垂直于断层滑动分量的方向上,而滑冲效应引起的单向速度脉冲则集中在平行于断层滑动分量的方向上。受方向性效应和上盘效应的共同调制,近断层脉冲型地震动反映出不对称带状分布的特征,速度脉冲主要分布在距离断层面约10 km的范围内。凹凸体的特性影响着地震动的时空分布,由地震波场显示南投和台中处于强地震动危险区。近场脉冲型地震动的研究对分析速度脉冲形成机理以及地震危险性有一定的参考意义。     

基于卷积神经网络的速度大脉冲识别方法研究

含速度大脉冲的强地震动具有复杂的特性,人工提取速度大脉冲特征的方法较繁琐,故利用卷积神经网络（CNN）在图像特征自动提取方面的优势,提出基于卷积神经网络图像识别的速度大脉冲识别方法。基于美国太平洋地震工程研究中心NGA-West1数据库提供的强地震动记录,筛选出6 000条非脉冲记录和91条含有速度大脉冲的强地震动记录。采用在原始记录中加入高斯噪声和过采样的方法,使2类记录样本数量达到均衡。利用本文建立的卷积神经网络模型对2类记录速度时程图进行特征自动提取和分类识别,结果显示测试集准确率为99%,表明本文卷积神经网络模型能够自动提取速度大脉冲特征,进而复现已有结果。将本文方法与传统方法进行了对比,结果表明,对含有多个速度脉冲的强地震动记录的识别,本文方法优于传统方法,具有较高的可靠性、鲁棒性、灵活性。     

地表破裂断层近场速度大脉冲研究

在分析和研究近场强震记录的基础上,对地面运动速度大脉冲进行了数值模拟。研究结果表明：有速度大脉冲的地面运动主要产生在断层周围。是地震发生时断层两盘突然错动在周围场地产生的特殊运动效应,单耳速度大脉冲常伴随有较大的地面永久位移,双耳或多耳速度脉冲常对应于位移大脉冲及可恢复位移,其产生机理与断层的破裂速度关系不大,与断层两盘的位移量有直接关系。速度大脉冲对近断层的长周期结构作用显著,值得研究。     

一种改进的近断层脉冲型地震动模拟方法

本文基于小波包技术的随机地震动模拟方法,提出一种改进的参数化随机近断层脉冲型地震动模拟方法。然后,通过识别和提取近断层脉冲型地震动数据库中脉冲型地震动的特征参数,建立了基于震源、传播路径和场地特征等参数的脉冲模型参数预测方程。最后,通过模拟实际记录和误差分析检验了改进的模拟方法的有效性。结果表明:应用改进的模拟方法得到的地震动时程无论在波形、频率特性还是峰值上均与实际记录具有较好的一致性。改进的模拟方法在保留地震动时频非平稳性的基础上,能够有效地提高近断层脉冲型地震动的模拟效果,并且能够很好地体现脉冲型地震动的主要特征。     

近断层地震作用下RC框排架结构易损性研究

为研究近断层地震作用下框排架结构破坏的可能性,以某钢筋混凝土框排架结构为原型建立有限元非线性分析模型,选取16条近断层地震波及8条远场地震波,采用增量动力分析方法绘制易损性曲线.结果表明:对于远场地震,8度多遇地震及基本地震时,结构正常使用、基本使用、修复后使用、生命安全及防止倒塌五个极限状态均未超越,满足"小震不坏,...     

基于小波变换的地震动时-频特性研究

对美国NGA,采用一维连续小波变换得到每条记录的小波功率谱。研究了任意时间处小波功率谱最大值所对应的主频率。结果表明:地震动主频率随时间的增大逐渐减小;竖向地震动分量的主频比水平向分量随时间减小更快。分别采用线性函数模型、指数函数模型和指数三角函数模型,分析了场地、震级和震中距对主频变化曲线的影响,拟合了主频率在不同场地条件、震级、震中距等情况下随时间的变化曲线,水平向和竖向的频率时变曲线整体上都是随时间递减的,且竖向衰减得更快些,大多数情况下竖向记录的高频成分比水平向记录的相应成分要多。     

基于HVSR的DONET1海底地震动场地效应研究

为基于谱比方法研究海底地震动场地效应,选取日本DONET1台网的20个海底台站2014—2021年记录的1634组地震数据,对其进行筛选和处理后,利用水平与竖向谱比（HVSR）方法考虑不同布设对海底5组节点台站（KMA、KMB、KMC、KMD、KME）谱比特征的影响。研究结果表明：KMA与KME节点台站具有相似的场地特征,KMB与KMD节点台站分散布置在2种场地,KMC节点台站场地与其他节点均不相似,这与长期地质调查结果相似;海底台站谱比曲线呈多峰值现象,其中KMB、KMC、KMD分组台站利用HVSR方法识别的主频变异性较高,KMA、KME分组台站主频较稳定;相同地形条件下,布设方式相同的海底台站谱比曲线随频率分布相似,海底复杂场地条件下,采用装沙沉底方式布置的台站识别场地条件时出现偏差;海底复杂因素对掩埋沉箱方式布设的台站谱比曲线的影响主要集中在频率<5 Hz的低频处;海底复杂因素对未埋入海底台站谱比曲线的影响主要集中在频率为5—10 Hz的高频处。研究结果可为海底地震动场地效应研究提供参考。     

剪切波速对场地地表地震动参数的影响TPF

本文以江淮地区典型场地资料为原型,将土层剪切波速实测值按照一定比例进行增减,构造多种场地土层地震反应分析模型,选择Taft、E1centro 和Kobe 三条强震记录作为地震输入,采用一维频域等效线性化波动方法进行了土层地震反应分析。研究结果表明,剪切波速的变异性与场地地表地震动的影响程度与输入基岩地震动的频谱特性、幅值、土层结构等因素有关。地表峰值加速度随着剪切波速的增大而逐渐增大,地表加速度反应谱的特征周期随着剪切波速的增大而逐渐减小。     

地震动峰值位移和峰值速度对地下结构地震反应的影响

针对3类不同的典型场地条件下的单层双跨地铁车站结构,采用土-地下结构整体动力时程分析方法,分析了地震动水平输入时峰值位移和峰值速度差异对地下结构地震反应的影响。结果表明,地震动峰值速度差异对地下结构地震反应的影响,在硬土场地条件下较大,中硬场地条件下次之,软土场地条件下最小;地震动峰值位移差异对不同场地条件下的地下结构的地震反应无明显影响。     

地震动速度脉冲对巨型结构体系地震响应影响研究

以巨-子结构抗震体系、隔震体系以及智能隔震体系为研究对象,选择4组具有速度脉冲特性的实际地震动加速度记录及人工模拟的具有相同加速度反应谱而无速度脉冲的地震动时程分别作为地震动输入,采用数值分析方法分别计算在有、无速度脉冲的地震动激励下三种结构体系的地震响应,探讨地震动的速度脉冲对巨型结构体系在不同控制策略下地震响应的影响。研究结果表明:三种结构体系在速度脉冲型地震动作用下的地震响应大部分要大于无速度脉冲型的地震响应,近断层地震动的速度脉冲对巨-子结构抗震体系、隔震体系以及智能隔震体系的地震响应均有一定的不利影响。智能隔震体系对速度脉冲地震动较为敏感,但能有效地减小隔震层位移。