2019年6月18日日本山形县Mw6.7级地震场地非线性反应特征研究

强震作用下的土层非线性是研究场地效应的重要因素之一.选取2019年6月18日日本山形Mw6.7级地震中8个台站的主震及20次余震的强震动记录,采用主余震速度反应谱水平/垂直(HVSR)谱比,并结合非线性识别指标DNL、ADNL和PNL对主震中可能发生非线性反应特征的台站进行研究.结果表明:土体在强震动作用下场地卓越频率有向低频移动的趋势,体现了土层非线性反应的特征;非线性指标DNL和ADNL与地震动峰值加速度之间存在显著的相关性,但PNL对应关系不明显.     

岷县漳县6.6级地震及余震强震动记录特征分析

对2013年7月22日甘肃岷县—漳县地震获取的273条主余震加速度记录进行格式转换、基线校正和滤波等常规处理,分析该地震主震(M_S6.6)和余震(M_S5.6)两次地震记录的幅值、持时以及反应谱特征,发现M_S6.6主震记录的PGA范围在0.728～177.5 gal间,M_S5.6余震记录的PGA范围在0.732～69.3 gal间;将观测数据与霍俊荣和第五代《中国地震动参数区划图》地震动衰减关系进行对比,发现霍俊荣衰减关系更吻合于此次地震的主余震加速度衰减;绘制主余震5%～95%重要持时分布图,并针对主震62MXT反应谱和本地设计谱以及近些年国内主要强震震中反应谱开展比较分析;最后研究土层台、基岩台、相同台站各个震级反应谱的特征。     

汶川地震强余震场地非线性反应

采用汶川地震强余震26个强震动台站记录,基于H/V谱比法,计算台站场地的强、弱震作用下场地卓越频率之比R_(fp)和体现强、弱震作用下场地H/V谱比曲线差异程度的DNL,进而识别并分析场地非线性反应特征。结果显示,R_(fp)、DNL与PGA之间存在显著相关性;其中10个台站出现明显的场地非线性反应特征;大部分台站发生场地非线性反应的PGA阈值为100 cm/s~2,部分为50 cm/s~2;实例证明,因某些台站不易通过H/V谱比法识别场地卓越频率,因此采用R_(fp)识别场地非线性反应具有一定局限性。     

基于强震动记录的汶川地震场地效应研究

场地效应一直以来是地震工程领域研究的热点。利用数值模拟和理论计算的方法进行这方面的研究已极为普遍。由于不需要太多的假设和简单的计算过程,基于强震动记录的场地效应分析方法越来越得到认可而被广泛应用。2008年汶川地震中,我国强震动观测网络(NSMONS)在主震和余震中分别获得了大量高质量的自由场加速度记录。这些记录为研究汶川地震场地效应提供了良好契机。本文以此为基础数据,从场地类别划分、场地反应广义反演和场地反应非线性识别3方面开展研究,旨在拓宽强震动记录在我国科学研究和工程实践领域的应用范围,推进强震观测事业的发展。主要工作如下:(1)在总结了目前国内外3种常用的HVSR场地分类方法优缺点的基础上,提出了一种新的分类方法——谱比熵权决策法,改进了现有方法。采用这4种方法划分了汶川地震中54个强震动固定台站和66个流动台站的场地类别。通过比较不同分类结果的差异,验证了新方法较以往方法更具合理性。(2)提出了一种新的基于HVSR形状的场地分类标准。在汶川地震强震动流动台站的场地分类中,证实了新标准可提高分类准确率,有效地解决了以往方法当HVSR曲线出现多个峰值或没有峰值的情况下无法适用的局限性。另外分类结果还表明,HVSR方法识别的场地自振周期TG与台站高程存在一定的相关性,总体上,高海拔地区的台站场地TG相对较小。(3)选取了28个强震动台站在汶川地震余震中的96个地震中获取的602组记录,采用广义反演法(GIT法)分离了其震源、路径、场地3项因素。针对台站062WUD,采用标准谱比法(SSR法)估计其场地反应并与GIT法的结果进行比较,显示两者较为一致,验证了广义反演结果的可靠性。将GIT法获得的28个台站的场地反应与HVSR法获得的结果进行比较,发现HVSR法计算的台站场地卓越频率与GIT法较一致,但场地反应幅值大都低于GIT法,验证了HVSR法能很好地估计场地卓越频率但会低估场地反应幅值的已有认识。在对数刻度下回归了1.0~5.0Hz、5.0~10.0Hz及1.0~10.0Hz频率段内的平均场地放大因子与上地表土层20m深度的等效剪切波速VS20值的线性关系,结果显示两者具有较好的相关性。(4)在运用广义反演法对汶川地震场地非线性反应进行识别与分析的过程中,定义了一种新的表示场地至地震源(site-to-source)距离的形式——凹凸体距,并验证了其相比目前常用的破裂距、断层距和震源距更能科学近似地表示大震中场地至地震源的距离,解决了广义反演方法不适用于大地震的局限性。(5)提出了将S变换应用于场地地震反应的非线性识别与分析的研究思路,与GIT法和HVSR法分别对33个强震动台站在汶川地震主震中的场地地震反应进行非线性识别与分析。结果表明,当地震动PGA300cm/s2或PGV20cm/s时,场地地震反应出现明显的非线性现象,对应台站051AXT、051GYS、051GYZ、051JYC、051JYD、051JYH、051JZW、051MXN、051SFB和062WUD,在汶川地震主震中产生了显著的场地非线性反应。通过与GIT法和HVSR法的研究结果进行比较,证实S变换在时域内可有效地进行场地反应的非线性识别,并且较频域方法具有能识别非线性发生的具体时间的优点。(6)在对汶川地震场地地震反应进行非线性识别过程中,分析了GIT法和HVSR法获得的弱、强地面运动作用下的场地卓越频率之比RFp与地震动水平PGA、PGV以及场地系数VS20、VS30之间的相关性。结果显示,RFp与PGA、PGV存在较强的正相关性,却与VS20、VS30弱相关。提出了一种新的定义场地反应非线性程度的参数——ADNL,计算了各台站的ADNL值以及其他类似参数fNL、DNL和PNL,并与地震动参数PGA进行经验回归分析,结果显示,各参数与PGA都存在强烈相关性。     

基于谱比法的江苏强震动台站场地特征分析

选取江苏省强震动台网近年来获得的强震动记录,基于水平竖向谱比法(HVSR),计算了22个强震动台站的速度反应谱平均谱比曲线,采用谱比形状一致法进行场地分类,并结合典型台站场地的工程地质资料进行对比分析。研究结果表明,平均谱比曲线的卓越周期、场地放大等特征与台站场地地质资料相吻合,与传统场地分类方法相比,基于谱比法的场地特征分类方法能够突出不同场地的地震动反应特征,较好地体现了台站的场地反应特征。     

利用地脉动HVSR研究2014年鲁甸6.5级地震场地效应

2014年鲁甸6.5级地震导致龙头山镇位于洪积扇上的大量房屋倒塌,而位于河流阶地上的房屋破坏相对较轻。为找出造成该震害差异的原因,在龙头山镇布设间距50～200 m的高密度观测台阵进行连续地脉动观测,采用HVSR谱比法来研究该地区的场地地震响应,确定场地的卓越频率和放大系数。结果表明:HVSR谱比结果与钻孔资料给出的结果较为一致,位于洪积扇上的场地HVSR峰值频率介于1.5～5.0 Hz,河流阶地上的峰值频率多介于6.0～10 Hz,卓越频率值相对较小(5 Hz以下)的场地与地震中破坏最严重的区域较为相符。     

基于台阵记录的土层山体场地效应分析

选取2008年5月25日至8月7日期间由甘肃省文县上城山地形效应台阵获取的12次汶川地震余震事件(M_S≥4.0),在分析其地震动基本参数的基础上,采用参考场地谱比(RSSR)法和水平-竖向谱比(HVSR)法,研究了不同地震作用下上城山地形台阵的场地效应.分析结果显示:随着高程和覆盖层的增加,记录台站地震动的PGA呈增大趋势,地震频谱形状由宽变窄;上城山台阵记录到的地震波在地形基阶频段(2—4 Hz)和浅部土层频段(7—9 Hz)的幅值明显放大,RSSR曲线显示山顶NS向的土层频段谱比大于山体地形频段谱比;由于土层山体竖向地震动在中高频段放大,使得HVSR方法谱比结果在中高频段较RSSR方法所得结果明显偏低,而在山体基阶频段附近两种方法的谱比值接近.松散土层山体的台阵记录特征体现了地形和土层对地震动的联合作用,揭示了强震区起伏地形场地震害加重及地震滑坡集中发生的原因所在.      

地震动不确定性及其影响因素的初步分析

选取欧洲强震记录数据库中,同一台站记录到的两次地震以及两个不同台站记录到的同一地震的强震记录,分析了它们的PGA比值、卓越频率和反应谱的不确定性以及不确定性对结构反应的影响,得出：影响地震动不确定性的因素主要有震源机制、地震波传播途径、场地类别等。在此基础上,进一步分析了地震动不确定性对结构反应的影响。     

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。     

基于工程特性的主余震型地震动降维模拟

余震是由主震孕育而来,两者之间存在着一定的关联性,如何构造主余震型地震动模型,是工程结构抗震分析的基础。着眼于地震动的工程特性,根据主余震之间的峰值加速度、强震持时、场地卓越频率等要素,分别建立主震和余震自身的演变功率谱模型,基于非平稳随机过程的谱表示,通过引入随机函数降维模拟方法,实现仅用三个基本随机变量即可精确模拟主余震型地震动过程。研究表明,采用该降维模拟方法的效率和精度均满足工程需求,且与实测主余震型地震动记录的反应谱和幅值谱拟合一致,验证该模型与方法的优越性,为工程结构在主余震型随机地震作用下的抗震分析提供有效途径。     

基于强震记录不同波动成份的HVSR谱比结果差异性研究

使用6个强震台站记录的2008年汶川8.0级地震强震记录,通过对比强震记录中各波动成份的HVSR谱比结果,分析了各波动成份对场地地震效应分析结果的影响;根据各波动成份的水平向和垂直向傅里叶谱结果,初步解释了各波动成份HVSR谱比结果不同的原因,并指出了HVSR谱比方法在强震记录和地脉动记录中应用的区别和联系。结果表明:强震记录中由于包含了震源特性和路径信息,故其HVSR谱比结果与地脉动的结果有明显的区别,建议在使用强震记录进行HVSR谱比分析场地地震效应时,尽量使用全波波形进行谱比研究。     

基于振动台试验的黄土场地效应研究

地震作用下黄土场地对地震波不同分量的放大效应影响显著。针对黄土高原典型黄土场地在地震作用下的放大效应,设计并完成大型地震模拟振动台试验,通过输入不同强度的地震动荷载,研究黄土场地加速度（PGA）放大系数、傅里叶谱、加速度反应谱、H/V谱比与地震动强度和场地高度的变化规律,揭示地震波不同分量对黄土场地效应的影响。结果显示：黄土场地对地震波的水平分量具有明显的放大效应,对地震波垂直分量的放大效应影响较小;随着高程的增加,地震波水平分量PGA放大系数呈现非线性变化;随着地震动强度和高程的增加水平分量卓越频率的频段和幅值逐渐增加,卓越频率向低频偏移,放大倍数呈现出非线性特性。     

HVSR方法用于地震作用下场地效应分析的适用性研究

以美国Garner Valley Downhole Array(GVDA)竖向观测台阵的强震观测记录为基础,利用水平与竖向谱比(Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio,HVSR)方法与传统谱比方法研究了多次地震作用下竖向台阵场地的波动传播规律,探讨了该场地HVSR曲线与传递函数(Transfer Function,TF)曲线的差异,综合利用频域求解一维层状场地P、SV波入射情况下场地响应的土层地震反应分析方法和合成理论地震图的波数积分法解释了二者差异可能的原因,在此基础上研究了HVSR方法应用于地震作用下场地效应分析的适用性.研究结论表明:竖向地震动场地效应是HVSR与传递函数产生差异的主要原因,竖向地震动场地效应主要是由竖向地震动中的P波成分引起的.在场地竖向放大可以忽略的频段范围内,HVSR可以作为传递函数研究地震作用下的场地效应.     

2012年彝良Ms5.7、Ms5.6地震场地地震动反应

2012年9月7日云南昭通彝良发生了M_s5.和、M_s5.6级两次地震,此次地震引发了极其严重的滑坡和崩塌等地震地质灾害,同时地震波放大效应还引起高烈度异常区。利用彝良地震烈度圈内6个台站记录到的主震加速度时程,通过截取S波窗,采用标准谱比法和水平垂直谱比法研究其场地地震动反应。结果表明:两种方法能给出较为一致的谱比曲线和卓越频率,但场地反应数值差异较大,标准谱比法的结果受到参考台站自身场地反应的影响;靖安台的软弱土层对地震动的放大作用较为显著,是造成烈度异常的主要原因。     

地震动加速度反应谱场地条件影响调整系数研究

场地条件对地震动特性影响显著,在抗震设计反应谱的确定过程中,需根据场地条件对加速度反应谱予以相应的调整。已有场地条件影响调整方案研究成果,均基于数值模拟或局部地区强震动记录统计,多数仅给出了峰值加速度PGA场地条件影响调整系数,对非线性的考虑缺乏观测数据依据。为此在全球强震动记录统计获得的PGA归一化加速度反应谱和日本钻井台阵记录获得的加速度反应谱平台值非线性衰减指数的基础上,结合钻孔模型数值模拟和近期研究成果,建立了考虑场地条件影响非线性的地震动加速度反应谱场地条件影响调整系数方案。     

2015年4月25日尼泊尔廓尔喀M_S8.1级地震强地面运动

2015年4月25日尼泊尔廓尔喀地区发生MS8.1级地震,本文分析了加德满都强震台站的强地震动记录特征,其水平向地震动表现为明显的脉冲地震动,脉冲周期约为6.0s,反映了近场地震动的方向性效应;处于深厚沉积层上的加德满都谷地对地震动有一定的放大作用,且主震的场地峰值频率向低频段偏移,出现明显的场地非线性反应;采用随机有限断层方法模拟的空间地震动分布与宏观地震烈度图符合较好,可以为分析宏观震害提供参考;通过与尼泊尔设计反应谱对比,得出在短周期与长周期段,加德满都台站的水平向地震动的反应谱远高于设计反应谱,说明即使严格按照尼泊尔建筑抗震规范设计施工的建筑结构也难以抵御此次地震的破坏。     

西昌MS5.1地震官地大坝实测动力响应特征分析

2018年10月31日16时29分四川西昌发生M_S5.1地震,震中距官地大坝26 km,官地大坝强震监测台阵完整地记录到了本次地震过程。基于官地大坝强震监测台阵记录到的西昌地震强震动数据,通过分析各测点的时程特征、频谱反应规律,研究官地大坝在西昌地震作用下的反应特征和规律。研究表明大坝各部位PGA范围在3.70～69.98 gal,仪器烈度值在1.8～5.2度之间,受西昌地震破裂方向影响,强震动三分向峰值及频谱特性随着高程的增加呈明显的方向性放大效应,总体表现为顺河向分量大于横河向和垂直向分量;此次地震反应周期小于大坝基岩场地特征周期,且西昌地震激励下大坝场地卓越周期与大坝自振周期相差较大,本次地震对大坝安全无影响。     

1/4波长法和水平垂直谱比法场地放大反应差异性分析——以西克尔镇为例

利用土层剪切波速数据及强震动记录，分别采用1/4波长法及水平垂直谱比法，得到了西克尔镇场地放大反应曲线。对比发现1/4波长法可以较好的估计场地放大反应，但不能准确估计场地卓越频率；水平垂直谱比法可以较好估计场地卓越频率，但得到的场地放大反应偏小。在研究区，水平垂直谱比法估计场地放大反应偏小约1～2.5倍，尤其是周期在0.08～0.2 s范围内，场地放大反应偏小2.5倍左右。     

使用小震记录模拟大地震的强运动:洛马普列塔主震试验情况

发展了一种用小震记录求和和滤波预报特定地点未来大地震地面运动的简便方法,并用洛马普列塔地震(M=7.0)同一地点的余震(M=3.7～4.0)记录模拟主震强运动试验了这一方法。选用凹凸体破裂模型,其中断层面上平均的均方根应力降不随地震矩改变而改变。观测谱表明从3级余震直到7级主震的应力降均不变,而地震矩相差约6个量级。每次模拟对一个个余震图引入与传播破裂相对应的时间延迟后求和,并体现方向性和场地响应。模拟方法遵循常数应力降和振幅谱ω~(-2)滚降模型。当与主震滑动速度函数褶积时,余震拐角频率以上的余震和高频能量不减少,这和早期的求和方法有所不司。尽管每次模拟只用一个余震波形,但大多数情况是模拟的主震记录谱(0.6～20Hz)、峰值加速度以及持续时间与观测的强运动记录比较符合。这种一致性表明:主层的场地响应在加速度约0.3g以内保持基本线性特征。求和余震记录表明具有和主震记录一样的依赖于场地的f_(max)值。因此,f_(max)是场地效应,不是主破裂过程的特征。     

汶川地震动弹性和弹塑性反应谱分析

利用汶川地震获得的数字强震记录研究了汶川近场无速度脉冲、近场含速度脉冲和远场(盆地效应)地震动的弹性和弹塑性反应谱,后者包括等延性强度折减系数谱Rμ、等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR.与相同场地条件PEER近场无速度脉冲、集集近场含速度脉冲地震动的谱进行了比较.汶川近场含速度脉冲地震动的弹性反应谱在0.2～0.8s周期内明显偏小,而它的弹塑性反应谱在短周期段(0.1 ～0.4 s)与汶川近场无速度脉冲地震动谱差别不大,但等延性强度折减系数谱Ru要大于集集地震含速度脉冲地震动的谱,而等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR则小于集集地震动情况,此后随周期增长(至0.6 ～1.Os后)它们都逐渐过渡至与集集地震动的谱相当.汶川远场(盆地效应)地震动的弹性反应谱具有较宽并随周期缓慢增长的平台值和较长的特征周期,可达1.7s及以上.提出了远场(盆地效应)与近场地震动的弹性反应比谱和弹塑性位移比谱的概念.