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基于震源机制且考虑场地土分层差异效应的多点地震动:理论与程序开发
作者: 柳国环,陆新征,国巍
 

 

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基于震源机制且考虑场地土分层差异效应的 多点地震动:理论与程序开发
第29卷第4期《计算力学学报》Vol.29, No.4
2012 年8月

摘要:结合前人工作,首先形成了适用于我国目标场地的基于震源机制,且考虑局部场地效应的地表多点地震动具体生成途径,包括:(1)依据随机振动理论建立能够反映包含多个土层在内的局部场地整体过滤效应的传递函数,(2)基于本文作者改进的过滤函数而得到的适用于我国目标场地的基岩谱,进而通过分区建立局部场地的整体传递函数以反映不同场地土之间的差异性,(3)在前人工作基础上考虑了场地的非平坦性因素,(4)为了程序编制方便,给出了多土层过滤后相位角变化的显示表达式;然后,依据上述理论框架成功实现了程序MEMS V2011.6(Multi-support Earthquake Motions Simulation Version 2011.6)的编制和可视化运行,该程序可直接生成界面图形并输出数据文件,具体功能包括:设置震源参数、分区输入土层参数、计算并显示土层传递函数、设定非平稳参数、调控频率、生成多点地震动时程、验证多点地震动间的相干性以及拟合规范(桥梁、建筑和电力设施)反应谱等;最后,以一桥梁土层为算例,利用该程序生成了目标场地基于震源机制的地表多点地震动,并分析了地表地震动对场地土和震中距因素的敏感性。本文内容具有坚实理论基础和实用性,可直接为工程提供参考。
关键词:多点地震动;基岩谱;局部场地;非平稳;规范反应谱
中图分类号::P315.9;U442    文献标识码:

Abstract:In this paper, a framework for generating multi-point earthquake motion of target filed in China,basing on focal mechanism and taking account of the spatial variability of soil properties,is given and proposed.The main contents include:(1)the transfer function of stie including multiple soil layers is established based on random vibration theory,(2)based on the improved bedrock spectrum applicable to the target site in China,the variability among different site condition is reflected by establishing the transfer function of local site,(3)non-flat factor of site surface is considered on the basis of previous literature,(4)explicit expression phase-angle change by the filtration of multiple soil layers is also given for the convenience of the subsequent program code.Then,according to the theory framework,the visual program MEMS V2011.6(Multi-support Earthquake Motions Simulation Version 2011.6)is developed and run successfully.The specific functions of the program involves the focal parameters assignment,inputting soil parameters,calculating and displaying transfer function of site soil with multi-layer,adjusting non-stationary parameters and frequency,generating multi-point earthquake motion histories,verifying the coherence of spatial seismic motions,fitting code-specified spectrum for bridge,building and electronic facility.In addition,based on a bridge example,the multi-point seismic motions of the target field are generated using the program MEMS V2011.6,and the sensibility analysis of the generated groud motions to local site effect and epicentral distance is analyzed as well.The content in this paper involve theory and practicability,and can provide directly reference for engineering.
Key words:multi-point earthquake motion;beck-rock spectrum;local soil site;non-stationary;code-specified response spectrum

引言
土木工程领域中,事先对结构在地震作用下的反应进行分析是评估结构安全性的一种有效途径,而结构动力反应的计算结果直接依赖于地震动本身的输入。地震作为一种自然现象因其具有非确定性,从而在量化上难以被准确估计和预测。当前一种普遍采用的方法是:首先,通过统计得到地表地震动的频域内功率谱(如Clough-Penzien模型等);然后,通过数学方法(如谐波叠加法等)生成目标点时域内的地震动信号(如加速度时程);进而,通过拟合规范反应谱对生成的加速度信号进行调整;最后,通过积分、纠偏等方法可得到地震动的低阶信号(如位移时程)。这种方法具有简单、直接且便于实现的优点。但是由于在该流程中由频域向时域转化首先需要的是地表功率谱,未直接涉及到震源、震源深度、震中距及基岩等更为周全的因素,因此这种方法尚不能兼顾和体现震源深度、震中距以及目标点与震源之间传递路径等因素的影响,然而这些因素是客观存在的。为此,一个基本思路是:首先需要得到震源谱,然后再通过反映传播路径的函数过滤后(地震动由近及远传递过程中,部分高频分量会被过滤)得到基岩谱,进而由基岩谱并通过基岩上部的土层过滤而得到地表功率谱,最后可通过上述方法和步骤进一步得到时域内的信号。在这里,有必要提及的是:通过地表地震动反演到基岩位置地震动的方法,依然不能涉及到震源深度、震中距等震源参数客观因素的影响。目前,国外已有考虑震源谱和路径效应相应方面的研究:典型震源谱有Brune谱[1,2]、Atkinson双拐点谱[3,4]、Masuda谱[5]以及改进的Masuda谱[6];文献[7,8]描述了地震动传播过程中高频成分衰减的过滤函数。然而,这些记载都是基于国外资料而得到的。因此,为了能够适用于我国目标场地,文献[9]借鉴了上述基岩地震谱表达式,基于我国基岩地震动资料修正了并给出了高频段过滤函数,进而得到了适用于我国目标场地的基岩地震谱。进一步,由震源功率谱和改进的适用于我国的高频过滤函数,可以得到适用于我国的基岩功率谱;但是,在得到基岩功率谱的前提下,还需要由基岩功率谱通过上部土层向地表过滤得到地表功率谱,而场地土具有多层分层现象而且地表往往不是平坦的,这时充分考虑多种影响因素的多土层过滤效应以及给出明确的相应表达公式来反映和描述这些客观现象是十分必要的。基于这一出发点,并为了给工程实际提供参考,本文的进一步研究涉及到如下几项具体内容:(1)依据随机振动理论导出了能够反映包含多个土层过滤效应的传递函数,然后基于本文作者改进的过滤函数,得到适用于我国目标场地的基岩地震谱,进而通过分区建立局部场地的整体传递函数反映了不同场地土之间的差异性。同时在前人工作基础上考虑了场地的非平坦性因素,此外还给出多土层过滤后相位角变化的显示表达式,由此形成了如图2所示的适用于我国目标场地基于震源机制且考虑局部场地效应的多点地震动的具体生成途径;(2)基于这一理论框架,进一步开发实现了可视化程序,并成功运行;(3)以某大跨桥梁为算例,采用该程序生成目标场地的地表多点地震动,研究了震源参数和场地过滤效应这两种因素对多点地震动的影响。

结论
鉴于结构地震反应的计算结果直接依赖于地震动输入,本文围绕基于震源机制且考虑场地土差异效应的多点地震动具体生成途径、可视化程序开发以及地表地震动对相关参数的敏感性三方面进行了研究,本文具体工作如下。
(1)推导并给出了能够反映包含多个土层过滤效应的传递函数。基于本文作者改进的过滤函数而得到适用于我国目标场地的基岩地震谱,进而通过分区建立的局部场地整体传递函数反映了不同场地土之间的差异性。由此,结合前人工作并在其基础之上形成了适用于我国目标场地的基于震源机制,且考虑场地土差异效应的多点地震动的具体生成途径。
(2)实现开发了可视化的基于震源机制多点地震动程序MEMS V2011.6,并给出了操作流程图和具体功能显示。
(3)通过数值算例分析,进一步强调了地表地震动受震源参数和场地土条件影响的敏感性及不容忽视性。本文内容涉及到理论原理和实用软件工具的开发,可为工程提供参考。

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