人工近斷層地震動速度脈沖模型參數(shù)確定方法

人工近斷層地震動速度脈沖模型參數(shù)確定方法

1979年的impericvail地震、1994年的北歷里河地震、1995年的khoba地震和1999年的chuzhengxi地震均為中等強度地震，但對建筑結(jié)構(gòu)和橋梁造成了重大破壞。從獲得的記錄分析可以看出，近斷層地震的地震波攻擊對結(jié)構(gòu)地震的形成有很大影響。近年來，許多科學(xué)家開始關(guān)注特定擾動區(qū)域內(nèi)的地震波特性以及對結(jié)構(gòu)的影響。然而，由于觀測儀器和地震相位的限制，在一定時期內(nèi)，幾乎沒有觀測到的近斷層地震數(shù)據(jù)集，并且沒有速度脈沖記錄。它不能從統(tǒng)計意義上描述近斷層地震的特征。因此，各國科學(xué)家提出了幾種速度脈沖模型，并將近斷層的脈沖動力合成為近斷層，從而研究了近斷層地震對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響。本文作者分析了典型的近斷層地震記錄基本特點,從震源機制上說明了脈沖產(chǎn)生的原因及潛在的破壞能力.并對具有代表性的CharlesMenun人工近斷層速度脈沖模型參數(shù)進行了研究,應(yīng)用實際近斷層記錄對其模型的特點進行了檢驗,對目前幾種模型參數(shù)確定方法進行了總結(jié),在此基礎(chǔ)上提出一種新的參數(shù)確定方法,并結(jié)合梁式橋單墩模型進行了動力時程分析,說明了推薦模型參數(shù)的合理性.1遠方向上的速度脈沖效應(yīng)由于國內(nèi)近斷層地震記錄較少,故選用國外幾次著名的地震事件中獲得的近斷層記錄來研究速度脈沖效應(yīng),所有記錄均來自文獻.圖1為1992年Landers(Lcn275記錄)地震在前方向上記錄到的近斷層垂直斷層的水平向分量的時程曲線,可以看出在速度時程和位移時程中存在明顯的脈沖運動.如果斷層破裂傳播方向遠離場地,則記錄將表現(xiàn)為后方向性,即在后方向上的記錄表現(xiàn)為低幅值、長持時的地面運動,圖2為Landers地震中(jos090記錄)后方向上的時程曲線.從圖1、圖2對比可以發(fā)現(xiàn):前方向上的記錄比后方向上的記錄中的脈沖特征明顯,說明后方向上的記錄傳至場地的地震能量分散到長持時的地面運動中,而前方向上的記錄位于移動斷層之上.由于錯動是瞬時發(fā)生的,因此板塊內(nèi)部積聚的巨大能力瞬間得以釋放,而且傳播是以接近場地剪切波速進行的,反映在時程上就表現(xiàn)為明顯的脈沖運動.由此可以看出位于前方向上的近斷層記錄的速度脈沖效應(yīng)明顯.因此,這里重點對前方向上的近斷層地震記錄進行分析.從垂直于斷層的水平分量速度反應(yīng)譜SV(圖3的(a)、(b))也可以看出:速度譜存在一個或多個卓越峰值,說明速度脈沖效應(yīng)隱含了巨大的地震能量,這勢必增大結(jié)構(gòu)的延性需求.同時,在圖3的(a)中,可以發(fā)現(xiàn)阻尼ξ對反應(yīng)譜SV的峰值影響顯著,在小阻尼(ξ≤0.05)情況下,反應(yīng)譜峰值下降較小,在大阻尼(ξ>0.1)時,譜峰值趨于消失.2速度模型建立由于近斷層地震記錄數(shù)量有限,近年來許多學(xué)者對近斷層地震動脈沖進行研究,提出了多種速度脈沖模型,大致可以分為3類:①是將速度脈沖簡化為矩形波,如以Alavi為代表的模型;②是將速度脈沖簡化為正弦或余弦全波,主要有Lu等模型;③是將速度脈沖用諧和函數(shù)和指數(shù)分段模擬,代表學(xué)者有CharlesMenun等.一般來說,正、余弦比矩形要好,分段模擬比全波模擬精確度高,更能較好的代表實際地震動的脈沖波形,同時使模擬脈沖具有一定的隨機性和不平穩(wěn)性特點,因此本文作者以CharlesMenun速度模型為基礎(chǔ),分析探討其合理性.其表達式為˙um(t?θ)={Vpexp[-n1(34Τp-t+t0)]×sin[2πΤΡ(t-t0)]t0<t≤t0+34ΤΡVpexp[-n2(t-t0-34Τp)]×sin[2πΤΡ(t-t0)]t0+34ΤΡ<t≤t0+2ΤΡ0t<t0,t>t0+2ΤΡ(1)u˙m(t?θ)=?????????????????????????????????????Vpexp[?n1(34Tp?t+t0)]×sin[2πTP(t?t0)]t0<t≤t0+34TPVpexp[?n2(t?t0?34Tp)]×sin[2πTP(t?t0)]t0+34TP<t≤t0+2TP0t<t0,t>t0+2TP(1)式中,˙uu˙m(t,θ)為速度;Vp、Tp為速度脈沖最大幅值和周期;t0為脈沖起始時間,n1、n2為形狀參數(shù);θ=[Vp,Tp,t0,n1,n2]T為模型的參數(shù)向量.通過調(diào)整模型形狀參數(shù)n1、n2可生成如圖4所示的幾種典型的速度脈沖時程,從理論上可以模擬任意兩個典型圖示之間的各種速度脈沖波.2.1速度時程的確定從近斷層地震動特性分析中可看出,參數(shù)值Vp和Tp對地震動影響較大,其確定方法有:(1)CharlesMenun用極值原理,在θ=[Vp,Tp,t0,n1,n2]T中,令?θ?Vp=0??θ?Τp=0?θ?Vp=0??θ?Tp=0得Vp、Tp值.(2)一般的遠場地震記錄中不含有脈沖運動,為分析Tp和地震動的卓越周期Tg之間的關(guān)系,在此采用江靜貝建議的地震動卓越周期Tg計算公式來分析Tp和Tg的區(qū)別,即Τg=6.28UΡVGUΡGA(2)Tg=6.28UPVGUPGA(2)式中,UPGV、UPGA分別為地震動的峰值速度及峰值加速度.(3)Alavi采用了8條地震記錄用回歸方法得到Vp、Tp與矩震級Mw和斷層距R的衰減關(guān)系式lgΤp=-1.76+0.31ΜW(3)lgVp=-2.22+0.69ΜW-0.58lgR(4)lgTp=?1.76+0.31MW(3)lgVp=?2.22+0.69MW?0.58lgR(4)(4)推薦方法.在近斷層地震動的速度時程中提取局部脈沖的重要參數(shù)(Vp和Tp)是至關(guān)重要的.傳統(tǒng)方法如用周期頻度譜在確定整個地震動的卓越周期和頻率組成是有利的,但不能很好的反映出脈沖的周期和振幅.通常從近斷層地震記錄的時程曲線可以看出,速度脈沖運動的周期在整個地震動時程中所含周期成分中一般是最長的,并且對應(yīng)幅值亦是最大的.由此,在零點法基礎(chǔ)上,通過確定速度時程曲線與零線的相鄰兩個交點值(近似為脈沖周期的1/2)與對應(yīng)的幅值的對應(yīng)關(guān)系建立周期-速度振幅譜,可同時確定Tp和Vp,通過構(gòu)造周期-速度振幅譜,可以反映實際地震動的速度脈沖的周期和幅值.應(yīng)用上述幾種方法,分別計算了近斷層地震動的Tp和Vp,部分結(jié)果列于表1.從表1可以看出各種方法得到的Vp相差較大,Charles模型和Alavi回歸給出的Vp值普遍比作者推薦的值要大得多.而Tp值,Alavi計算僅與震級有關(guān),與震中距無關(guān),對同一震級的地震則有相同的Tp值,這是不合理的,而且回歸數(shù)據(jù)偏小,因此Alavi的計算公式需要謹慎應(yīng)用.用江靜貝給出的估計地震動的卓越周期公式確定的是地震動組成中頻率占優(yōu)的部分,而速度脈沖成分的頻率并不一定在近斷層地震動中頻率占優(yōu),在表1中,雖然Tp和Tg有部分值接近,但定義上有著本質(zhì)的不同,對比相應(yīng)的速度時程也可以驗證這一點.2.2不同模型的結(jié)果對比從圖4可以認為CharlesMenun模型典型波形與實際記錄的脈沖波形具有一定的相似性,但作為人工地震動必須和實際記錄對比,來考察其能否反映實際近斷層地震動的特性及結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的真實性.從實際的近斷層觀測記錄驗證中發(fā)現(xiàn),CharlesMenun模型給出的時程曲線與實際記錄的時程多數(shù)情況下都相差很大,在此以其中相差較小的一條記錄給出驗證結(jié)果來說明其差別所在.以Northridge地震的RRS228記錄為例,從圖5的速度時程和加速度時程曲線上可以看出雖形似但峰值不同,作者推薦的UPGA和UPGV模型則比CharlesMenun模型更接近于實際記錄.圖5(c)中,作者推薦模型和CharlesMenun模型的加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜C為同一曲線,峰值均高于實際記錄,這說明加速度反應(yīng)譜對脈沖峰值和周期調(diào)整不敏感;而速度反應(yīng)譜SV中脈沖模型的峰值均大于實際記錄峰值,但作者推薦模型要比CharlesMenun模型更接近實際記錄峰值(圖5(d)),即速度譜對脈沖的峰值和周期敏感,而速度譜一般代表輸入結(jié)構(gòu)的能量,由此可見,推薦模型所含能量更接近實際記錄,預(yù)示結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)更能真實再現(xiàn)實際地震動.3高墩柱模型的建立采用單線鐵路鋼筋混凝土板式橋墩準(zhǔn)設(shè)計圖:叁橋(87)4036,墩柱斷面為矩形,截面特性參見表2.計算模型采用單墩模型,剛性地基,按地震烈度八度設(shè)防.4比較結(jié)果分析通過對近斷層地震動基本特性的分析,具有前方向性效應(yīng)的地震記錄一般含有較明顯的速度脈沖運動,其蘊含的巨大能量對橋梁的地震反應(yīng)有很大影響.對典型的速度脈沖模型參數(shù)的取值進行研究,并結(jié)合橋梁單墩模型進行了動力時程計算,結(jié)論為:(1)實際記錄驗證和結(jié)構(gòu)計算表明,CharlesMenun模型在一定程度上可以模擬具有速度脈沖的人工近斷層記錄,但其參數(shù)的取值需要研究.推薦參數(shù)取值可以使模擬人工近斷層地震動無論在加速度和速度時程曲線、反應(yīng)譜上,還是橋墩動力反應(yīng)都更接近實際地震記錄,隨著橋墩的增高,修正效果越好,從而說明推薦參數(shù)比其他方法更為合理.(2)速度脈沖運動對橋墩的地震反應(yīng)影響較大,隨著橋墩的增高(自振周期的增大),具有速度脈沖的記錄比不具有脈沖記錄的橋墩動力反應(yīng)更大,因此在橋梁抗震設(shè)計規(guī)范中應(yīng)考慮近斷層地震速度脈沖的影響.同時也應(yīng)注意到,雖然推薦模型比原始CharlesMenun模型更接近實際記錄,但模擬地震動與實際記錄還有一定差距,說明對CharlesMenun模型的修正是受到模型本身限制的,應(yīng)進一步研究新的更能重現(xiàn)速度脈沖運動的模型用于簡化橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析.(1)具有脈沖和不具有脈沖地震動作用下橋墩的動力反應(yīng).時程分析輸入的地震動采用1940年ElCentro的NS(南北)分量,UPGA為0.349g,不含有速度脈沖運動.有速度脈沖記錄選用1979年ImperialValley地震Array#6站點的H＿e06230分量,UPGA為0.439g.UPGA均按八度設(shè)防調(diào)整為0.2g進行動力時程計算.墩底彎矩M、墩頂位移D與墩高H的關(guān)系見圖6(a)、(b).從計算結(jié)果看,速度脈沖運動對橋墩的地震反應(yīng)影響較大,隨著橋墩的增高(自振周期的增大),具有速度脈沖作用的橋墩動力反應(yīng)更大.(2)脈沖模型與