FK-SEM法合成局部突出地形场地地震动

来源 :中国地震局工程力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ylhly200
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震源、传播途径和场地条件是影响地震动的三个主要因素,其中,场地条件对地震动的影响相当复杂。观测数据分析表明,场地的土质条件以及孤突山包、盆地、河谷等局部剧烈起伏的地形都会显著影响地表地震动特征,在地震工程领域已经得到了广泛的关注和研究。上世纪70年代开始,有限元、有限差分、边界元和边界积分以及离散波数法等数值方法用于计算均匀半空间上复杂场地地震反应。80年代,形成了先估计埋藏结晶基底表面地震动,再将其作为浅部结构地震反应分析输入的两步法,沿用至今。几乎同时,建立震源-传播途径-场地条件一体化模型,合成地震动场的方法受到广泛关注。为详细表达局部场地条件对地震动的影响,绝大多数分析以三维或二维数值计算,采用有限元、有限差分或谱元法,计算模型极其庞大。离散网格的尺寸决定数值计算在高频段的可靠性,为了保证合成地震动在高频段的精度,网格要小到几十甚至十几米。详细的离散网格导致庞大的计算量与计算资源的矛盾,一般研究、设计单位的计算资源难以满足一体化计算需求。目前对区域地壳结构的认识来看,深部的精度低于浅部。因此,以埋藏结晶基底表面为界,以宽频带三分量地震动场为浅部模型数值计算的输入,分深浅两步计算,是上述问题的一个解决方案。论文主要完成了以下工作:(1)在阐述频率-波数域格林函数法(FK法)与谱元法(SEM)基本原理的基础上,通过在埋藏结晶基底表面设置吸收边界,实现了深部与浅部两个模型的衔接。对深部地壳结构,建立一个包括震源、传播途径以及简化场地条件的大范围整体模型,使用FK法建模计算;对包括局部突出地形的浅部结构,建立小范围精细模型,使用SEM建模计算,初步搭建了FK-SEM两步法的框架。(2)以2013年芦山地震为例,将研究区域(102.63°E-103.15°E,30.08°N-30.53°N)内4个强震动台站的观测记录与FK-SEM合成的水平地面地震动对比,论证了方法的可行性。研究结果表明:本文合成地震动强震段持时10s左右,PGV偏大;合成地震动在有效频段内的反应谱与强震记录较为接近;合成地震动傅里叶谱的分布趋势基本与强震记录的傅里叶谱一致,谱幅值也较为接近;能够表达FN分量与FP分量在幅值和波形上的差异。将本文FK-SEM合成结果与FK法、FK法与有限元法结合(FK-FEM法)的结果比较,验证了本方法的稳定性。研究结果表明:本方法计算过程稳定,在靠近低频与高频截止频率的位置均没有出现失稳的现象;FK法合成结果的反应谱与本文合成结果较为接近,在1.0s以上周期段FKFEM法的幅值略大;强震记录和FK法傅里叶幅值谱的分布趋势基本与本文合成结果一致,谱幅值也较为接近,在2.0 Hz以下的部分本文方法更接近强震记录;其他两种方法强震段的持时较大。(3)建立研究区三维地形模型,用FK-SEM合成两个正交水平分量地震动,验证了其表达局部突出地形方面的能力。将合成结果与强震记录比较,速度时程的波形和PGV接近,实际记录的强震段持时略小,在1.0s以上周期段反应谱幅值较为接近,个别台站受地形与高程影响,实际记录低于合成结果;与FK法、FK-FEM法合成结果的比较表明,FK法的PGV与本文方法接近,FK-FEM法的PGV略大,FK法强震段持时与合成结果相当,反应谱幅值在短周期段较为接近,在1.0s以上的长周期段反应谱幅值接近,FK-FEM的幅值略大。本文结果与强震记录和FK法合成地震动的能量在频率域上的分布相似,1.0 s以上反应谱幅值与实际记录符合得更好,FK-FEM法结果略大于本文结果。考虑了局部突出地形场地的FK-SEM与水平地面模型的结果比较,在0.5s以上的周期段内的结果要优于水平地面,主要影响0.5s周期段内的谱幅值,这与地形效应主要影响中高频段的规律相一致;在1.0 Hz以下频段内,本文结果更接近强震记录。
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