强地震动场估计中若干问题的研究

摘要

在大跨桥梁、长距离管线、大坝等长大空间建、构筑物的地震反应分析中，各输入点地震动之间的变化会产生重要影响，采用非一致的地震动输入，得到的结构内力比一致输入的有明显差别。需要考虑地震动的空间变化，采用多点激励，表达地震波到达各墩底的时间不同、各点所受到的激励之间并不完全相干、不同地点地震动振幅和频率成分的差别。统计结果表明，在几百米间距的尺度上，地表地震动的相关性与距离的大小和地震动的频率范围密切相关。在低于某一频率的范围内，相邻点地震动是完全相关的，可用确定性的波动理论来解释；在高于此频率的范围，相邻点的地震动是不完全相关的，显示出较高的随机性。从本质上讲，这个空间尺度上地震动相互间的相关性是由各点的地震动来源于同一个震源和十分相近的传播途径决定的。近场的地震动受震源的影响尤为显著，震源的埋深、尺寸、方位、运动类型和破裂过程，都强烈地影响近场地震动的特点和空间的分布。
　　本文在我国近场地震动场估计最新进展的基础上继续推进，在四个环节上进一步改进，为发展一套大跨工程结构抗震分析的多点地震动输入方法，提供技术支撑。
　　首先，指出了尽可能与地震活断层探查成果、区域地震学和地球物理学成果密切结合，确定震源模型中全局、局部参数的重要性。强调发震断层位置、产状和埋藏深度务必要由探查的结果确定；破裂长度、宽度和面积的确定，要充分重视区域观测数据的作用，即便不能直接观测到破裂面的参数，也应参考其他数据间接推测；凹凸体位置和尺寸的判断可以参考断裂分段资料。通过一工程实例，具体阐述了用截断正态分布将两类震源参数估计方法结合起来，同时表达不确定性的思路和技术方法。提出了利用试算点地震动反应谱与相应平均反应谱的残差，选择表达“平均”特征的震源模型的方法，以避免对地震动场空间特征表达的干扰。
　　接着，对点源引起的高频地震动的随机合成方法进行了研究，并从震源幅值谱和相位谱两方面进行了改进：
　　对震源幅值谱模型的改进体现在两方面，其一是建立了 Masuda震源谱模型中频率项指数与破裂面积的关系，同时保持两个频率项指数之积为2.0，比较好地表达了拐角频率随破裂面扩展而逐步降低的趋势，克服了合成地震动对子源尺寸的依赖性；其二，为体现凹凸体是高频地震波的主要散射源，用子源地震矩与平均地震矩之比，进一步调整基于整个地震矩推算的拐角频率，同时将标度因子与错动量的不均匀分布联系起来。既保证了合成地震动幅值及远场辐射能量不受子源尺寸的影响，又对地震动估计的精度有所改善。最后借助北岭地震的实测数据，对两种改进效果进行了验证。
　　对相位谱的改进体现在，强调一个点源引起地震动的相位谱应该与地壳速度结构、介质参数，尤其是场地与源点的几何关系密切相关，努力在随机合成中减少随机性。提出了将无限均匀介质中剪切位错源引起的位移所对应的加速度傅式谱的相位谱，与所估计的幅值谱结合，形成复谱，再通过傅立叶逆变换生成加速度时程的方法。算例检验的结果表明，得到的加速度时程的反应谱，能够表征基于大量随机相位谱合成的地震动的平均水平，亦借助北岭地震的实测数据，验证了改进方案的可靠性和有效性。本文改进，消除了随机相位谱对合成地震动场空间特征的干扰。
　　随后，本文列出了地震学普遍坐标系下无限均匀介质中剪切位错源引起的位移解的详细计算过程，推导了普遍坐标系下点源方位、滑动矢量、法向量等计算公式。通过对比分析，研究了数值积分的简化及子源上升时间的计算问题，指出：当子源尺寸小于1km时，可考虑用子源面积直接乘上点位错源引起的位移解，简化数值积分；子源上升时间可根据震级—上升时间统计关系式确定，避免根据子源错动量估计。
　　最后，本文研究了高、低频地震动在时域叠加中滤波和数值积分、微分的步骤，提出了一些参考原则：高频地震动位移和速度，可通过对高频加速度时程积分得到，不必通过修改地震动类型因子重复随机合成计算；依低频位移时程推算低频速度和加速度，低通滤波须在数值微分后进行，以防止出现振荡；最终的位移和速度时程可以通过直接叠加滤波后的高、低频位移和速度时程得到，也可以由叠加后的加速度时程积分得到。
　　近场地震动相当复杂，强地震动场的估计需要持续不断地深入，本文的改进可以视为一步推进，在若干环节上有改善，但并不是彻底解决。结尾处，本文亦列出了若干有待进一步研究的问题。

目录

强地震动场估计中若干问题的研究

SOME ISSUES ON ESTIMATION OF STRONG GROUND MOTION FIELD

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 论文选题的意义

1.2 近场地震动场估计的研究

1.3 本文主要研究工作

1.4 全文章节安排

第2章 有限断层混合震源模型的应用研究

2.1 有限断层混合震源模型参数的确定

2.2 “平均”震源模型

2.3 本章小结

第3章 随机合成方法的震源谱改进

3.1 震源谱模型及其拐角频率

3.2 对震源谱拐角频率改进

3.3 对本文改进的考察

3.4 本章小结

第4章 子源地震动的相位谱

4.1 随机相位谱

4.2 子源相位谱的改进

4.3 改进方法的应用检验

4.4 算例

4.5 本章小结

第5章 子源格林函数的推导和应用讨论

5.1 点位错源引起的位移反应

5.2 数值积分的简化计算

5.3 子源上升时间

5.4 本章小结

第6章 高、低频地震动的叠加

6.1 研究方案及数据基础

6.2 高频地震动位移和速度的计算

6.3 滤波与微分、积分的顺序

6.4 地震动的叠加方案

6.5 本章小结

结 论

附录 子源拐角频率与子源尺寸的关系

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历