强震地面运动(周锡元)

强 震 地 面 运 动和 结 构 地 震 响 应 的 研 究周 锡 元北 京 工 业 大 学 ， 中 国 建 筑 科 学 研 究 院-2006， 12， 22 提 纲 ：随 机 地 震 动 的 统 计 特 性设 计 谱 和 GPS技 术 在 强 震 记 录 数 据 处 理 中的 应 用 ;强 震 地 面 运 动 场 的 三 维 数 值 模 拟 ;功 率 谱 模 型 的 改 进 ;地 震 动 非 平 稳 特 性 的 影 响 ;结 论 与 建 议 . 1 随 机 地 震 动 的 统 计 特 性 地 震 动 持 续 时 间 地 震 动 峰 值 特 性 包 络 线 (强 度 非 平 稳 性 ) 频 率 成 分 (含 量 )的 非 平 稳 性 设 计 谱 与 真 实 反 应 谱 的 差 异 关 于 地 震 动 强 度 或 设 防 烈 度 ， 自 上 世 纪 70年 代 以 来 广 泛 采 用 地 震 危 险 性 分 析 方 法 ，至 于 反 应 谱 峰 值 的 形 状 一 直 采 用 Housner提 出 的 平 滑 化 设 计 谱 。 应 该 指 出 ，这 种 平 滑 化 的 设 计 谱 与 真 实 的 反 应 谱 之 间是 存 在 一 定 的 差 异 的 。 真 实 地 震 的 反 应 谱是 随 周 期 波 动 变 化 的 ， 而 且 变 化 的 幅 度 比较 大 。 设 计 地 震 应 该 是 单 纯 的 地 震 动 特 性 还 是 综 合 了结 构 和 地 震 的 特 性 ?-这 样 的 争 论 来 源 于 对 设 计 谱 的 理 解 Housner 对 设 计 谱 的 解 释 : 设 计 谱 工 实 际 用 的 平 滑 化 反 应 谱 为 什 么 可 以 用 平 滑 化 的 谱 取 代 实 际 的 波 动 状 反应 谱 ? 结 构 的 周 期 不 能 正 确 的 确 定 对 迭 加 在 平 滑 化 谱 上 的 波 动 成 分 是 未 知 的 考 虑 到 结 构 的 阻 尼 ,材 料 的 强 度 和 延 性 以 及 结构 的 非 线 性 影 响 1.设 计 谱 和 GPS技 术 在 强 震 记 录 数 据 处 理 中 的 应 用1.1 关 于 设 计 谱 拟 加 速 度 谱 相 对 位 移 谱美 国 与 中 国 的 设 计 谱 与 抗 震 设 计 软 件 中 的 处 理 方 法 欧 洲 抗 震 设 计 规 范 中 的 位 移 反 应 谱TD =2s TE =6s TF =10s 随 机 地 震 动 功 率 谱 的 基 本 特 性 在 给 定 震 级 和 距 离 的 条 件 下 平 滑 化 功 率 谱也 具 有 随 机 性 ， 但 是 它 们 的 离 散 性 相 对 比较 小 ， 迭 加 在 其 上 的 波 动 成 分 随 机 性 更 大 ，而 且 有 一 定 的 共 性 ， 所 以 可 以 说 是 高 阶 随机 或 超 随 机 特 性 。 这 两 部 分 贡 献 可 以 分 开来 加 以 统 计 。 随 机 波 动 成 分 对 方 差 或 地 震 动 强 度 是 基 本没 有 贡 献 的 。 Typical autocorrelation function Typical power spectrum density 地震动记录统计特征的随机特性1、 自 相 关 函 数 和 互 相 关 函 数对 自 相 关 函 数 用 曲 线 来 拟 合 三 方 向 地 震 动 的 谱 特 性三 向 地 震 动 的 谱 特 性 的 差 异如 何 根 据 规 范 中 的 单 向 地 震 反 应 谱产 生 多 向 地 震 动 时 程竖 向 地 震 反 应 谱 的 场 地 相 关 特 性地 震 动 场 的 模 拟 2 GPS技 术 在 强 震 记 录 数 据 处 理 中 的 应 用 G PS技 术 的 特 点 强 震 观 测 中 存 在 的 问 题 G PS技 术 的 应 用 1次 /s 的 采 样 率2002年 美 国 Denali7.9级 地 震 2003日 本 Tokachi-Oki8.0级 地 震2003年 San Simeon 6.5级 地 震 地 面 运 动 永 久 位 移 无 法 确 定 经 过 低 通 滤 波 以 后 的 GPS 位 移 与 采 用 不 同 频 带 滤 波 以 后 的 加 速 度 时 程 的 比 较 从 加 速 度 和 GPS信 号 中 分 析 得 到 的 阻 尼 比 为 0.05的 位 移 谱 的 比 较 3.强 震 地 面 运 动 场 的 三 维 数 值 模 拟模 拟 方 法 ： 有 限 断 层 模 型基 本 思 想 ： 发 震 断 裂子 断 裂 较 小 的 地 震断 层 方 位 滑 冲 方 向 断 层 方 位相 应 于基 本 参 数 怀 来 -延 庆 盆 地 波 速 结 构 测 点 （ 黑 三 角 ） 布 置 和 数 值 模 拟 范 围 计 算 区 域 内 的 岩 土 分 层 情 况 24个 子 震 源 在 断 层 面 上 的 分 布 观 测 点 上 的 位 移 、 速 度 和 加 速 度 时 程 动 速 度 和 位 移 沿 测 线 的 转 播 过 程 研 究 区 域 的 地 震 动 强 度 （ 烈 度 ） 分 布 4.地 震 动 功 率 谱 模 型 的 改 进 随 机 模 型 存 在 的 问 题 对 新 模 型 的 构 想-看 作 是 白 噪 声 过 程 分 别 经 过 高 、 低 频 滤 波 以后 得 到 的 平 稳 过 程 或 两 个 高 斯 Markov过 程 的 叠 加或 复 合 ， 因 此 也 可 以 称 为 复 合 Markov模 型 。 (a) 用 高 低 频 截 断 方 式 限 制 高 低 频 成 分 （ 竖 线 部 分 为 有 限 带 宽 白 谱 ） (b) 用 高 低 通 滤 波 器 限 制 高 低 频 成 分 复 合 Markov功 率 谱 模 型 : 2 20 2 2 2 2hh lS S 2 20 2 2 2 2m mhm mh lS S 0 20 40 60 80 1000 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 圆频率 功 率 谱 Markov模型 Markov模型(m=1) Markov模型(m=2) Markov模型(m=4) 金井清谱(g=0.643) 金井清谱(g=0.435) 金井清谱(g=0.301) Markov功 率 谱 模 型 与 Kanai-Tajimi模 型 的 对 比 包 络 函 数 的 几 种 形 式 ：平 稳 化 过 程 ： 是 一 个 确 定 性 的 时 间 函 数 与 一 个 平 稳 随机 过 程 的 乘 积 ， 即 ： gy t f t X t 0 0 1(1) = lnt tf t I e e t 0 0 12 sintf t I e t t arctg （ ） 0 0 13 ct af t I a bt e t c b （ ） 010 04 tttf t I et （ ）5.地 震 动 非 平 稳 特 性 的 影 响 四 种 模 型 模 拟 的 El_Centro波 包 线 四 种 模 型 模 拟 的 集 集 地 震 的 包 线 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Time (s) Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Mean square of JiJi 2 dd vv vd1 1 2 N Np dn dm n m nm n m n m nm n m n nmenv n mt S S U t U t U t y A A B B B A dd ddnm n m nmU t t t t vv vv nm n m n m nmU t t t t t t vd vdnm n n m nmU t t t t t 5 考 虑 地 震 动 非 平 稳 特 性 的 CCQC（ t） 法 ： CSRSS（ t） 法 ： 2 2 2 2 2 21Np dn n n n n nenv nt S t t y A B 2 dd1 1N Np n m nm dn dmenv n mt U t S S y V V 2 2 2 21 1N Np n n dnenv n mt t S y VCQC（ t） 法 ：SRSS（ t） 法 ： 发 展 基 于 随 机 过 程 理 论 的 抗 震 设 计 方 法 （ 1） 分 析 加 速 度 时 程 对 结 构 的 破 坏 作 用 ， 研 究加 速 度 时 程 作 为 随 机 过 程 的 统 计 特 征 和 参 数 ， 其中 包 括 幅 值 和 频 率 特 性 非 平 稳 性 的 表 达 方 式 等 ； （ 2） 探 索 对 加 速 度 时 程 进 行 危 险 性 分 析 的 方 法 ； （ 3） 研 究 结 构 在 随 机 地 震 地 面 运 动 作 用 下 的 动力 反 应 分 析 方 法 ； （ 4） 在 统 一 的 概 率 定 义 下 对 结 构 进 行 可 靠 度 分析 ， 获 得 真 正 意 义 上 的 结 构 可 靠 度 水 准 。 这 样 的 加 速 度 时 程 不 是 一 个 确 定 性 的 时 间 函数 ， 但 是 可 以 定 义 为 一 个 随 机 函 数 ， 其 统 计特 性 可 以 看 作 是 确 定 性 变 量 并 由 这 些 统 计 参数 来 产 生 样 本 随 机 过 程 ， 也 可 以 直 接 用 一 组样 本 随 机 过 程 来 表 示 。 这 样 得 到 的 具 有 一 定概 率 水 准 的 加 速 度 时 程 可 以 作 为 重 大 工 程 的的 设 计 地 震 或 输 入 地 面 运 动 ， 并 据 此 对 结 构地 震 反 应 进 行 可 靠 性 分 析 。 6.结 论 与 建 议1、 今 后 需 要 研 究 相 对 位 移 反 应 谱 在 长 周 期 段 的特 征 ， 进 一 步 拓 宽 设 计 反 应 谱 的 适 用 范 围 ；2、 在 地 面 和 结 构 上 布 置 高 采 样 率 的 GPS接 收 器 ，研 究 相 应 的 数 据 处 理 方 法 和 软 件 ， 综 合 利 用 观测 数 据 ， 分 析 记 录 位 移 随 时 间 的 动 态 和 静 态 变化 规 律 ；3、 地 震 动 的 非 平 稳 性 及 其 对 结 构 反 应 的 影 响 ，还 有 待 进 一 步 研 究 ； 4、 有 限 差 分 和 其 他 离 散 化 方 法 可 以 有 效 地 应 用于 地 震 动 场 的 数 值 模 拟 ， 目 前 的 研 究 工 作 已 经 在这 方 面 奠 定 了 良 好 的 基 础 ， 今 后 还 需 要 发 展 标 准化 的 数 值 分 析 技 术 和 计 算 机 软 件 ， 为 在 城 市 和 区域 基 础 设 施 建 设 和 重 大 工 程 中 的 实 际 应 用 创 造 条件 ；5、 地 震 作 用 是 具 有 高 度 随 机 特 性 的 可 变 和 偶 然荷 载 ， 发 展 基 于 随 机 振 动 理 论 的 抗 震 设 计 方 法 是值 得 重 视 的 研 究 领 域 ， 为 此 有 必 要 建 立 相 应 的 地震 危 险 性 分 析 方 法 ， 完 善 以 功 率 谱 和 反 应 谱 为 基础 的 抗 震 设 防 标 准 。 汇 报 结 束谢 谢 大 家