CN116804768B - 一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法，包括以下步骤：基于对近断层地震动的特征分析，建立能够描述近断层地震动位移特征参数的地震动位移模型；基于对近断层实际地震记录的统计分析，确定位移模型中控制参数的计算方法；基于不同的震源特性及场地条件，确定位移模型的参数取值；基于实际场址周围活动断裂分布情况，确定合理的地震动输入模式；按照已确定的地震动输入方案，进行近断层地震动模拟，确定用于近跨断层结构抗震分析的地震动时程。

Description

一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法

技术领域

本申请涉及一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法，适用于工程抗震的技术领域。

背景技术

近年来发生的几次破坏性地震的震害表明，地震工程研究领域需要特别关注近跨断层(即近断层和跨断层)强地面运动对结构产生的影响。断层破裂的向前方向性效应和滑冲效应导致近断层地震动产生较大的速度脉冲和永久地面位移，再加上地震动本身时间-空间变化的耦合效应，极易引起桥梁结构或管线等长大结构产生严重破坏。

为了进行近断层和跨断层结构的地震安全评价，需要在结构模型中输入地震动时程参数，而地震动输入的特性应满足：(1)能同时表征长周期速度脉冲和永久地面位移；(2)能刻画地震动的时频非平稳特性；(3)能反映地震动空间变化效应。但现有技术中，尚未公开同时满足以上要求的近断层地震动确定方法。

由鉴于此，如何构建物理意义明确、能表征近断层地震动时间-空间耦合特性及永久地面位移的地震动，是本领域亟待解决的问题，也是保证近/跨断层结构抗震安全迫切需要解决的实际工程问题。

发明内容

本发明的目的是设计一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法。该方法不仅能够合理还原真实记录中的永久位移，定量描述近断层地震动特性，而且计算效率高，能够为近/跨断层结构动力分析提供可靠的地震动输入。

本申请涉及一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法，包括以下步骤：

(1)基于对近断层地震动的特征分析，建立能够描述近断层地震动位移特征参数的地震动位移模型；

(2)基于对近断层实际地震记录的统计分析，确定位移模型中控制参数的计算方法；

(3)基于不同的震源特性及场地条件，确定位移模型的参数取值；

(4)基于实际场址周围活动断裂分布情况，确定合理的地震动输入模式；

(5)按照已确定的地震动输入方案，进行近断层地震动模拟，确定用于近/跨断层结构抗震分析的地震动时程；

其中，步骤(1)中建立的地震动位移模型的数学表达式为：

式中，D_max为峰值位移，D_p为永久位移，T₀为永久位移偏移的起始时刻，T₁为位移上升段周期，T_v为下降段的震荡周期，γ为衰减率。

其中，可以采用所述地震动位移模型定量得到地震动的低频分量；由天然地震动或人工合成地震动匹配目标反应谱得到地震动的高频分量，通过叠加高频分量和低频分量，得到匹配峰值位移、永久位移和目标反应谱的近断层地震动位移时程。

其中，参数T₁可以采用以下公式中的任意一个确定：

ln(T₁)＝1.16M_w-6.42

式中，M_w为矩震级。

参数D_p可以采用以下公式确定：

ln(D_fault)＝1.15M_w-3.28

式中，D_fault表示断层滑移量，R_rup为观测点到断层破裂面的最短距离，a₀，a₂，a₃为回归系数，分别表示为：

a₀＝0.005δ+0.05

a₃＝50

式中，δ表示断层倾角。

其中，参数D_max可以采用以下公式确定：

其中，参数T₀可以采用以下公式确定：

式中，R是观测点到震中的距离；t_end是位移时程的总时间长度，根据实际记录的总持时或自定义的总持时确定。

其中，参数t_P和t_PGD可以满足以下关系式：

t_PGD＝T₁+T₀

式中：t_PGD为峰值位移对应时刻，t_P为永久位移的起始时刻。永久位移的起始时刻t_P也可以按照初始地震动的95％Arias强度对应的时刻取值。

其中，衰减参数γ可以按照实际地震动的统计得到的分布图取值，取值范围为[0-0.1]；下降段的震荡周期T_v根据设定的周期数确定。

附图说明

图1显示了一种近断层地震动位移形态的示意图。

图2显示了本申请提出的近断层地震动位移模型的示意图。

图3a-3b显示了不同的断层破裂面对应的最短距离的确定方法。

图4显示了断层模型的几何参数的示意图。

图5显示了记录中t_P时刻对应的Arias强度示意图。

图6显示了衰减参数γ按照实际地震动统计得到的分布图。

图7a-7d显示了本申请的位移模型B对四个不同位置的实际地震动位移的拟合结果。

图8a-8f显示了位移模型不同参数取值时，得到的位移、速度和加速度时程图。

图9显示了输入本申请的地震动时程的桥梁模型示意图。

图10显示了本申请中进行近断层地震动拟合的流程示意图。

图11显示了按照不同的输入方案，基于给定的目标反应谱和永久位移人工拟合得到的近断层地震加速度、速度和位移时程曲线。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

根据本申请的一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法，包括以下基本步骤：

(1)基于对近断层地震动的特征分析，建立能够描述近断层地震动位移特征参数的地震动位移模型。其中，位移特征参数包括永久位移、峰值位移、位移震荡及衰减特性等。

地震发生时，由于断层破裂的向前方向性效应和滑冲效应导致，近断层地震动产生较大的速度脉冲和永久地面位移。速度脉冲和永久地面位移可以通过速度计和位移传感器等设备记录和观测。对速度计和位移传感器等设备观测到的已有实际记录分析表明，存在如图1所示的地震动位移时程，即位移达到峰值后，以较大的幅值震荡衰减，最终回落到永久位移值。为了能够合理描述这类地震动位移，建立如下可以同时控制峰值位移D_max、永久位移D_p以及峰值点之后的下降段细节的参数化位移模型，即

式中，D_max为峰值位移，D_p为永久位移，T₀为永久位移偏移的起始时刻，T₁为位移上升段周期，T_v为下降段的震荡周期，γ为衰减率。按照此模型表征的地震动位移模型如图2所示，图中①②③点为需要控制的关键点，分别为位移偏移的起始点、峰值点和永久位移起始点，t_PGD为峰值位移对应时刻，t_P为永久位移的起始时刻。

从位移公式(1)，可以得到相应的速度和加速度，表达式为：

(2)基于对近断层实际地震记录的统计分析，确定位移模型中控制参数的计算方法。

A)T₁取值与震级有关，可采用以下任意一个统计学经验公式确定：

ln(T₁)＝1.16M_w-6.42 (5)

式中，M_w为矩震级。

B)永久位移D_p：根据已有的活动断层资料，在分析活动断层性质和最大潜在震级的基础上，建立不同类型断层永久地面位移与矩震级之间的回归关系，即

ln(D_fault)＝1.15M_w-3.28 (6)

式中：D_fault表示断层滑移量，可以通过设备观测得到，R_rup为观测点到断层破裂面的最短距离。如图3a-3b，显示了不同的断层破裂面对应的最短距离的确定方法。式(7)中的a₀，a₂，a₃为回归系数，分别表示为：

a₀＝0.005δ+0.05

a₃＝50

如图4所示，δ表示断层倾角，可以根据实际情况通过角度测量仪器测得；可以根据实际情况测得；h表示断层上端埋深，W和L分别表示断层面的宽度和长度。

C)峰值位移D_max，

D)位移偏移的起始时刻T₀，

式中：R是观测点到震中的距离，如图3a-3b所示；t_end是位移时程的总时间长度，可以根据实际记录的总持时或自定义的总持时确定。

E)永久位移起始时刻t_P

式中：t_PGD可以由T₀和T₁确定,t_PGD＝T₁+T₀。

此外，永久位移的起始时刻t_P对应的Arias强度分布如图5所示，直方图基本满足weibull分布。从中可以看出t_P所对应的Arias强度主要集中在[95％-99％]的范围内。近断层地震动拟合中，除了采用上述公式(10)以外，t_P可以按照初始地震动的95％Arias强度对应的时刻取值。

F)衰减参数γ和下降段的震荡周期T_v

图6给出了位移模型中衰减参数γ按照实际地震动的统计得到的分布图，可以看出γ主要集中在[0-0.1]的范围内。实际选用时，根据现场的工程条件，观察其与实际位移时程的匹配度来选定。如果需要衰减更快，可以选用更大的衰减参数γ值。同理，震荡周期T_v可以根据实际需要而设定的周期数确定。

(3)基于不同的震源特性及场地条件，确定位移模型参数取值。

实际应用中，可根据断层的性质、震级大小、断层破裂规模、永久位移值以及对永久位移细节的刻画程度，确定位移模型参数。图7a-7d给出了位移模型对四个不同位置的实际地震动位移的拟合结果。如果需要对某一场址进行地震动预测，则需要基于场址附近实际断裂的特性及可能的发震规模，确定参数取值，包括矩震级、T₁、永久位移D_p、峰值位移D_max，位移偏移的起始时刻T₀，永久位移起始时刻t_P、衰减参数γ等。不同的参数取值，表现出地震动位移曲线的形态不同。图8a-8f显示了位移模型不同参数取值时，得到的位移、速度和加速度时程图。最后，可以选择与实际地震动记录吻合较好的参数取值作为最终的位移模型参数取值。

(4)基于实际场址周围活动断裂分布情况，确定合理的地震动输入模式。

以图9所示的桥梁模型为例，说明地震动输入模式。输入时考虑永久位移的大小，每个支座可以采用相同的输入，也可以采用不同的输入。具体地，根据活动断层和结构的相对位置，确定地震动的输入角度；确定活动断层两侧地震动输入模式，即一致输入或多点输入；根据活动断层性质，确定同震永久地面位移量的大小；根据活动断层性质，确定断层两侧的活动方向。

(5)按照已确定的地震动输入方案，进行近断层地震动模拟，确定用于近/跨断层结构抗震分析的地震动加速度、速度和位移时程。

此处已确定的地震动输入方案既包括确定后的模型数学表达式，也包括地震动的输入模式。地震动是包含宽频带分量的一个复杂的随机过程。由于近断层地震动中存在的大速度脉冲和永久位移，是地震动的低频特性，因此为了能够定量描述近断层地震动的特点，首先采用位移模型定量得到地震动的低频分量；高频分量可由天然地震动或人工合成地震动先匹配目标反应谱，然后经过高通滤波得到高频分量，最后通过叠加得到的高频分量和低频分量，得到匹配峰值位移、永久位移和目标反应谱的近断层地震动时程。根据本申请的近断层地震动的拟合流程如图10所示。然后，将模拟得到的近断层地震动时程作为地震动输入，输入到建立好的结构模型中，即可进行各种抗震工程设计或研究活动。

图11为按照不同的输入方案，基于给定的目标反应谱和永久位移人工拟合得到的近断层地震加速度、速度和位移时程曲线。本申请通过建立地震动位移模型定量得到地震动的低频分量，然后由天然地震动或人工合成地震动匹配目标反应谱得到地震动的高频分量，将低频分量与高频分量叠加后可以得到匹配峰值位移、永久位移和目标反应谱的近断层地震动时程，将其输入到建立好的结构模型中即可。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种用于近跨断层结构抗震分析的地震动确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于对近断层地震动的特征分析，建立能够描述近断层地震动位移特征参数的地震动位移模型；

(2)基于对近断层实际地震记录的统计分析，确定位移模型中控制参数的计算方法；

(3)基于不同的震源特性及场地条件，确定位移模型的参数取值；

(4)基于实际场址周围活动断裂分布情况，确定合理的地震动输入模式；

(5)按照已确定的地震动输入方案，进行近断层地震动模拟，确定用于近跨断层结构抗震分析的地震动时程；所述地震动输入方案包括确定后的地震动位移模型数学表达式和地震动输入模式；

其中，步骤(1)中建立的地震动位移模型的数学表达式为：

式中，D_max为峰值位移，D_p为永久位移，T₀为永久位移偏移的起始时刻，T₁为位移上升段周期，T_v为下降段的震荡周期，γ为衰减率；

采用所述地震动位移模型定量得到地震动的低频分量；由天然地震动或人工合成地震动匹配目标反应谱得到地震动的高频分量，通过叠加高频分量和低频分量，得到匹配峰值位移、永久位移和目标反应谱的近断层地震动位移时程。

2.根据权利要求1所述的地震动确定方法，其特征在于，参数T₁采用以下公式中的任意一个确定：

ln(T₁)＝1.16M_w-6.42

式中，M_w为矩震级。

3.根据权利要求2所述的地震动确定方法，其特征在于，参数D_p采用以下公式确定：

ln(D_fault)＝1.15M_w-3.28

式中，D_fault表示断层滑移量，R_rup为观测点到断层破裂面的最短距离，a₀，a₂，a₃为回归系数，分别表示为：

a₀＝0.005δ+0.05

a₃＝50

式中，δ表示断层倾角。

4.根据权利要求3所述的地震动确定方法，其特征在于，参数D_max采用以下公式确定：

5.根据权利要求4所述的地震动确定方法，其特征在于，参数T₀采用以下公式确定：

式中，R是观测点到震中的距离；t_end是位移时程的总时间长度，根据实际记录的总持时或自定义的总持时确定。

6.根据权利要求5中所述的地震动确定方法，其特征在于，参数t_P和t_PGD满足以下关系式：

t_PGD＝T₁+T₀

式中：t_PGD为峰值位移对应时刻，t_P为永久位移的起始时刻。

7.根据权利要求5中所述的地震动确定方法，其特征在于，永久位移的起始时刻t_P按照初始地震动的95％Arias强度对应的时刻取值。

8.根据权利要求6或7所述的地震动确定方法，其特征在于，衰减参数γ按照实际地震动的统计得到的分布图取值，取值范围为[0-0.1]。

9.根据权利要求6或7所述的地震动确定方法，其特征在于，下降段的震荡周期T_v根据设定的周期数确定。