本文選題：場地反應　切入點：場地系數(shù)　出處：《中國地震局工程力學研究所》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：場地反應一直都是地震學和地震工程學等相關領域研究的重要課題之一,對于近斷層地震動模擬、地震動預測方程建立、地震動空間分布特征研究、地震災區(qū)的震害評估、建筑物的選址及其抗震設防等具有重要的理論意義和工程應用價值。本文利用日本Ki K-net強震動觀測數(shù)據(jù)開展場地分類方法及其場地系數(shù),線性場地反應和非線性場地反應三個方面的研究,旨在揭示場地反應的機理,為建筑物的抗震設防提供科學依據(jù)。論文完成的主要工作和取得的主要成果如下:(一)場地分類方法及其場地系數(shù)1、利用536個臺陣記錄的9073條地表水平向地震動數(shù)據(jù),首先,依據(jù)場地類別、有效峰值加速度、設計地震分組對這些數(shù)據(jù)進行分組,然后,根據(jù)各組加速度反應譜的平均特征研究其設計反應譜形狀。結果表明:(1)各組平臺段的動力放大系數(shù)均在1.81~3.35之間,平均值為2.50,標準差為0.33。建議設計反應譜平臺段的放大系數(shù)取平均值2.50。(2)中國建筑抗震設計規(guī)范規(guī)定的下降段形狀過于保守,明顯高于觀測值,美國規(guī)范規(guī)定的下降段形狀偏于危險,有時會低于觀測值;建議在Tg~6s的周期范圍內,設計反應譜下降段以T-1形式衰減。2、利用571個臺陣記錄的10516條地表水平向地震動記錄,首先,依據(jù)震中距、震級、有效峰值加速度以及場地類別對這些數(shù)據(jù)進行分組,然后,根據(jù)各組加速度反應譜的平均特征研究三種場地分類方法(中國、美國建筑抗震設計規(guī)范中規(guī)定的場地分類方法以及本文在Zhao et al.[113](2015)分類方法基礎上進一步將SC I類場地細化為兩類(即SC I1和SC I2類)的基于場地基本周期的場地分類方法)及其場地系數(shù)。結果表明:(1)基于場地基本周期的場地分類方法的加速度反應譜離散性最小,美國場地分類方法的加速度反應譜離散性次之,中國場地分類方法的加速度反應譜離散性最大�；诨局芷诘膱龅胤诸惙椒軌蛴行Ы档图铀俣确磻V觀測值的離散性,在0.5~4s的周期范圍內,與中國的場地分類方法相比,該方法的動力放大系數(shù)標準差下降約20%;與美國的場地分類方法相比,該方法的動力放大系數(shù)標準差下降約15%。(2)在計算的場地系數(shù)的基礎上,提出了上述三種場地分類方法中各場地類別在不同周期段的場地系數(shù)(包括規(guī)準化加速度反應譜平臺段高度比值Fac,加速度反應譜分別在0.2s、1.0s、2.5s處的場地系數(shù)Fa、Fv、Fd)的建議值。(二)線性場地反應1、利用FKSH14臺陣記錄的288組井上和井下水平向弱震動數(shù)據(jù),研究場地基本頻率和卓越頻率之間的關系。結果表明:(1)在同一次地震中,不同水平分量(EW或NS)的卓越頻率在大多數(shù)情況下對應著不同階數(shù)的固有頻率;在不同地震中,同一個水平分量(EW或NS)的卓越頻率在大多數(shù)情況下也對應著不同階數(shù)的固有頻率;故使用場地的卓越頻率難以描述場地的固有特性。(2)無論是在同一次地震中的不同水平分量,還是在不同地震中的同一水平分量,其基本頻率相差或變化較小,基本一致,故使用場地的基本頻率可以客觀地描述場地的固有特性。2、利用32個臺陣記錄的2200余組井上和井下水平向弱震動數(shù)據(jù),建立高階固有頻率與基本頻率之比與振型階數(shù)之間的經(jīng)驗關系式,相關系數(shù)高達0.997。根據(jù)場地的基本頻率,利用該關系式可以估計場地前17階甚至可能更高階數(shù)的固有頻率。3、利用249個臺陣記錄的2萬余組井上和井下水平向的弱震動數(shù)據(jù),比較場地基本周期與不同影響因素之間的相關性,包括土層厚度、土層剛度、近地表沉積物的剛度、以及土層厚度與剛度的組合。結果表明:利用土層的剛度與厚度估計基本周期時,估計值與實際值之間的相關性最高,相關系數(shù)不低于0.85;利用土層的厚度估計基本周期時,估計值與實際值之間的相關性較高,相關系數(shù)約為0.7;利用近地表沉積物的剛度估計基本周期時,估計值與實際值之間的相關性一般,相關系數(shù)約為0.6;利用土層整體的剛度估計基本周期時,估計值與實際值之間的相關性很差,相關系數(shù)低于0.2。4、利用上述249個臺陣記錄的弱震動數(shù)據(jù),比較不同場地類別的基本周期分布和放大作用的平均特征。主要研究結果表明:(1)中國規(guī)范中的I1類、II類、III類、IV類場地基本周期主要分布范圍分別為0.10~0.45,0.18~0.49,0.82~1.38,1.12~2.65s;其基本周期的平均值分別為0.28,0.40,1.06,1.88s;美國規(guī)范中的B類、C類、D類、E類場地基本周期主要分布范圍分別為0.09~0.20,0.15~0.41,0.35~0.88,0.60~1.76s;其基本周期的平均值分別為0.15,0.33,0.71,1.20s;本研究中的SC I1類、SC I2類、SC III類、SC IV1、SC IV2類場地基本周期的主要分布范圍分別為0.09~0.20,0.12~0.24,0.20~0.39,0.34~0.50,0.33~0.66,0.77~1.52s;其基本周期的平均值分別為0.16,0.19,0.30,0.43,0.50,1.20s。隨著場地變軟,基本周期向長周期方向移動;而且,場地越軟,基本周期的離散性越大。(2)中國規(guī)范中的I1類、II類、III類、IV類場地的主要放大頻帶分別為2.98~20,1.55~19.48,0.57~13.15,0.31~10.03 Hz;美國規(guī)范中的B類、C類、D類、E類場地的主要放大頻帶分別為3.37~20,1.91~20,1.00~15.88,0.56~11.98 Hz;本研究中的SC I1類、SC I2類、SC III類、SC IV1、SC IV2類場地的主要放大頻帶分別為3.03~20,2.51~20,1.63~20,1.25~17.36,1.03~16.04,0.55~13.08Hz。隨著場地變軟,場地放大作用向低頻方向移動。場地越軟,對低頻分量的放大作用越顯著。而且,由于高階振型被激勵,軟土場地(中國規(guī)范中的Ⅳ類、美國規(guī)范中的E類和本研究中的SCⅣ類場地)對中高頻帶也有一定的放大作用。(三)非線性場地反應1、利用32個臺陣記錄的3萬余組井上和井下水平向地震動數(shù)據(jù),首先使用井上井下譜比法估計場地非線性指標APNL值,然后,使用折線模型擬合APNL隨PGA的變化規(guī)律,以估計非線性場地反應的閾值。結果表明:32個KiK-net臺陣的非線性場地反應閾值的差異并不顯著,其范圍介于19~91 cm/s2,平均值和方差分別為60±19.9 cm/s2。按照中國規(guī)范劃分場地類別,32個臺陣中2個I1類場地、26個II類場地,4個III類場地的平均閾值分別為46,62,59 cm/s2;按照美國規(guī)范劃分場地類別,32個臺陣中4個B類場地、17個C類場地、11個D類場地的平均閾值分別為56,59,66 cm/s2;按照本研究細化的場地分類方法劃分場地類別,32個臺陣中3個SC I1類場地、7個SC I2類場地、6個SC II類場地、10個SC III類場地、2個SC IV1類場地、4個SC IV2類場地的平均閾值分別為66,58,73,56,49,71 cm/s2。場地類別對非線性場地反應的閾值沒有明顯的影響,不同場地類別的平均閾值約為50~70 cm/s2。2、利用8個臺陣記錄的1萬余組井上和井下水平向地震動數(shù)據(jù),首先,使用井上井下譜比法以及土動力學參數(shù)方法分別估計這些場地的基本頻率和剪切模量;然后,使用雙曲線模型分別擬合基本頻率和剪切模量隨地震動強度的變化規(guī)律,以研究非線性場地反應的程度隨PGA的變化規(guī)律。結果表明:當PGA低于非線性場地反應閾值時,場地的基本頻率與剪切模量不受PGA的影響;當PGA高于非線性場地反應閾值時,場地基本頻率和剪切模量的下降幅度均隨著PGA的增加而增加:(1)當?shù)卣饎訌姸冗_到100 cm/s2時,場地表現(xiàn)出輕微的非線性,基本頻率下降2~12%,剪切模量下降3~11%;(2)當?shù)卣饎訌姸冗_到300 cm/s2時,場地表現(xiàn)出明顯的非線性,基本頻率下降7~29%,剪切模量下降7~30%;(3)當?shù)卣饎訌姸冗_到600 cm/s2時,場地表現(xiàn)出顯著的非線性,基本頻率下降13~44%,剪切模量下降15~55%;(4)當?shù)卣饎訌姸冗_到800 cm/s2時,場地表現(xiàn)出強烈的非線性,基本頻率下降17~51%,剪切模量下降23~71%。3、利用8個臺陣的剪切模量比、PGA隨應變變化的擬合結果和Vucetic and Dobry[98]實驗室實測的剪切模量比曲線,建立用于估計非線性場地反應閾值和程度的經(jīng)驗關系式。結果表明:(1)通常情況下,場地非線性場地反應的閾值介于20~100cm/s2。非線性場地反應的閾值主要受到場地剛度和塑性指數(shù)的影響。對于剛度相同的場地,隨著塑性指數(shù)的增加,非線性場地反應的閾值增加;對于塑性指數(shù)相同的場地,隨著剛度的增加,非線性場地反應的閾值增加。當場地剛度增加,而塑性指數(shù)減小時,非線性場地反應的閾值可能增加也可能減少,所以硬土場地的非線性場地反應的閾值并不一定高于軟土場地,這也是不同場地類別的非線性場地反應閾值之間不存在明顯差異的原因。(2)剪切模量下降的幅度(代表非線性場地反應的程度)主要受到地震動強度、場地剛度和塑性指數(shù)的影響,對相同剛度和塑性指數(shù)的場地,隨著地震動強度的增加,剪切模量下降的幅度增加。對于剛度相同的場地,在相同強度的地震動作用下,隨著塑性指數(shù)的降低,剪切模量下降的幅度增加。對于塑性指數(shù)相同的場地,在相同強度的地震動作用下,隨著剛度的降低,剪切模量下降的幅度增加。在相同強度的地震動作用下,當場地剛度增加,而塑性指數(shù)減小時,非線性場地反應的程度可能增加也可能減少,所以在相同強度地震動作用下硬土場地剪切模量下降的幅度并不一定低于軟土場地,這可能導致不同場地類別在相同強度地震動作用下非線性場地反應的程度之間不存在明顯差異。4、利用上述8個臺陣記錄的地震動數(shù)據(jù),使用基于短時傅里葉變換和小波變換的時頻分析方法研究場地發(fā)生非線性反應后的短期快速恢復過程(第一階段),使用井上井下譜比法和基于解卷積的地震干涉測量法研究場地發(fā)生非線性反應后的長期緩慢恢復過程(第二階段)。結果表明:(1)在2011年東日本大地震中,TCGH16臺陣在在剪切波到達之前,場地還未進入非線性階段,場地基本頻率小幅震蕩;當剪切波到達后,場地進入非線性階段,場地基本頻率開始快速下降;達到PGA時,基本頻率下降到最低值;然后場地的基本頻率開始恢復,在PGA之后的100多秒時間內,場地基本頻率快速恢復到震前水平的約90%。(2)上述8個臺陣在東日本大地震后,大多數(shù)臺站基本頻率和剪切波速都表現(xiàn)出了長期緩慢恢復過程;并且在東日本大地震的1200天之后,部分臺陣的基本頻率和剪切波速均依然低于震前水平。這一方面可能是因為長期緩慢恢復過程還未結束,場地的基本頻率和剪切波速將繼續(xù)恢復直到震前水平為止;另一方面也可能是因為主震對場地土層造成了永久性的破壞,場地的基本頻率和剪切波速不再會恢復到震前水平。
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【學位授予單位】：中國地震局工程力學研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P315

【參考文獻】

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1 Wang Haiyun;Xie Lili;Wang Suyang;Ye Peng;;Site response in the Qionghai Basin in the Wenchuan earthquake[J];Earthquake Engineering and Engineering Vibration;2013年02期

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本文編號：1636894