高频地震动随机模拟方法研究

Research on stochastic simulation method for high frequency of ground motions

基于地震动时程记录、震源破裂过程和场地模型的近断层强地震动模拟方法是目前估计地震动输入的重要方法之一,也是岩土地震工程研究的热点问题之一。由于大部分建筑自振周期在3.0 s以内,因此对地震动的高频成分更为敏感。本文以适用于模拟高频地震动的随机模拟方法为研究对象,系统地归纳和总结了该方法的研究历史和现状,详细介绍了其模拟的原理,并评述了随机点源模型和有限断层模型的特点。在此基础上,针对该方法中存在的一些问题,开展了深入系统的研究,主要研究工作和取得的成果如下:(1)建立了拐角频率和震源破裂速度的关系。推导了震源谱中拐角频率的表达式,明确了推导过程中的假设条件和适用范围,阐明了拐角频率在不同的假设条件下有不同的表达式。结果表明,无论是点源模型还是有限断层模型,拐角频率应和破裂速度有直接的联系。本文给出的拐角频率和破裂速度之间的表达式,可以弥补Boore和Motazedian有限断层模拟程序在理论上的不完善和矛盾之处,在理论上补充和完善了拐角频率的表示方法。(2)统计分析了汶川特大地震主、余震高频衰减参数kappa的分布规律。通过对不同场地、不同震级、不同距离下强震记录的分析,本文认为,高频衰减参数kappa和震级、震中距、场地以及统计的频段有关,同时也存在一定的随机性,且随机性的影响有可能更大。结果表明,水平向强震记录的kappa值大于竖向的,同时发现一定比例的竖向强震记录甚至表现出高频增大的趋势。对于水平向强震记录,在震中距或震级较小的时候,也可能会出现高频增大的情况。按照我国抗震设计规范的场地分类方法,将台站分为三类场地,分别统计了Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类场地kappa值随震级和震中距的变化规律,并给出了拟合公式。(3)提出了一种确定输入参数的方法,给出了地震动随机模拟方法中主要输入参数的取值范围,并分析了输入参数取值对地震动模拟结果的影响。本文利用随机模拟方法,分析了应力降、震源处密度、破裂速度、剪切波速、品质因子、高频衰减参数等输入参数对地震动峰值加速度PGA、反应谱Sa和放大系数β的影响。结果表明,上述输入参数取值变化对模拟结果的PGA均有一定的影响,按照敏感程度依次为应力降、高频衰减参数kappa、品质因子Q_0、震源处密度、破裂速度、品质因子指数、剪切波速。其中,kappa对放大系数β的影响最大,会改变放大谱的形状,其他输入参数的变化对放大系数β影响则很小,因此输入参数的取值变化对反应谱的影响主要取决于对PGA的影响程度。针对输入参数对模拟结果的影响程度,本文对输入参数的取值提出了相应的建议。在缺少反演结果的情况下,对于较不敏感的参数,可以在经验值范围内选择;对于敏感的参数,则需要搜索一个最优值使得各台站模拟记录与实测记录之间的误差最小。这一方法可作为随机模拟方法输入参数取值的参考依据。(4)利用随机有限断层模拟方法模拟了鲁甸M_S6.5地震的基岩台记录,提出了一种地震动模拟的工程方法。本文分析并总结了鲁甸地震震源机制的反演结果,结合本文对拐角频率的改进和输入参数的确定方法,利用随机有限断层模拟方法模拟了鲁甸地震基岩台的加速度时程。从结果来看,模拟地震动的峰值加速度PGA和反应谱均与实测结果较为接近,这表明随机有限断层模拟方法可以用于模拟近场地震动,也验证了本文的研究结果的合理性和可行性。对于没有强震记录对比的工程场地,本文提出了一种工程方法,它的原理是将反应谱的模拟分为PGA和放大系数包络线两部分内容分别合成,PGA的取值范围由随机模拟方法和地震动衰减关系联合确定,采用随机模拟方法确定放大系数的包络线。这种方法考虑了不同相位谱对地震动的影响,并结合了地震动衰减关系的研究成果,可以提高模拟地震动的精度,并给出了多条地震动时程曲线,拟合得到的时程反应谱包络线可以有效涵盖实测记录。该方法可用于模拟缺少强震记录工程场地的地震动。