2021年日本福岛海域M_(W)7.1地震S-net海底地震动特征

2021年2月13日日本福岛县东部海域(Off-Fukushima)发生的M_(W)7.1地震是目前世界最大的海底观测系统——日本海沟地震和海啸海底观测网(S-net)——迄今为止记录到最大的俯冲带地震.为认识海底地震动并探究海陆差异,本文介绍了S-net海域台网及其数据处理的特殊性和必要性,分析了Off-Fukushima地震的地震动幅值、频谱和持时特征,比较了海底与陆地震动衰减特性的异同,对比了近海岸埋置台站、近海沟未埋台站及陆地台站地震动的差异,并与俯冲带地震动模型(GMM)进行了比较.结果表明:Off-Fukushima地震海底水平向PGV和周期大于0.5 s的加速度反应谱值显著大于陆地记录;相比陆地,海底动力放大系数谱向长周期方向偏移,表明海底记录长周期成分更丰富;受到海水的抑制作用,海底记录V/H反应谱比值小于陆地记录;由于海底记录与陆地GMM在路径和场地方面存在差异,水平向PGA及反应谱的残差分布出现明显偏移;海底近海岸埋置台站与近海沟未埋台站的地震动特征存在系统性差异,水平向差异很可能与海底地形有关,而竖向可能受到布设方式对台站与海底耦合程度的影响.本文对Off-Fukushima地震动参数特征和衰减特性的分析结果可为海域地震预警、海域区划和海域危险性分析中的海底地震动特征及GMM的确定提供参考.

坡形场地对海底地震动的影响

为了填补地形对海底地震动影响认识上的空白,本文通过数值模拟,分析了海底常见坡形场地的地震动特性。结合自编地震波动程序与有限元动力分析软件ADINA,建立不同坡度海底场地模型,分析了地形、入射角度等对海底场地响应的影响。通过比较不同坡度模型的场地响应与响应谱特征,确定地形对海底地震动的影响。结果表明:P波入射时,坡形场地对海底地震动的场地放大效应与场地坡度有关,且场地放大效应随着场地坡度的增大而增强,与陆上坡形场地地震响应规律区别较大。SV波入射时,坡形场地对海底场地地震响应无明显影响。

基于K-NET强震台网的海底地震动特征初探

为了研究海底地震动的特性,本文基于日本K-NET台网,选取124次地震事件中,5个海底台站和6个陆地台站所记录的981条地震动记录。经过数据筛选与处理,对典型地震动参数、动力放大系数谱和竖向与水平谱比进行了分析。结果表明:海水的存在会削弱竖向地震动的高频成分,导致竖向峰值加速度和强震持时要显著小于水平向;海底场地条件对海底地震动有放大作用,则选用陆地地震动进行海洋工程抗震设计会低估地震荷载带来的影响;当周期0.1 s<T<0.8 s时海底地震动的动力放大系数谱大于陆地地震动,最大值要大于抗震规范设计值,沿用现有的陆地抗震设计规范展开海底工程建造存在风险。

震源机制对海底地震动及跨海桥梁地震反应的影响

为了研究震源机制对海底地震动特性的影响,将从日本K-net搜集到的113条海底地震动按震源机制、震中距和震级分类。从其中选取中场中震海底实测记录进行加速度(a)、速度(v)和位移(d)反应谱,以及d-v-a三联谱的对比。为了进一步了解不同震源机制下海底地震动的差异,对比分析跨海桥梁于不同震源机制下海底地震动的地震反应。在保证所选地震动的峰值加速度(PGA)接近和缩放系数接近的原则下,并以各自中场中震地震动平均反应谱为匹配对象,选取走滑断层和逆断层各4条海底实测地震记录,分析其对某跨海大桥引桥段的影响。经过分析对比后发现走滑断层在中、长周期段各谱值明显高于逆断层,且速度敏感区长度也更长,而且跨海桥梁对走滑断层海底地震动的地震反应均大于逆断层。

海底地震动的等延性强度折减系数谱

为了解海底与陆地地震动弹塑性地震反应谱的差别,本文选取日本K-NET强震台网近年收集的部分海底及陆地强震记录,总计6个海底台站与相邻8个陆地台站在6次地震中的67组(双向水平)强震记录,以统计分析的方法研究了海底台站及其相邻的陆地台站强震记录的等延性强度折减系数谱的特性。进一步选取美国"海底地震动观测系统项目(SEMS)"的7个台站在8次地震中的9组(双向水平)海底强震记录与K-NET海底强震记录的等延性强度折减系数谱进行了对比,以探求震中距、水深等对海底地震动等延性系数强度折减系数谱的影响。总体上看,海底与陆地地震动的等延性强度折减系数谱相差不大,震中距对海底地震动等延性强度折减系数谱有一定影响,特别在周期T<1.5 s时,震中距越大其谱值越小,而水深对其影响不大。

海底地震动特性及相关谱研究

利用日本K-NET与美国SEMS台网中海底强震记录研究了海底地震动特性。通过分析水平反应谱、竖向与水平加速度反应谱的比谱和弹塑性反应谱,比较了海底与陆地地震动的区别。发现海底竖向地震动的峰值加速度明显更低。在大于0.2s的周期段,海底水平地震动反应谱大于陆地谱值,而且海底谱具有更长的特征周期,并随震中距增长而增大。此外,海底地震动的竖向与水平加速度反应比谱与陆地地震动的差异很大,在小于1s的中短周期段海底地震动的比谱明显更小。根据不同的震级与震中距的真实地震动记录,提出了中等地震下不同震中距海底地震动比谱的简化设计方程。最后,比较了海底与陆地地震动的弹塑性反应谱,可知总体上海底与陆地的等延性强度折减系数谱差异不大。

二维不规则海底地形对海底地震动的影响

讨论了海底地形对海底地震动的影响，并用有限元方法对二维问题进行了具体的研究．文中用参数分析的方法，就诲底凸起地形和凹陷地形以及不同的海水深度，进行了海水与海床土体系在基底地震动输入下的流固耦合反应计算，取得了对所讨论问题的基本认识：（１）海床土高处的地震反应比低处的大，高处与低处间凹角处的反应则为最小；（２）随着海水深度的增大，对凸起地形来说，海床上的地震反应趋小，而对凹陷地形来说，这一点不明显．

2016年日本Off-Mie Mw_(5.8)级地震的海底地震动非线性反应特征

近年来全球频繁发生的海域地震对海洋工程的抗震设计提出了新的要求。为了研究海底地震动的非线性反应特性,基于日本Nankai海域DONET1海底台站记录的2016年Off-Mie Mw_(5.8)级地震的近场地震动数据,采用水平(horizontal)和竖直(vertical)方向傅里叶谱比(H/V)方法分析了具有强烈非线性反应特征的4个台站的主频(f_(peak))和峰值(A_(peak))随时间的变化规律、评估了此次地震海底场地非线性响应恢复时间。研究结果表明:部分海底台站基于H/V识别的f_(peak)在S波到时出现明显下降,S波结束后趋于平稳且低于P波到时呈现的非线性反应特征;H/V识别的A_(peak)则呈指数式上升趋势。通过对产生强烈非线性反应台站的震后地震动谱比分析,表明f_(peak)和A_(peak)在震后20 d左右恢复到震前参考值,个别台站由于遭受强烈非线性反应可能导致速度结构的改变致使f_(peak)没有恢复。

考虑不同分类的海底地震动特性及其不确定性分析

为了研究海底地震动特性及其不确定性,本文基于日本K-net海底地震动,经过数据筛选、地震动分类、滤波以及基线调整,对典型地震动参数和弹塑性谱进行了研究.通过分析震源类型、震级和距离对地震动参数及频谱变异系数的影响,讨论了海底地震动的不确定性.结果表明:随距离和震级的增大,其对幅值的影响逐渐减弱;震级因素对持时的影响高于距离因素;距离较小时其对阿里亚斯强度的影响较大,距离较大时其对阿里亚斯强度的影响小于震级的影响.海底地震动动力放大系数谱峰值大于抗震规范值;震源类型主要影响地震动弹性反应谱的长周期段,震级和距离主要影响长周期弹性反应谱的不确定性.对于浅地壳、板缘和板内地震,弹塑性反应谱不确定性的影响则体现在短周期段.通过与未分类的海底地震动变异系数的比较发现,按震级、距离与震源类型对海底地震动分组之后统计不确定性明显降低.

基于HVSR的DONET1海底地震动场地效应研究

为基于谱比方法研究海底地震动场地效应,选取日本DONET1台网的20个海底台站2014-2021年记录的1634组地震数据,对其进行筛选和处理后,利用水平与竖向谱比(HVSR)方法考虑不同布设对海底5组节点台站(KMA、KMB、KMC、KMD、KME)谱比特征的影响。研究结果表明:KMA与KME节点台站具有相似的场地特征,KMB与KMD节点台站分散布置在2种场地,KMC节点台站场地与其他节点均不相似,这与长期地质调查结果相似;海底台站谱比曲线呈多峰值现象,其中KMB、KMC、KMD分组台站利用HVSR方法识别的主频变异性较高,KMA、KME分组台站主频较稳定;相同地形条件下,布设方式相同的海底台站谱比曲线随频率分布相似,海底复杂场地条件下,采用装沙沉底方式布置的台站识别场地条件时出现偏差;海底复杂因素对掩埋沉箱方式布设的台站谱比曲线的影响主要集中在频率<5 Hz的低频处;海底复杂因素对未埋入海底台站谱比曲线的影响主要集中在频率为5-10 Hz的高频处。研究结果可为海底地震动场地效应研究提供参考。

海底地震动作用下近海桥梁地震响应研究

以某近海大桥引桥段连续梁桥为工程背景,建立考虑海底地震动特性和腐蚀效应的近海桥梁地震反应分析模型。采用增量动力分析方法分析腐蚀效应以及海底地震动作用对近海桥梁地震响应的影响。研究结果表明:腐蚀效应与海底地震动作用都会不同程度影响近海桥梁结构的抗震性能。其中:腐蚀效应会增大近海桥梁的破坏指标,降低最大墩底剪力和弯矩值,从而降低桥梁的抗震性能;海底地震动作用会增大近海桥梁的破坏指标及最大墩底剪力、弯矩值;在2种因素耦合作用下,桥梁的抗震性能将会进一步降低。

海底地震动作用下海洋工程地质体地震反应

为探究在海底地震动作用下海洋工程地质体的地震反应特征,基于中国南海岛礁场地钻孔资料和日本房总半岛沿海地区海底强震记录,通过土层地震反应分析结果讨论了地震动特征、场地条件对地震反应的影响。建立岛礁四类工程地质场地的一维土层模型,并讨论了其在浅源和中深源海底地震动作用下地震反应特征。研究结果反映了特殊海洋工程地质对海底地震动的场地反应特征,可对岛礁场地的开发建设提供参考。

海底地震动作用下隔震桥地震反应

为确定海底地震动对跨海桥梁的影响,以跨海桥梁常使用的隔震连续梁桥为研究对象,输入4次地震中相邻陆地与海底强震台站的7组实测强震记录,通过对比墩顶位移与加速度、墩底弯矩与剪力、墩顶相邻主梁的相对位移、以及隔震支座的耗能与位移等,分析海底地震动对隔震梁桥地震反应的影响。研究表明:海底地震动作用下,结构的地震反应与支座位移均明显增大,并可能造成支座损伤等破坏。

海底地震动对近海桥梁易损性影响

为研究海底地震动作用下桥梁的抗震性能,以某近海桥梁引桥段为例,利用ABAQUS软件建立其有限元分析模型。基于一维波动理论与流体动力学方程,利用谱表示法模拟海底地震动。采用概率性地震需求分析方法(PSDA)对桥梁进行易损性分析,分别绘制桥墩在海底和陆地地震动作用下的超越概率曲线并对比分析。结果表明:相对于陆地地震动,海底地震动会显著增加桥墩的损伤概率,最大增幅高达23.44%;同时,对比于陆地地震动,海底地震动作用下桥梁易损墩柱发生变化。可见,基于陆地地震动进行近海桥梁抗震性能研究会低估桥墩的损伤并错估桥梁易损部位,导致计算结果失准。

基于实测记录分析场地因素对海底地震动特性影响

目前基于海底实测记录的分析发现海底与陆地地震动特性存在明显差异,但难以进一步确定海底地震动特性的影响因素。在以往研究的基础上对比同次地震中相邻海底台站间地震动特性的差异,并分析造成差异的原因。以日本K-NET地震台网中6个海底强震台站及其相邻不同场地条件陆地台站监测的8次强震记录为研究对象,通过分析强震记录的峰值加速度、水平放大系数谱、竖向与水平反应谱的比谱等,对比分析不同海底台站地震动的特性,以及海底台站与相邻不同场地条件陆地台站地震动特性的差别。研究发现:(1)海底与陆地竖向地震动存在明显差异;(2)不同海底台站间地震动特性亦存在较大差异和明显的规律性,海底场地条件、地形等场地因素对海底地震动特性的影响较大;(3)海底水平向地震动反应谱的特征周期较大,谱特性介于陆地中硬土与软土场地间。

基于特征分类排序的典型海底地震动记录研究

面向海域工程抗震设计及评估对海底地震动的需求,基于日本相模湾海域K-NET的ETMC海底强震动记录,根据震级、震中距选取面向工程输入的949组地震动记录数据库。在考虑震源类型差异的基础上,对地震动峰值、持时、频谱等参数进行分析,通过反应谱、Arias烈度等指标描述典型海底地震动特征。根据峰值加速度、显著持时等强度指标对海底地震动记录进行排序,给出基于不同地震动特征分类下的典型地震动记录。推荐的海底地震动可为考虑不同结构需求参数的典型海域工程结构时程分析提供输入地震动。

海底和陆地地震动作用下沉管隧道地震响应研究

海水层和海底沉积土层的存在影响地震动的传播,导致海底地震动与陆地地震动特征存在明显差异,选取合理的地震动输入是进行沉管隧道抗震性能分析的重要前提,因此,对比分析沉管隧道在海底和陆地地震动作用下的动力响应具有重要意义。基于饱和粘弹性人工边界理论,将地震动输入转化为等效节点力来实现三向地震波的输入。利用ABAQUS软件建立海水-海床-隧道的三维有限元模型,并考虑地震动作用下海水产生的动水压力影响。对沉管隧道在两种地震动作用下产生的相对层间位移、加速度和最大主应力进行对比分析。结果表明:海底地震动作用下的各向相对层间位移小于陆地地震动作用下;在海底和陆地地震动作用下沉管隧道出现最不利的位置不同;在海底地震动作用下产生的峰值加速度相比于原始输入地震波,其数值有所减小,而在陆地地震动作用下其数值有所增加。

海底与近岸陆地地震动作用下跨海隔震连续梁桥地震反应比较

跨海桥梁抗震时程分析通常采用陆地强震记录作为输入,因海底场地环境与陆地存在诸多差异,需对该方法进行深入研究。结合工程实际,利用ADINA软件建立基底固接跨海隔震连续梁桥分析模型。基于日本KiK-net台网选取震级及震中距相似的7个海底强震台站和7个近岸陆地强震台站各14条水平地震动(EW和NS方向独立考虑),沿桥梁纵桥向输入并进行地震反应时程分析,研究海底地震动和近岸陆地地震动输入下跨海隔震桥梁地震反应。通过对比桥墩最大变形及受力、主梁位移反应和支座最大剪应变,认为在大多数情况下,海底地震动作用下桥梁结构地震反应为近岸陆地地震动的1.3~1.9倍。跨海隔震桥梁抗震时程分析宜采用海底地震动作为输入。

海底与陆地地震动反应谱比定量分析

为了研究海底地震动与陆地地震动反应谱统计特性的差异,选取日本相模湾地区K-net的922组海底地震动记录和KiK-net的4599组陆地地震动记录,通过对海底与陆地地震动标准化弹性加速度反应谱以及弹塑性反应谱的对比分析表明:弹性反应谱的海陆谱比变异较小,平均值可作为定量对比关系;当周期小于0.5 s时海域与陆地地震动的差异较小,当周期0.5 s以上时海域与陆地地震动反应谱的差异明显,海域地震动的竖向分量显著较小;对于等强度延性谱,当震级或震中距较小时,有必要考虑1.5 s及以上周期的水平方向海底与陆地地震动的差别;而对于竖向地震动,则需更加关注0.5 s以下短周期地震动的海底与陆地地震动的差异。

考虑海水-海床-斜拉桥相互作用下纵桥向设置BRB的减震作用与优化设计

由于海洋场地存在深厚的海水层,其对海底地震动特性以及海洋结构物的地震反应存在较大影响,在跨海桥梁等海洋结构物抗震分析时不容忽视。因此,研究基于地震波动理论建立海水-海床-斜拉桥耦合的地震波动分析模型,确定海水层对结构地震反应的影响。考虑海洋环境可能对减震构件的耐久性造成威胁,提出一种应用耐久性能优良的防屈曲支撑(Bulking Restrained Brace,BRB)作为纵桥向减震构件的斜拉桥减震体系,并且以青州航道桥为工程背景,通过其与漂浮体系斜拉桥模型的地震反应对比,验证了考虑海洋环境影响下该减震体系的可行性。研究对BRB的布设位置与设备参数等进行优化分析,进一步确定BRB作为斜拉桥纵桥向减震构件的设计方法。研究发现地震作用下海水产生的动水效应会放大斜拉桥上部结构的地震反应。通过对比不同工况下结构的地震反应,发现在桥墩与桥塔位置同时设置BRB时,桥梁整体减震效果最佳。另外,BRB的屈服承载力等参数对斜拉桥的抗震性能亦产生较大影响。