基于KiK-net强震动记录的加速度反应谱规律性偏差

地震动特性受到地震震源、地震波传播介质和局部场地条件等因素的综合影响,虽然地震动反应谱虽然具有统计意义上的共性,但其具体形状又各不相同,特别是部分加速度反应谱与统计平均值之间存在显著的规律性偏差。为了进一步探究加速度反应谱与统计平均值之间的规律性偏差,本文基于日本KiK-net台网获取的8万余条强震动记录,建立了考虑地震震级和震中距影响的地面峰值加速度归一化加速度反应谱,并以预测值+0.5倍方差为界将加速度反应谱分为有、无反应谱规律性偏差的两组。通过有反应谱规律性偏差的反应谱(观测值)与无反应谱规律性偏差的反应谱预测值之间的差值,析出了反应谱的规律性偏差,验证了反应谱规律性偏差的形状与高斯曲线高度吻合,并可用加速度反应谱规律性偏差曲线的中心周期、相对高度和相对宽度等参数进行表征。基于2万余条有反应谱规律性偏差记录的统计分析显示,加速度反应谱规律性偏差主要受控于剪切波速、覆盖层厚度等局部场地条件表征参数,受地震震级、震中距、地震动强度等参数的影响相对较小。基于此,利用多元线性回归建立了加速度反应谱规律性偏差表征参数的经验统计关系,并提出了有加速度反应谱规律性偏差的场地相关加速度反应谱的确定方法。虽有待改进,但本文提出的反应谱规律性偏差概念将有助于改进场地相关地震动反应谱的确定方法。

Hi-net速度微分与KiK-net加速度对比研究

首先介绍了日本防灾科学技术研究所Hi-net和KiK-net台网布设情况和数据格式,然后利用Hi-net和KiK-net共同记录到的282次Mj≥5.0、震源深度≤100km的地震,分析了Hi-net速度微分与KiK-net加速度对数峰值比、对数反应谱比的分布特征及其随震级、距离的变化关系,讨论了速度微分结果在幅值和频谱两方面的不确定性.结果表明,数字型速度记录微分与观测加速度无论是峰值还是频谱均存在一定差异,不能将其直接用作加速度.考虑到对数峰值比和对数反应谱比在不同震级档、距离档存在一定规律,因此对速度微分结果的峰值和特定周期的反应谱除以一定的系数,可以降低数字型速度记录数值微分造成的不确定性.另外,也可采用概率的形式描述这种不确定性.

基于KiK-Net单场强震记录场地放大函数估计及标准差分析

考虑场地条件的场地地震危险性分析的关键是对场地特征的量化表示。场地的放大函数是场地特征的综合反映。选取KiK-net数据库软硬两类场地,通过单场地震记录分析建立场地放大函数的概率模型,给出场地放大函数及离散性量化估计;初步分析场地放大函数与输入地震动的关系,并分析其离散性或标准差。主要结论可以概括如下:软硬两类场地的场地放大函数与输入地震动的谱加速度值密切关联;对数线性、对数非线性二次函数回归拟合场地放大函数的标准差与非条件情况下的标准差无显著差别,但是软土场地相对于硬土场地标准差较小;硬土场地当周期T<0.3s时,log10(SAF)随着log10(PSAR)的增大而减小,而T>0.3s时,log10(SAF)随着log10(PSAR)的增大基本不变或稍微增大;对于软土场地,log10(SAF)随着log10(PSAR)的增大趋于减小,特别是T<1.0s时。

基于KiK-net强震记录的三维地震动强度非平稳模型研究

地震动强度非平稳特性对结构非线性响应有显著影响,准确描述强度非平稳特性对生成人工地震波有重要意义。该文提出了一种描述三维地震动强度非平稳特性的模型,分别给出了其确定性参数取值和随机参数取值。首先以大量Ki K-net强震记录为样本,提取其强度非平稳特性;然后选取地震动强度非平稳模型,并使用遗传算法识别出了模型的参数;最后通过统计回归分析给出了各震级、震中距不同场地类别的三维模型参数取值。结果表明,所得强度非平稳模型能够反映地震动强度非平稳特性的规律,可将其用于结构抗震分析和人工地震动模拟中。

基于KiK-net强震记录的场地调整系数估计

日本KiK-net强地震动观测台网记录了大量的地表和钻孔下基岩加速度记录,为保证统计结果的合理性,本文对这些强震数据进行了筛选,对震级,震中距,震源深度和地表峰值加速度大小做了限制,挑选了170次地震的1609组水平向强震记录,每一组数据包括各台站对应的地表和钻孔下基岩记录。利用这些强震数据,本文进行了的场地放大倍数以及场地影响系数与场地类别和峰值加速度的关系的统计,比较了3种不同有效峰值加速度EPA计算方法对场地放大倍数和场地影响系数计算结果的影响,结果表明:Ⅱ类场地对基岩的放大效应最大,Ⅲ类场地次之,Ⅰ类场地的放大效应最小;采用不同的有效峰值加速度EPA计算方法得到的计算结果有一定差别。最后论文给出了不同场地影响系数的建议值。

基于KiK-net台站的中美场地类别对比分析

以日本KiK-net台站场地剪切波速资料为基础,分别按照中、美抗震规范的场地类别划分标准,确定了661个台站的场地类别;选择了覆盖层厚度不小于20 m的180个台站的等效剪切波速资料,采用最小二乘法,建立了Ⅱ类和Ⅲ类场地的VS20和VS30统计公式,探讨了中美场地类别的对应关系。所得的结果为我国确定场地设计地震动参数时强震动资料的选取提供了依据,并为吸纳美国场地设计地震动参数成果提供基础。

基于Kik-net井下基岩强震动记录的持续地震预警震级估算方法

基于地震预警中不同预警参数估算的震级差别很大,且原因不清楚,使得震级估算的准确性难以得到保证。利用井下基岩观测点的强震动记录可以最大限度减少场地条件的影响,震级估算具有干扰小、质量高的优点。选用日本Kik-net 358个台站井下基岩观测点的14 423条强震动记录数据,通过分析预警参数τ^pmax、τc、τlog、Pd、IV^2分别在P波初至1 s、2 s、3 s等时段下的震级估算效果,揭示了以前未有解释的造成基于各参数估算的震级差异的原因,并给出一种震级持续估算方法。本文发现:τ^pmax受场地条件影响明显,建议采用基岩场地强震动记录数据进行计算;τc和τlog受加速度记录积分计算影响容易使得震级估算偏大;Pd采用P波初至4 s进行计算,可以避免6.5~7.2级地震的震级饱和。提出了实时调整预警参数的震级持续估算方法,即基岩强震动记录的初至1 s、2 s P波的τ^pmax估算震级,初至3 s P波的Pd估算震级,并以初至4 s地震波的P_d估算震级作为最终的估算震级。

基于KiK-net强震记录场地放大系数的深度校正因子估计及应用

日本KiK-net强地震动观测台网记录了大量的地表和钻孔下基岩加速度记录,这为分析场地地震效应提供了基础。为保证统计结果的合理性,对震级、震中距及震源距进行了选择,筛选出102个台站1 233组数据记录。利用这些地震记录,采用Cadet提出的场地放大系数的校正因子方法,计算、拟合了基于土层深度的放大系数校正曲线函数,并根据得到的场地放大系数的校正因子,计算了场地影响系数Fa,给出了不同场地影响系数的建议值。结果表明,深度校正因子的估计对基于中国场地分类的场地调整系数有着潜在的研究价值。

基于KiK-net强震记录的水工建筑物反应谱研究

鉴于一些规范中的设计反应谱法是经过简化的经验设计方法,未充分考虑地质、场地条件等影响,分析处理了遍布日本超过1400组KiK-net强震数据,分别按照中国水工建筑物抗震设计规范(DL5073-2000)和欧洲抗震规范(Eurocode 8)的场地分类方法进行分类,得到不同场地条件的平均反应谱曲线,对平均反应谱曲线进行标定,并与规范中的设计反应谱对比,提出设计反应谱修改优化的建议。结果表明,场地条件主要对反应谱的特征周期、平台段高度、下降段的下降速率有影响;随着场地由硬变软,平台段高度逐渐降低,这与水工建筑物抗震设计规范和Eurocode 8中的规定有所不同;在长周期段,自振周期大的结构在软弱场地上受到的地震作用更大,加速度反应也大。

等效线性化方法计算深厚土层地震反应的可靠性研究

深厚土层地震反应计算是工程抗震以及地震安全性评价工作中的一个难点,基于等效线性化理论的一维土层反应分析方法是当前土层地震反应计算的主流程序,但后者对前者计算结果的可靠性缺少系统的认识。选取日本KiK-net强震观测台网中30个覆盖层厚度大于50 m的台站场地和台站所记录的1218条地震数据,采用DEEPSOIL(DP)、LSSRLI-1(LS)、SHAKE2000(SHAKE)、SOILQUAKE(SQ)以及SOILRESPONSE(SR)等5款一维土层地震反应分析程序计算场地地表加速度及反应谱。通过标定加速度反应谱的3个特征参数(即峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)、特征周期T_(g)和平台值β_(max))的计算值与实测值对比,评估5款土层反应计算程序的可靠性。分析结果表明:5款程序中SR计算PGA的准确率最高,SQ最低;T_(g)的计算结果各程序间差别不明显,SQ的准确率略高于其他程序;5款程序计算β_(max)的准确率基本无差别。计算特征参数准确率随着参数相对误差水平的增加而增大。分析结果可为采用等效线性化方法计算深厚土层场地地震反应的可靠性评价提供依据。

最大卓越周期估算震级方法的优化研究

震级估算是地震预警系统(EEWs)的核心任务。基于最大卓越周期参数(τ^(p)_(max))的震级估算方法被广泛研究和应用,但τ^(p)_(max)计算细节被忽视,导致τ^(p)_(max)的震级估算效果存在较大的差异。为此,利用日本的大量井下强震记录,对τ^(p)_(max)计算涉及的滤波范围、滤波阶数和平滑系数的设置进行优化,提出了τ^(p)_(max)的优化计算方法,即滤波范围选用高通0.001 Hz,滤波阶数为1阶,平滑系数取0.95。利用日本和智利的初至3~6 s P波对比分析优化后的τ^(p)_(max)和优化前的τ^(p)_(max)以及c的震级估算效果,结果表明:优化后的τ^(p)_(max)与震级的相关性和震级估算的误差均好于优化前的τ^(p)_(max)和c。本文给出的τ^(p)_(max)优化计算方法,可以显著地改善τ^(p)_(max)在EEWs中的震级估算效果。

利用强震记录估计场地放大效应的一种方法

选取了KiK-net井下台阵的73个台站的262组加速度记录,每组数据均包括各台站对应的地表和孔底基岩记录,共计524条加速度记录,建立了相应的73个场地的一维土层模型,采用shake91软件进行了一维土层等效线性化地震反应计算。首先分别由孔底加速度记录通过正演计算得到地表加速度和露头基岩加速度,由地表加速度记录反演计算得到露头基岩加速度;然后根据场地地震响应放大倍数的定义,即地表有效峰值加速度除以露头基岩有效峰值加速度,分别得到了各类场地正、反演计算结果的放大倍数统计值,并取正、反演结果的平均值作为场地最终放大倍数;最后给出了场地有效峰值加速度的调整系数。结果可以作为结构抗震设计中地震动参数选取的参考。

基于不同基岩深度反演地震动的比较

从KiK-net台阵网中选取了属于Ⅱ类和Ⅲ类场地的39个台站,并收集了相应的钻孔资料。对应于每一个钻孔,假定了2个地震波输入基岩界面,一个为规范规定的基岩面(剪切波速大于等于500 m/s,称为输入面1),另一个为钻孔底部的岩石面(实际剪切波速远大于500 m/s,称为输入面2),分别建立了一维土层模型。采用一维土层地震反应分析的等效线性化方法,由地表加速度记录反演计算了基岩输入界面1和界面2的地震动,分别计算了界面1和界面2的峰值加速度PGA比值和有效峰值加速度EPA比值。经比较,在不同的地表地震动强度输入下,无论是Ⅱ类还是Ⅲ类场地,界面1和界面2的PGA比值和EPA比值基本上介于1.0~3.0之间。显然,基岩输入面越深,剪切波速越大,地表加速度放大效应越明显,基岩输入面的选取对地表地震动有很大影响。

现有等效线性化分析程序在实际软场地计算结果方面的比较

SHAKE2000和LSSRLI-1分别是目前国外和国内广泛使用的两种一维等效线性化土层地震反应分析程序，分析二者之间的异同性及其与实测记录的差异程度，可为改进土层地震反应分析方法提供基础。收集整理了日本KiK-net台网中17个软场地（Ⅲ、Ⅳ类场地）39次地震的基岩及地表地震动记录，其中基岩加速度峰值在6∽214Gal之间，土层非线性取3种情况，采用SHAKE2000和LSSRLI-1两种程序分别进行了土层地震反应计算，从地表峰值加速度、加速度反应谱、加速度反应谱谱值比以及土层最大剪应变4个方面进行了对比计算。研究表明：当土体非线性不强时，SHAKE2000和LSSRLI-1计算出的PGA结果差异多数可忽略，计算出的土体剪应变最大值误差也多数小于20％；当土体非线性较强时，仅有少数差异可忽略，计算出土体剪应变最大值误差则多数大于20％；SHAKE2000的结果和LSSRLI-1与实测峰值加速度和反应谱多数情况下差异较大，土体弱非线性下LSSRLI一1结果稍好于SHAKE2000的结果，土体非线性较强时SHAKE2000的结果要好一些。

场地PGA放大系数与场地特征参数相关性及地震动快速评估方法研究

场地地震动PGA放大系数是重大工程地震预警、烈度速报技术及结构抗震设计地震动输入的基础。搜集整理日本Kik-net台网239个Ⅱ场地台站的地震记录,以场地覆盖层厚度D、场地特征周期T、场地v_(s30)以及场地等效剪切波速v_(se)为场地特征参数,以井下记录PGA为地震动强度指标,研究场地PGA放大系数F_(PGA)与场地特征参数之间的相关性;以地表PGA值40 Gal作为预警阈值,采用回归决策树CART方法建立了地震预警的特征参数组合标准。分析结果表明:场地F_(PGA)与场地覆盖层厚度D及场地特征周期T负相关,与场地vs30正相关,与vse相关性可忽略;F_(PGA)与场地特征参数的相关性随着场地地震动强度增大而增大;通过搜集的地震数据对基于CART分类方法建立的场地地震动预警参数指标进行回判检验,检验的总体成功率达到90.09%,其中不预警的成功率为93.64%,预警成功率82.68%。虽然地震动快速评估方法总体成功率达到90%以上,但仍存在5.61%偏于危险的"漏判",所以本文方法仍需要进一步的改进和完善。

基于实际记录的现有等效线性化分析程序对比研究

根据我国建筑抗震设计规范中场地的分类原则,确定日本KiK-net中台站的场地类别。运用SHAKE2000和LSSRLI-1对不同类别场地的峰值加速度、反应谱、剪应变等进行计算,给出Ⅰ~Ⅳ类场地的计算结果,并将计算结果进行汇总后进行对比分析,得到不同场地条件下SHAKE2000和LSSRLI-1计算结果的差异以及计算结果与实测记录之间的差别。研究表明,土的动模量比、阻尼比的非线性以及场地类型对计算结果影响较大,Ⅰ、Ⅱ类场地中大多数情况下SHAKE2000和LSSRLI-1计算结果相差不大;Ⅲ、Ⅳ类场地中多数情况下SHAKE2000和LSSRLI-1计算结果相差不大。以实测记录为基准,SHAKE2000结果好于LSSRLI-1计算结果,特别是对于Ⅲ、Ⅳ类场地中,土体为强非线性工况而言,SHAKE2000结果要明显好于LSSRLI-1计算结果。初步分析表明,SHAKE2000与LSSRLI-1计算结果差异来自于计算剪应变的不同。

场地地震动水平/竖向谱比与地表/基底谱比 差异及修正水平/竖向谱比法研究

局部场地条件是决定场地地震动强度和频谱的重要因素,基于强震动和脉动记录的统计分析,获取表征场地条件影响的特征参数已成为确定工程场地设计地震动的较经济和实用方法,特别是对于大范围或难以开展现场勘测的工程场地。利用日本KiK-net台网强震动记录计算分析了台站场地地震动水平/竖向谱比(HVSR)与地表/基底谱比(SBSR)的差异,揭示SBSR/HVSR与HVSR呈对数线性分布的统计特征,并给出其定量关系,据此提出表征场地对地震动影响的修正水平/竖向谱比法。修正水平/竖向谱比法具有仅需地表观测记录的优势,并进一步考虑了场地竖向地震效应对水平/竖向谱比法精度的影响,更能合理地表征场地对地震动的影响。

NIED强震动数据管理分析系统的实现

KiK-net和K-NET是由日本防灾科学技术研究所(简称:NIED)负责维护管理的强震动台网。KiK-net和K-NET的观测设施广泛分布在日本全境,其中KiK-net在观测点同时安装地表及井下强震仪,进行对比观测,观测到的强震动记录直接发送到NIED的强震观测中心,通过网站(http://www.kyoshin.bosai.go.jp)对外公开共享。此外,还提供了观测井的地质钻孔柱状图和钻孔剪切波测试数据。该强震动数据库为世界各地研究人员推进地震各方面研究提供了宝贵资源。根据NIED规则,用户需要在NIED网站注册获得用户名和密码,并且确保数据用于本人研究。本文基于C#语言开发了软件系统。设置好用户名和密码,就可利用本文开发的软件系统自动下载KiK-net和K-NET数据,并存入或更新研究者的本地数据库,进而管理和使用本地的强震动数据,此外系统还集成了强震动数据常用的分析处理算法,提高研究人员的使用数据的效率。

场地条件校正的PGA放大系数简化估计方法

地表峰值加速度(peak ground-motion acceleration,PGA)是直观反映地震动强度的一个物理量,概念清晰且工程应用方便.场地条件校正的PGA及其校正方法是特定工程抗震设计需要解决的问题.为此,选取日本具有地表和井下记录KiK-net台网的32个台站及地震数据,通过对实测地震数据分析,提出了一种场地校正的PGA放大系数(f_(PGA))的简化估计方法.该方法通过数据回归给出f_(PGA)概率密度函数参数与场地特征参数线性组合之间的线性和二次函数形式的拟合公式;并采用f_(PGA)概率预测模型,提出了多超越概率水平地表PGA值的预测方法.数据分析结果显示:场地f_(PGA)具有随机不确定性,可以采用对数正态分布函数模拟,其概率密度函数的参数(均值和标准差)与单一场地特征参数相关性较小,但与场地特征参数的线性组合相关性较大.模型预测值与实测数据吻合较好,验证了简化估计方法的可行性.

沿深度方向地震动相干函数影响因素分析

基于KiK-net台网强震记录,探讨震级、震中距、场地类别及测点高差等对沿深度方向相干函数的影响规律。结果表明:①水平分量的相干函数值随频率变化规律相同,竖向与水平分量间的差异较大;相干函数值随频率和测点高差的增加而减小;Ⅲ类场地较之Ⅰ,Ⅱ类场地,所记录的相干函数值随频率增加而衰减的速度更快。②近场(R≤300 km)相干函数值大于远场(R>300 km);震级对相干函数的影响规律不明显;不同场地记录沿深度方向地震动相干性不同,建议选用王招招模型描述Ⅲ类场地地震动相干性,Harichandran模型描述Ⅰ,Ⅱ类场地地震动相干性。③基于日本“3·11”地震记录拟合得到了按震中距分段的相干函数模型参数值。