跨断层工程输入地震动模拟及地震响应

为解决跨断层结构输入地震动的问题,揭示其地震响应规律,基于断层物理模型并引入等效脉冲函数,构建考虑地震动空间变化特征的转换矩阵,提出一种高、低频叠加的混合模拟方法,实现断层两侧输入地震动的模拟。首先,依据建立的桥址场地断层模型,采用随机有限断层方法生成目标点位的高频地震动;再由走滑断层两侧地震动的脉冲效应和永久位移的特征,采用不同的等效脉冲模型分别模拟断层平行向和法向的低频脉冲分量,两者在截止频率处采用Butterworth滤波器进行高通和低通滤波,依据场地模型以及走滑断层两侧地震动的空间相干性,建立转换矩阵以模拟其空间变异性,最终将匹配滤波后的高、低频分量在时域叠加得到断层两侧的输入地震动。从时程、频谱以及结构响应三方面验证了模拟结果的合理性。以实际的跨断层悬索桥为研究对象,基于OpenSees建立全桥的三维有限元模型,采用模拟的断层两侧地震动进行动力时程分析。研究结果表明:桥梁跨断层的角度和位置,以及永久位移幅值对跨断层桥梁地震响应有显著影响,较大的残余内力和残余位移是造成跨断层桥梁破坏的重要原因。

地震动持时对工程结构地震反应影响研究进展

地震动工程特性由幅值、频谱与持时三大要素决定,三个要素共同决定了地震动对工程结构破坏作用,工程结构抗震设计与评估等应全面考虑三个要素综合影响。目前来看:关于幅值及频谱的研究成果已广泛应用于各类工程抗震设计与评估,但关于地震动持时这一要素,国内外至今尚无明确的考虑方式和相应设计与评估技术,或考虑相对笼统。部分规范仅在结构地震反应时程分析方面做出了简单规定,尤其是用于确定地震荷载的抗震设计谱,几乎没有反映地震动持时对结构的影响,这远远不能满足性态及韧性等先进抗震方法对地震动作用的迫切需求。因此,关于地震动持时特性及其对工程结构地震反应影响的研究,近期成为一个热门研究课题。本文主要回顾和评述了地震动持时对工程结构地震影响的研究进展,并根据国内外研究现状对地震动持时研究进行了展望,可供分析地震动工程特性及其对结构的影响参考。

基于地震动预测残差分析的工程场地分类标准检验与评价

各国抗震设计规范采用不同的指标定义场地分类标准,以中、日、美三国的标准最具有代表性,其能否合理体现相同类别内场地放大的集中性、不同类别间场地放大的差异性鲜见有研究开展检验与评价。针对此问题,利用日本KiK-net台网的强震动记录和台站的钻孔资料,分别以三国分类标准划分台站场地类别,基于地震动预测残差分析方法计算台站的真实场地放大因子,比较分析不同分类标准、不同场地类别的场地放大因子均值及标准差分布情况。得到如下结论:在PGA和SA的短周期段(T<0.1 s),以场地自振周期TS作为分类指标的日本规范没有体现出不同类别间场地放大效应的差异性,以地表20 m内等效剪切波速VSE及覆盖层厚度双指标的中国规范和以地表30 m以内平均剪切波速VS30为指标的美国规范均能较好地反映不同类别间场地放大效应的差异性;日本规范在整体上体现相同场地类别内场地放大的集中性方面表现最好,对于长周期(T>2 s)地震动,中国规范则表现最优越;中国III类场地对中长周期地震动的放大体现出较大离散性,分类标准合理性还需要进一步深入分析。研究结果可为改进场地分类方法提供理论参考。

跨断层工程输入地震动模拟及其应用研究进展

跨越活动断层的桥梁和隧道等工程结构面临巨大的地震风险,断层破裂产生的脉冲效应和永久位移是造成跨断层结构破坏的主要原因。研究跨断层工程的地震响应并采取相应的抗震设防措施显得十分重要,而合理的地震动输入是揭示跨断层结构地震破坏机理的基础。但目前缺乏跨越断层两侧的实际地震动记录,各类规范也没有提供合理的面向跨断层工程的输入地震动的模拟方法。为了分析跨断层工程输入地震动的研究现状,文中总结了相关研究提出的断层区域地震动的几种模拟方法,重点对基于脉冲函数和基于断层物理机制的方法进行详细介绍,分析其特点和存在的问题;综述了在上述方法模拟的断层地震动激励下跨断层梁式桥、缆索承重桥梁的地震响应特征。结果表明:断层地震动非常复杂,模拟方法不仅需要考虑脉冲效应、上下盘效应以及永久位移特征,而且应合理地考虑断层两侧地震动的空间相关性和相干性,才能为跨断层工程提供合理的输入地震动。

黏滞与金属阻尼器协同工作于加固工程的减震性能研究

文章基于现有黏滞阻尼器和金属阻尼器的研究,以安徽某住院门诊楼实际加固项目为研究对象,提出单独布置黏滞阻尼器、单独布置金属阻尼器、混合布置黏滞与金属阻尼器的3种加固方案;开展各方案在多遇和罕遇地震下的动力时程分析,综合减震前后层间位移、最大加速度等参数,研究黏滞阻尼器和金属阻尼器协同工作减震性能的优劣;基于协同工作方案进一步分析加固后的能量耗散情况以及阻尼器滞回曲线,研究其在实际工程中的具体减震效果。结果表明:2种阻尼器同时应用于加固工程时,合理的混合布置方案对结构的减震效果有显著提升,并且可以利用2种阻尼器的耗能特性实现分阶段耗能,耗能表现优异。

工程场地抗震韧性评价指标体系

阐述了工程场地抗震韧性的概念;围绕稳定性和恢复力两个韧性特征,分析了场地条件及特征参数、地震危险性、地震地质灾害、工程对场地的功能要求、地震危险性分析能力、资源保障能力、应急管理能力等因素对工程场地抗震韧性的影响;在此基础上构建了工程场地抗震韧性评价指标体系。利用该评价指标体系,并借助合理的评价方法,可实现工程场地抗震韧性的定量评价。

地震模拟振动台在线迭代控制方法研究

地震模拟振动台试验多采用离线迭代控制(ICS)实现波形的高精度复现,然而,多次迭代将对易损试验体造成累积损伤,同时,非线性试验体连续变化的动力特性将导致离线迭代控制出现精度下降的问题。针对上述问题,提出了一种基于系统矩阵修正的高精度在线迭代控制方法(HRICS)。该方法利用地震动加载过程中的实测数据在线识别系统矩阵,进而选择修正策略,并采用矩阵精度评价指标评估系统矩阵识别精度,若满足精度要求,则采用基于帧或者频率点的修正策略更新系统矩阵,最终使响应信号能够高精度地复现目标波形。通过振动台模型试验验证HRICS方法的有效性,并通过数值模拟研究HRICS方法的在非线性试验体下的控制性能。试验结果表明:HRICS采用频率点修正策略能获得最佳的控制效果;HRICS方法对目标信号的再现精度明显高于ICS方法第一次迭代后的结果。

2023年积石山6.2级地震诱发大规模黄土液化流滑的特征与启示

2023年12月18日23时59分,甘肃省积石山县发生了6.2级地震,震中位于北纬35.7°,东经102.79°,震源深度10 km。本次地震在距震中约20 km的青海省海东市民和县永川乡金田村和草滩村二级阶地黄土台塬地貌下引发了长2.5 km的大规模液化流滑灾害,引起了国内外的高度关注。笔者在震后立即对该液化流滑灾害和地震动特征进行了现场联合调查,基于现场考察、无人机现场勘测、钻孔勘探、电法探测、参考历史同类灾害的前期研究成果等手段,初步查明了液化流滑的特征与机理。结果表明,该液化流滑是由于地震触发11 m深度以下地下水饱和的黄土层大面积液化,上覆土体随液化土体沿液化层带顺着2°~3.5°的缓斜坡方向流滑进入冲沟,然后,沿坡度为1.5°~5°的冲沟向下游继续流滑。在流滑过程中,液化土体中喷涌出的大量水与上覆土体中高含水率表层土中的水不断与流滑土体搅合揉搓使得流滑混合体在到达冲沟中下部的拦洪坝之前,已经演化为泥流。在遇到拦洪坝受阻漫溢到左右两岸的同时,泥流转而也进入了左侧另一条相邻冲沟一定距离,最终拦洪坝溃坝,泥流继续下泄到了金田村和草滩村,造成两村51户房屋被埋或冲毁,20余人死亡,泥流最终停止于两村下游约317 m处。并在结论中得到了评估与减轻此类灾害风险的启示。

2023年甘肃积石山6.2级地震中川乡液化流滑灾害调查及诱因初析

2023年12月18日甘肃省临夏州积石山县发生了6.2级地震,地震导致青海省民和县中川乡金田村和草滩村发生特殊的流滑灾害,其规模之大、灾害之重在国内外实不多见。通过实地考察,得出了地震土壤液化是此次流滑灾害诱因的结论,且此次灾害是近70 a以来首次具有现场实证性质的液化流滑型地震灾害。调查分析结果表明:流滑区上游滑源区地下土壤液化触发了流滑,中游流通区特殊的水文地质条件加剧了流滑的发展;土壤液化潜在多区、多源特性,即中游流通区存在疑似液化区;流滑区地震动强度较大,初步估计地震动峰值加速度值为0.4(±0.1)g。调查分析结果可为认识此次液化流滑灾害提供科学依据。

青海玛多7.4级地震桥梁工程震害特性分析

2021年5月22日青海果洛州玛多县发生7.4级地震,导致了显著的桥梁结构震害。本文基于现场调查,介绍了野马滩大桥、野马滩2号桥、黑河中桥、吾儿美岗大桥和雅娘黄河桥的典型震害特征。进一步结合地震断裂与桥位关系、地震台站的地震动记录与特性分析,初步分析了各桥的地震致灾要素和结构失效机理。野马滩大桥和野马滩2号桥整体划一的落梁震害可能系近断层法向的方向性效应所致;黑河中桥的结构轻微震害应系桥台的纵向约束作用,整个桥梁的纵向地震响应类似于整体式桥;吾儿美岗大桥结构南北方向的地震响应高于东西方向,同时减隔震支座与上、下部结构的有效锚固是发挥其减震耗能功效的必要保证;雅娘黄河桥未见水平方向地震作用所导致的显著震害特征,初步推断墩底的压溃破坏可能系震中竖向地震动所致。

基于LSTM网络的单台仪器地震烈度预测模型

烈度是地震预警系统的关键产出.如何实现快速预测目标场址的地震烈度是地震预警方法技术研究中的核心问题.本文提出了一种基于长短时记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的单台仪器地震烈度的预测模型(LSTM-Ⅰ).该模型以一个台站观测到地震动参数的时间序列特征为输入,实现动态预测该台站可能遭受的最大烈度.选取了日本K-NET台网记录的102次地震的5103条强震加速度记录训练了神经网络,利用89次地震的3781条数据检验了模型的泛化能力.利用准确率、漏报率以及误报率三个评价指标评价了LSTM-Ⅰ模型的性能.结果表明,当采用P波触发后3 s的序列进行预测时,模型出现漏报的概率为46.78%,出现误报的概率为1.25%;当采用P波触发后10 s的序列进行预测时,模型出现漏报的概率大幅降低到17.6%,出现误报的概率降低到1.14%.结果表明LSTM-Ⅰ模型很好把握住了时间序列中蕴含的特征.进一步基于LSTM-Ⅰ模型评估了Ⅵ度下台站所能提供的预警时间.本文模型能够提供的预警时间与P-S波到时差接近,说明LSTM-Ⅰ模型具有较高的时效性.

基础设施工程地震直接经济损失评估方法

现行的地震现场灾害损失评估中,基础设施工程损失是通过逐项调查并会同政府有关行业主管部门共同评定得到的,而基础设施工程包含多个系统,如供电系统、供水系统、通讯系统、交通系统、供气系统和水利工程等,因此,在一次地震中,要准确地估计基础设施工程结构的损失比建筑物损失的估计要更为复杂。为了快速地评估基础设施工程的地震直接经济损失,通过收集1993年到2005年震例中的基础设施工程损失,以建筑工程地震直接经济损失为基础,利用统计回归的方法得到基础设施工程直接经济损失值,为灾区整个直接经济损失的评估和灾后决策提供参考。

基于双对数正态分布的电瓷型电气设备地震易损性研究

总结了110 kV和220 kV典型电气设备的地震易损性曲线研究成果,考虑不同研究成果的离散性,基于双对数正态分布给出了抗震能力中值、随机性和不确定性建议值。进一步开展220 kV变电站系统的抗震性能分析,定量评价了变电站的功能性。研究结果表明:双对数正态分布可以较好地反映电气设备地震易损性的离散性,尤其是模型、方法等原因导致的不确定性。变电站系统的抗震能力低于电气设备的抗震能力,设计中应采取措施提高变电站的冗余性。变电站系统抗震性能与电气设备抗震能力中值正相关,与随机性和不确定性呈负相关。

一种新型南55渗透仪研制及工程应用

南55型渗透仪广泛用于测定细粒土渗透系数,结构简单,操作方便,但在原状土渗透试验中,由于环刀与试样之间密合不理想常引起侧壁渗漏,极大影响试验结果,甚至试验失败。为解决侧漏问题,通过采用对开环刀结构设计,研制了一种新型南55渗透仪,利用不透水的凡士林等膏状物充填试样与环刀之间的空隙,阻断侧漏通道,并在整体结构上沿用了南55渗透仪的基本框架,具有结构简单和操作方便的优点。同时,对测试结果可靠性进行了试验分析,结果表明,新型南55渗透仪有效解决了侧壁渗漏问题,测试的原状土渗透系数具有较高的精确度和稳定性,远高于南55型渗透仪,具备在实验室推广的前景。

分区分类的生命线工程地震直接经济损失研究

生命线工程的震害及损失评估工作对于震害防御和震后地震应急工作有着极其重要的意义。但是,生命线工程是一个复杂庞大的网络系统,目前对其开展的震害及损失评估研究工作存在着很大的局限性和不确定性。本文充分利用研究较多且较系统的建筑物震害及损失评估结果,结合历次典型历史地震震害中建筑物和生命线震害情况,通过分析建筑物损失和生命线工程损失的数量关系,建立二者之间的关联模型;通过对人口、GDP、土地利用等公里网格数据进行分析,给出中国大陆地区的分区分类原则,建立分区分类的生命线工程地震直接经济损失分析模型;基于GIS软件平台,开发了生命线工程地震直接经济损失分析模块,利用该模块,得出了四川省不同地震烈度下的生命线工程直接经济损失空间分布情况。

以大数据视角看地震工程研究

世界地震工程大会是地震工程领域的最大的盛会,参会人员数千人,论文集汇集了本领域重要研究进展,而2017年第16届会议的论文集收录论文数量达2130篇。为了从大量的会议论文中获得对地震工程领域的定量认识,本文用大数据分析的思路,对所有论文的标题进行搜索、统计与分析,建立不同国别、材料类别、部件或结构类别、力学性能指标、研究手段、灾种以及工程结构类型等条件下研究论文数量的分布情况,从一个侧面定量剖析了地震工程领域的研究现状,为今后科研方向和研究方法的确定提供参考。最后,进一步分析各项统计指标之间的关联性,选择出2010~2011年新西兰大地震后"低损伤"建筑的发展情况进行详细考察。

考虑地震动空间相关性及大震震源效应的烈度场插值方法

地震发生后,利用强震动观测数据快速生成合理的等震线图是地震烈度速报中的一项关键技术。基于震源参数及烈度衰减规律生成的烈度等震线过于规则,无法反映局部烈度分布特征;而直接采用观测数据通过插值生成的等震线无法合理反映大震的震源效应。为此,提出一种考虑地震动空间相关性及大震震源效应的烈度场融合克里金插值方法,利用点到点之间的距离来考虑烈度的空间相关性,利用点到源之间的距离来考虑大震的震源效应。首先,在克里金插值方法的框架下,使用粒子群优化算法实现半变异函数的快速自动拟合;其次,通过两种自变量不同的半变异函数拟合实现了对空间相关性和震源效应的考虑;最后,使用日本和中国地震数据的插值结果验证方法的合理性。结果表明,融合克里金插值方法获得的烈度等震线图形状规则,能反映出一次地震的震源效应,且对台站稀疏的情况有较好的适应性,满足地震烈度速报的要求。该方法可为地震烈度速报及地震烈度等震线的绘制提供技术支持。

基于机器学习预测模型的现地警报级别地震预警试验——以2022年9月5日四川泸定6.8级地震为例

2022年9月5日12时52分四川省甘孜州泸定县发生6.8级地震,造成严重的经济损失和人员伤亡.本文利用此次地震中台站记录到的强震动数据,离线模拟基于机器学习预测模型的现地警报级别地震预警方法.该方法首先构建基于支持向量机的震级预测模型与现地地震动速度峰值(peak ground velocity,PGV)预测模型,而后将每个台站的震级和PGV预测值分别与震级阈值5.7和PGV阈值9.12 cm·s^(-1)做比较,进而得到现地警报级别(0,1,2,3),并用于判断台站附近是否发生潜在破坏.其中,警报级别3为预测震级和预测PGV都超过了阈值,表明在该台站附近有潜在地震破坏且震级偏大.此次地震的离线模拟结果表明:使用P波到达后3 s时间窗,基于支持向量机震级预测模型的单台震级估计标准差为0.35、平均绝对误差为0.27;基于支持向量机PGV预测模型的现地PGV预测标准差为0.34、平均绝对误差为0.32;震级估计误差和PGV预测误差主要分布在±2倍标准差范围内.在不考虑数据打包与传输延时的条件下,地震烈度Ⅶ度区域内的触发台站在震后8 s几乎都发布了警报级别3.在此次地震的震后初期,基于机器学习预测模型的现地警报级别地震预警方法可以得到可靠的警报预测结果,并为中国地震预警系统升级提供了潜在参考.

甘肃积石山6.2级地震村镇建筑震害调查与分析

积石山地震对甘肃和青海部分地区房屋建筑造成了严重破坏。调查了地震烈度7度和8度地区的11个调查点的村镇建筑震害。震害调查表明:地震灾区主要为乡镇和农村地区,房屋结构类型主要为土木、砖木和未设防砖混结构;在烈度8度地区,土木结构房屋主要表现为严重破坏或倒塌破坏,砖木结构和未设防砖混结构房屋主要表现为中等破坏和严重破坏,设防砖混和钢筋混凝土框架结构房屋主要表现为轻微破坏和中等破坏;在烈度7度地区,土木结构房屋以中等破坏为主,砖木结构和未设防砖混结构房屋以轻微破坏和中等破坏为主,设防砖混和钢筋混凝土框架结构房屋以轻微破坏和基本完好为主。此次地震震害较同级别地震偏重,与震区复杂地形、地震动峰值放大效应、建筑砌筑质量差和结构受力不合理等因素相关。建议进一步开展复杂地形场地放大效应及频谱影响研究,重视建筑非结构构件抗震宣传与实用技术研发。

甘肃积石山地震村镇典型建筑震害及成因分析

2023年12月18日甘肃省临夏回族自治州积石山发生6.2级地震,此次地震造成了大量的村镇建筑破坏和倒塌,并造成了多人伤亡,是典型的“小震大灾”。文中总结了积石山地震中震区村镇建筑典型震害特点和规律,并结合建筑的结构类型、建造年代和是否具有抗震构造措施进行了典型案例分析,总结此次地震震损较为严重的原因:部分自建房屋为砖柱和土坯墙,二者缺乏有效连接,自身抗震能力差,这点从同一院落具有圈梁构造柱的房屋基本完好而不具备抗震构造措施的房子破坏严重可以说明;部分房屋不同层存在开间变化导致竖向传力不连续;结构存在大量平面布置不规则的情况;结构局部不完整或存在薄弱部位;农村自建房屋,按照工匠习惯建设,未考虑地震作用下的受力要求,需要建立质量监管体制机制。