与断层模型相关的近场地震动模拟及地形效应研究

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针对近场地震记录较少的现状,地震动模拟综合考虑了震源、传播路径和场地条件的影响,能够合成设定地震在场点产生的地面运动,为工程结构的动力时程分析提供可靠的输入地震动。在地震动模拟中,震源谱、断层模型以及地形特征对地震动的幅值和频谱特性有显著影响,有必要开展深入和系统的研究。这些研究对于提高地震动模拟结果的准确性以及模拟方法的工程应用价值具有重要意义。针对以上背景,本文围绕随机有限断层方法的震源谱、复杂断层模型对地震动模拟的影响以及边坡地形对地震动的放大作用这些方面,对近场地震动模拟及地形效应进行了系统性的分析和研究。本文的主要研究内容及结论如下:(1)针对随机有限断层方法提出了一种经验震源谱模型。以Masuda震源谱为基础,通过拟合模拟地震动与实际记录的反应谱,对不同断层类型的地震提出了模型参数与震级之间的经验关系。在此基础上,推导出模型参数关于断层已破裂部分地震矩的经验表达式。本文提出的震源谱模型能够表达断层上的不均匀滑动分布对震源谱幅值的影响。通过对比本文模型和基于动态拐点频率的Brune震源谱(MA05方法)可以看出,使用本文模型模拟的地震动参数平均误差在整体上小于MA05方法,说明本文方法对实际地震记录的模拟效果更好。最后,选取可靠的震源模型与输入参数,应用本文的震源谱模型和随机有限断层法模拟了 2013年芦山Mw6.6级地震和2017年九寨沟Mw6.5级地震的地震动。(2)针对复杂断层模型,提出了确定断层面上的破裂传播路径和传播时间的方法。在此基础上,使用不同复杂程度的断层模型,应用确定性-随机性混合方法模拟了 1999年Hector Mine地震的近场地震动。其中,高频与低频地震动分别采用随机有限断层法和离散波数法模拟。简化和复杂断层模型的模拟结果对比表明,使用复杂断层模型模拟的宽频地震动更符合近断层记录的波形、幅值和频谱特性。通过对比模拟结果的峰值参数(PGA和PGV)与地震动预测方程(GMPE)可以看出:使用复杂断层模型得到的峰值参数符合区域地震动衰减特征。(3)为了在地震动模拟中综合考虑土层放大作用和地形效应的影响,本文应用确定性-随机性混合方法模拟了 1995年Aigion地震的近场地震动。针对近断层台站AEG所在的边坡场地,应用有限单元法进行了 2D地震反应分析。其中,通过等效线性方法模拟了土层的非线性特性。模拟地震动和实际记录的对比表明:考虑自由场地条件时,模拟得到的AEG台站速度、位移与实际记录较为一致。但是,模拟地震动低估了地震记录的加速度幅值和短周期反应谱。经过场地反应分析后,AEG台站加速度幅值、反应谱与地震记录的一致性较好,模拟结果相比自由场地条件有显著提高。因此,对于不规则地形,在地震动模拟中需要充分考虑地形和土层的放大作用,计算结果才能符合实际地震动的峰值和频谱特征。(4)根据实际场地的钻孔剪切波速数据,建立了考虑分层土体的典型2D边坡模型。应用有限差分软件FLAC模拟边坡的地震反应,根据数值结果提取地形放大效应的指标参数,定量研究了特定边坡条件下近地表土体特性对地形放大作用的影响。最后,根据钻孔数据建立一组具有不同土体结构的2D边坡模型,进一步分析了地形放大效应与场地VS30之间的关系。特定边坡地形的数值模拟结果表明:相对自由场地反应,边坡地形主要放大了地震动的短周期成分(T<0.5 s)。在边坡的坡顶面,地形放大效应在距离坡顶点1/2坡高范围内最为显著,并且随着距离的增加逐渐减弱。随着场地Vs30的增大,地形放大作用的强度逐渐减弱。
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