能量等效速度谱衰减分析及在设定地震中的应用

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1、水利学报年月第卷第期文章编号能量等效速度谱衰减分析及在设定地震中的应用钟菊芳胡晓吴胜兴河海大学土木工程学院江苏南京中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心北京摘要利用我国大陆与北美大陆在地震构造地震成因地震活动特点等方面的相似性依据美国西部基岩强震记录资料建立了适用于我国大陆的能量等效速度谱衰减关系式分析了震级震中距对能量等效速度谱的影响规律分析表明水平和竖向分量能量等效速度谱随震级的增加和距离的减小而增加谱的卓越周期随震级的增加而增加同时将能量等效速度谱应用于设定地震的确定提出了按周期点能量等效速度谱确定工程场址设定地震的方法并将该方法应用于新疆克孜尔坝址地震动参数的确定得到了坝址年超越概

2、率为的设定地震及相应的设计反应谱由于基于能量等效速度谱的设定地震方法同时考虑了地震动幅值频谱和持时的影响根据该方法确定的设计反应谱介于一致概率反应谱和规范反应谱之间克服了一致概率反应谱在中长周期处明显偏大的缺点从而验证了本文设定地震方法的合理性关键词能量等效速度谱衰减模型设定地震中图分类号文献标识码研究背景重大工程场地的地震动输入参数须根据专门的地震安全性分析结果来确定目前由概率地震危险性分析方法得到的一致概率反应谱综合了研究区内所有潜源的贡献量具有包络特征不是地震环境下真实样本的实现与实际地震反应谱相比它过高地估计了设计地震动的中长周期成分难于被工程界接受为了得到与场地相关具体地震的设计

3、反应谱国外学者和等探讨了用具体地震代替地震危险性分析结果的设定地震方法随后中国的高孟潭易立新陈厚群等研究者在他们的研究基础上进行了改进设定地震方法是以地震危险性分析为前提通过对某一场点的地震危险性分析确定设防概率下的地震动参数值找出对场点贡献最大的一个或几个潜在震源区在该潜在震源区内依据一定的原则找出可以在场点产生给定地震动参数值的具体地震事件求出相应的震级和震中距进而得到场点的设计反应谱和地震动时程现有的设定地震方法均以烈度峰值加速度或某一周期点的反应谱为参数没有考虑地震动持时对设定地震的影响不能保证设定地震结果与地震构造环境的危险一致性因大量的震害经验表明地震动的持续时间长短对结构响应

4、有明显影响即使峰值和频谱相同的地震动持时不同结构的地震响应也不同目前工程界普遍认为无论就地震动特征的全面描述还是抗震设计的合理要求而言地震动工程参数必须同时反映幅值频谱和持时的影响结构的地震反应不仅是地震动峰值的反应函数还是一个结构吸收和耗散能量的过程因而能量分析方法是一种能够较好地反映结构在强地震动作用下的非线性以及地震动三要素对结构抗震性能影响的方法目前基于能量的性态设计越来越受到地震工程学者的重视各国的研究者正在探讨如何将能量更为合理地应用到工程实际中去收稿日期基金项目科技部重大公益专项项目国家自然科学基金重大项目作者简介钟菊芳女江西龙南人博士工程师主要从事重大工程地震动输入机制研究

5、本文首先基于强震记录资料对能量等效速度谱进行衰减分析得到不同周期点能量等效速度谱的衰减关系式然后通过能量等效速度谱的衰减式将能量等效速度谱应用于设定地震的确定中得到同时考虑地震动幅值频谱和持时影响的设定地震方法最后将本文提出的设定地震方法应用于新疆克孜尔坝址地震动参数的确定能量等效速度谱的衰减分析强震记录资料的选取马宗晋在论述中国大陆地区地震活动时认为从地震基本成因环境看我国大陆所发生的地震属于欧亚板块内部板内地震类型即大陆地震构造系的地震大陆地震构造系横穿欧亚大陆和北美大陆绝大多数地震为发生在地壳内的浅源地震且以水平错动为主中国大陆与北美大陆在地震构造地壳组成现代应力状态及地震成因地震活

6、动特点等方面有一定的相似性两个地区地震记录的相互借用具有一定的构造基础利用美国西部地震记录进行衰减分析并将结果应用于我国大陆是可行的并且我国目前还缺乏足够的强震记录资料直接用于地震动参数衰减分析本文直接选用美国西部基岩强震记录资料进行统计分析在资料的选取过程中考虑到震级过小或距离过远的地震对工程结构的影响不大这里只选用大于震级震中距及峰值加速度?的记录资料共收集到满足条件的强震记录条其中水平条竖向条它们分属次地震个台站这些记录资料均来自于美国地质调查局校正后的加速度时程另外在水平记录的选取中同一台站的两个水平分量看成是相互独立的两条记录因通常这两个相互垂直的水平分量的地震动参数是不相同的这

7、样处理能更好地体现地震动随机变化的特性记录资料在震级震中距平面内的分布情况见图图美国西部记录资料在震级震中距平面的分布记录能量等效速度谱的计算有阻尼的单自由度体系的振动方程为式中为地面运动加速度为质点运动的相对加速度和速度反应为质点质量为阻尼系数这里只考虑阻尼比为的情况为恢复力将运动方程式对积分并整理得到能量平衡方程?式中为体系绝对加速度将绝对弹性输入能量表示为?这里定义能量等效速度为?的最大值即能量等效速度谱?采用类似