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《中国地震局工程力学研究所》 2010年
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近断层地震动的上/下盘效应研究

王栋  
【摘要】: 近断层地震动由于其自身不同于远场地震动的特征以及对工程结构产生的严重破坏,成为近年来工程地震界的研究热点。近断层地震动的影响因素众多,除受常规的震源、路径以及场地条件影响外,还与上/下盘效应和破裂方向性效应密切相关,两者对近断层地震动的峰值、频谱、持时以及空间分布产生重要的影响。尤其是发生在倾斜断层上的地震,比如北岭地震、集集地震以及汶川地震,上/下盘效应对近断层地震动的影响更加突出,位于断层两侧即上下盘的近断层地震动存在较为明显的差别。因此充分认识近断层地震动上/下盘效应,对于因地制宜的采取工程结构的抗震措施具有重要意义。以往研究虽然对上/下盘效应有所涉及,但还不够系统深入。本文全面细致的比较了近断层上下盘地震动的差别,即近断层地震动上/下盘效应的特征、产生的原因以及影响因素。通过对近断层地震动的数值模拟和实际地震的强震数据分析两个方面,从地震动的峰值、频谱以及持时三个角度系统的分析了加速度、速度以及位移的三分量的上/下盘效应的基本特征,并从本质上揭示了上/下盘效应产生的原因,深入具体地剖析了上/下盘效应的影响因素。本文研究的主要内容和结论如下: 1.基于北岭地震和集集地震的强震记录,系统地分析了上/下盘效应对近断层地震动峰值、频谱和持时的影响。研究表明:①断层距在30公里以内的上盘地震动峰值(加速度峰值PGA、速度峰值PGV和位移峰值PGD)大于该距离范围内地震动峰值的平均水平,上/下盘效应对PGA、PGV及PGD的影响依次减弱。②断层距在30公里以内的上盘反应谱值(加速度、速度以及位移反应谱值)在较宽的周期范围上(周期小于4s)明显大于该距离范围内的反应谱值的平均水平。③断层距在30公里以内的上盘地震动持时略小于该距离范围内地震动持时的平均水平。④上/下盘效应对平行断层走向分量(Fault Parallel,FP)、垂直断层走向分量(Fault Normal,FN)和竖向分量(UP Down,UD)地震动的影响依次减弱。 2.比较了常见的观测点到断层面的距离标准,引入了均方根距离的定义,分析了上/下盘效应产生的原因。研究表明:①具有加权平均意义的均方根距离不同于常见的断层距、Campbell距离、震源距和震中距等距离标准,可以准确地描述观测点到断层面的整体靠近程度及倾斜断层的不对称程度。②使用均方根距离对地震动参数进行回归时,近断层地震动的上/下盘效应不明显,可以忽略其影响。③近断层地震动的上/下盘效应是由于具有相同断层距的上下盘观测点,上盘观测点在整体上距离断层破裂面较近即上盘观测点的均方根距离较小引起的,即上/下盘效应是由倾斜断层的不对称分布引起的几何效应。 3.数值模拟了不同断层模型下逆断层型地震近断层地震动的上/下盘效应,分析了各种震源参数包括断层倾角、断层的上界埋深、断层的破裂速度、断层的破裂初始位置以及震级对上/下盘效应的影响。以下分别进行说明: (1)对于倾斜的逆断层型地震,上/下盘效应对地震动峰值、反应谱和持时影响的基本特征:①上盘地震动峰值(PGA、PGV及PGD)大于具有相同断层距的下盘观测点的地震动峰值。上/下盘效应对UD、FP和FN分量的影响依次减弱,上/下盘效应对PGA,PGV和PGD的影响依次增强,影响的强弱表现在两个方面:一是上、下盘地震动峰值差别的大小;二是上下盘峰值比大于1的区域(即上/下盘效应影响区域)的大小。②上盘三分量加速度反应谱值明显大于相同断层距下盘观测点的反应谱值。上/下盘效应对长周期的加速度反应谱值影响大于短周期;上/下盘效应对三分量的影响程度因周期值的不同而不同。③上盘三分量加速度持时明显小于相同断层距的下盘观测点的加速度持时,随着断层距的增大上下盘加速度持时的差别先增大后保持不变。上/下盘效应对三分量加速度持时的影响大致相当。 (2)断层的上界埋深对上/下盘效应的影响:①上界埋深对地震动峰值的上/下盘效应的影响因地震动分量和PGA,PGV和PGD的不同而不同,但是总体来说,上/下盘效应对地震动峰值的影响随着上界埋深的增大而增强,表现为上下盘地震动峰值比增大且上/下盘效应影响区域向远离断层破裂迹线的方向扩展。②上界埋深对反应谱值的上/下盘效应的影响因地震动分量和周期值的不同而不同,但是总体来说,上/下盘效应对加速度反应谱值的影响随上界埋深的增大而增强,埋深的变化对短周期加速度反应谱值的上/下盘效应影响比长周期强。③断层上界埋深对加速度持时的上/下盘效应的影响因断层距的不同而不同,在靠近断层区域(断层距小于20km)随着上界埋深的增大上下盘持时的差别减小,而在远离断层的区域随着断层上界埋深的增大上下盘地震动持时差别增大。 (3)断层倾角对上/下盘效应的影响:①断层倾角对地震动峰值的上/下盘效应的影响因地震动分量和PGA,PGV和PGD的不同而不同,但是总体来说上/下盘效应对地震动峰值的影响随着断层倾角的减小逐渐增强,表现为上下盘地震动峰值比增大且影响区域向远离断层破裂迹线的方向扩展。②断层倾角对反应谱值的上/下盘效应的影响因地震动分量和周期值的不同而不同,但是总体来说,上/下盘效应对加速度反应谱值的影响随着断层倾角的减小逐渐增强,断层倾角的变化对短周期加速度反应谱的上/下盘效应影响比长周期强。③随断层倾角的增大上下盘加速度持时的差别减小。 (4)断层的破裂速度对上/下盘效应的影响:①破裂速度对地震动峰值的上/下盘效应的影响因地震动分量和PGA,PGV和PGD的不同而不同,总体来说随着破裂速度的增大,上/下盘效应对地震动峰值的影响略有增强,表现在上下盘地震动峰值比增大。②破裂速度对加速度反应谱值的上/下盘效应的影响因地震动分量和周期值的不同而不同,总体来说随着破裂速度的增大,上/下盘效应对加速度反应谱值的影响略有增强,表现在上下盘加速度反应谱值比增大。③随着断层破裂速度的增大上下盘加速度持时的差别增大。④在超剪切破裂状态下(破裂速度大于剪切波速)的PGA的上/下盘效应比亚剪切破裂状态下的明显,而PGV和PGD的上/下盘效应不如亚剪切破裂状态(破裂速度小于剪切波速)下的明显;超剪切破裂状态下的短周期加速度反应谱值的上/下盘效应比亚剪切破裂下的明显,而长周期加速度反应谱值的上/下盘效应不如亚剪切破裂状态下的明显。 (5)断层的初始破裂位置对上/下盘效应的影响:破裂起始点沿平行断层走向方向的位置变化对近断层地震动的上/下盘效应的影响不明显,而其沿断层下倾方向的位置变化对上/下盘效应的影响显著,主要表现在:①上下盘地震动峰值的差别当破裂起始点位于断层上界时最大,位于断层下界时次之,位于断层下倾方向中心时最小。②上下盘短周期加速度反应谱值的差别随破裂起始点的变化规律与地震动峰值相同;上下盘长周期加速度反应谱值的差别随着破裂起始点由断层上界向下界的移动而逐渐减小,而且上/下盘效应的影响区域向远离断层破裂迹线的方向扩展。③随着破裂初始点由断层上界向下界的移动,上下盘加速度持时的差别逐渐增大。 (6)震级(断层宽度)对上/下盘效应的影响:①震级对地震动峰值的上/下盘效应的影响因地震动分量和PGA,PGV和PGD的不同而不同,总体来说震级的增大使得上下盘地震动峰值差别增大,且上/下盘效应的影响区域向远离断层破裂迹线的方向扩展。②震级对加速度反应谱值的上/下盘效应的影响因地震动分量和周期值的不同而不同,随着震级的增大上下盘加速度反应谱值比增大,上/下盘效应的影响区域向远离断层破裂迹线的方向扩展。③随着震级的增大,上下盘地震动持时差别增大。 (7)利用均方根距离对比了上/下盘效应的影响因素,发现影响断层不对称分布因素如断层上界埋深、断层倾角以及地震震级也是上/下盘效应的主要影响因素,进一步验证了上下盘效应是由倾斜断层的不对称分布引起的几何效应。 4.数值模拟了倾斜的走滑型和正断层型地震的上/下盘效应,并研究了断层类型对上/下盘效应的影响。研究表明:①走滑型地震,地震动峰值和加速度反应谱值的上/下盘效应表现在UD,FN和FP三个分量;逆断层型和正断层型地震,上/下盘效应主要表现在FP和UD两个分量。②对于地震动峰值和加速度反应谱值的上/下盘效应,走滑型地震最为明显,其次为逆断层型地震,再次为正断层型地震。表现在上下盘地震动峰值比和加速度反应谱值比以及上/下盘效应影响区域的大小按照走滑、逆冲和正断层型地震的顺序依次减小。③对于地震动持时的上/下盘效应,正断层和逆断层型地震比走滑型地震明显。 5.利用汶川地震的强震观测记录,分析和总结了汶川地震近断层地震动的上/下盘效应特征,并比较了汶川地震的强地震动参数与国内外现有衰减模型的差别。研究表明:①汶川地震的近断层地震动上/下盘效应对地震动峰值的影响主要体现在加速度峰值PGA,而对速度峰值PGV和位移峰值PGD的影响不明显。②汶川地震的近断层地震动的上/下盘效应对反应谱值的影响表现在短周期,即周期小于0.5秒的加速度反应谱值,而对长周期加速度反应谱值影响不明显。③汶川地震的近断层地震动的上/下盘效应对地震动持时的影响主要表现在加速度持时,而对速度和位移持时的影响不明显。④与国内外地震动参数的衰减模型相比,汶川地震的短周期(周期小于0.5s)地震动明显大于预测值,而长周期(周期大于1s)地震动明显小于预测值。
【学位授予单位】:中国地震局工程力学研究所
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:P315

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【引证文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王栋;温瑞智;谢礼立;;上/下盘效应的影响因素[A];第八届全国地震工程学术会议论文集(Ⅰ)[C];2010年
2 谢俊举;温增平;李小军;黄隽彦;;汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性[A];中国地震学会第14次学术大会专题[C];2012年
3 贾俊峰;欧进萍;;近断层竖向地震动对斜拉桥地震反应的影响[A];第八届全国地震工程学术会议论文集(Ⅰ)[C];2010年
4 张忠辉;邱俊刚;刘润田;王卓;;留矿空区残矿回收与老空区治理[A];2010全国采矿科学技术高峰论坛论文集[C];2010年
5 郭恩;周锡元;;近断层地震动速度大脉冲对典型结构影响的概述[A];第19届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ册)[C];2010年
6 陈波;谢俊举;温增平;;汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析[A];中国地震学会第14次学术大会专题[C];2012年
7 曹祥海;;无底柱分段崩落法下盘地压的研究[A];第二届全国岩石动力学学术会议论文选集[C];1990年
8 倪培;田京辉;朱筱婷;郑翔;顾连兴;凌洪飞;姜耀辉;;江西永平块状硫化物型铜矿床的下盘矿化的流体作用[A];全国包裹体及地质流体学术研讨会论文摘要[C];2002年
9 王海臣;;折腰山深部主矿体下盘盲矿体的勘探[A];中国矿山地质与西部矿山资源开发研讨会论文集[C];2001年
10 卢世宗;笪盍;;东北某露天矿边坡岩体位移监测与变形机制分析[A];滑坡监测技术讨论会论文汇编[C];1988年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 江其勤 吕俊祥;逆冲断层下盘圈闭应引起重视[N];中国石化报;2004年
2 石竹;主力力挽狂澜新锐专攻下盘[N];科技日报;2002年
3 罗鼎;下盘渠道的“手筋”[N];中国高新技术产业导报;2003年
4 王会赟 谢明明;单场足彩月底登陆广东[N];南方日报;2006年
5 清徐县交通局 牛培铭;桥梁转体施工工艺[N];山西科技报;2002年
6 何立强;春情春韵万众游津城[N];中国旅游报;2004年
7 吕宝垒;让VB6运行前自动存盘[N];电脑报;2003年
8 许艺川;烈日下——访教练韩洋[N];围棋报;2005年
9 ;沪铜 跳低调整[N];期货日报;2003年
10 记者 李文清 通讯员 闫芳;尕斯N1—N21油藏下盘南区开发取得突破[N];中国石油报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王栋;近断层地震动的上/下盘效应研究[D];中国地震局工程力学研究所;2010年
2 李明;近断层地震动对结构抗震设计的影响研究[D];中国地震局工程力学研究所;2010年
3 申彦利;基于概率的近断层地震作用下结构抗震性能评估[D];北京交通大学;2010年
4 郭恩;近断层强震地面运动的研究[D];北京工业大学;2011年
5 贾俊峰;桥梁三维隔震分析与试验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
6 刘启方;基于运动学和动力学震源模型的近断层地震动研究[D];中国地震局工程力学研究所;2005年
7 文波;配电楼—电气设备系统的地震反应及减震控制研究[D];西安建筑科技大学;2008年
8 郭晓云;汶川地震反应谱研究[D];中国地震局工程力学研究所;2011年
9 贺秋梅;地震动的速度脉冲对结构反应及结构减隔震性能影响研究[D];中国地震局地球物理研究所;2012年
10 石玉玲;地裂缝作用下桥梁与房屋基础灾变机理模型试验研究[D];长安大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王伟;近断层地震动的频谱特性和能量谱分析[D];大连理工大学;2010年
2 张长庚;近断层地震动的分形特性分析[D];大连理工大学;2011年
3 范俊伟;近断层地震动作用下大型变电站隔震控制研究[D];西安建筑科技大学;2012年
4 刘毅;近断层地震动的需求谱和持时效应分析[D];大连理工大学;2012年
5 绳雯;近断层地震对基础隔震结构动力响应影响分析[D];北京建筑工程学院;2012年
6 彭磊;汶川地震上盘效应的研究[D];中国地震局工程力学研究所;2011年
7 鲍敏;近断层脉冲地震作用下简支梁桥反应分析[D];哈尔滨工业大学;2010年
8 李敏;地震动加速度反应谱与地震烈度的关系研究[D];中国地震局工程力学研究所;2010年
9 孔德成;近断层地震动下百米高墩桥梁抗震性能[D];大连海事大学;2009年
10 李艳;金山店铁矿塌陷区回填体力学状态分析及采场回采顺序优化[D];武汉科技大学;2012年
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