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速度脉冲提取与夹杂对地震动的影响研究

李晓轩  
【摘要】:在近断层地震动中存在大量脉冲记录,速度脉冲对长周期结构具有显著的影响,因此速度脉冲引起了地震学家和工程师的共同关注。夹杂和夹层等复杂场地在不同频率下对地震动具有放大效应或屏蔽作用,在建筑物的选址与抗震设防时应该注意其影响。本文在前人研究基础上建立一个能够较好拟合脉冲记录的脉冲幅值、脉冲周期和半脉冲个数及其相位的数学模型,初步研究三维垂直入射夹杂和夹层对地震动的影响,以及夹杂和夹层对典型速度脉冲的脉冲特性的影响。主要结论如下:(1)结合前人对速度脉冲提取方法的研究,建立一个新的脉冲模型数学表达式,可拟合形态各异的速度脉冲,并给出与之相适应的速度脉冲辨别指标。利用NGA、汶川地震和鲁甸地震中的脉冲记录,比较了本文方法与Baker小波法的结果,研究表明本文提出的脉冲模型数学表达式的拟合结果能够较好的反映原速度记录中的脉冲特性,且可用在提取速度脉冲后的残余能量比(Energy ratio)作为脉冲型地震动的判别指标。(2)利用三维有限元方法和传递函数,研究了夹杂的尺寸、阻抗比、埋深以及两个夹杂间距对地震动的影响规律。研究表明:同一频率下,受夹杂影响最大点位于平行于入射波振动方向且过夹杂形心的直线上。低于屏蔽作用的起始频率时,受软夹杂影响最大的点位于夹杂两侧;高于屏蔽作用的起始频率时,受软夹杂影响最大的点是形心。某频率下放大效应区域长轴长度大约是该频率对应的波长。随着夹杂尺寸的增大,受夹杂影响最大点到形心的距离增大;在软夹杂中,形心处传递函数的增长程度最大;在硬夹杂中,形心处传递函数的减小程度最大;软夹杂放大效应和屏蔽作用和硬夹杂屏蔽作用的起始频率都减小;放大效应起始频率到屏蔽作用起始频率的区间减小。随着阻抗比的增大,软夹杂放大效应和屏蔽作用的起始频率增大,硬夹杂屏蔽作用起始频率减小;放大效应起始频率到屏蔽作用起始频率的区间增大。随着埋深的增加,软夹杂放大效应和硬夹杂屏蔽作用的起始频率增大;硬夹杂安全区域长轴长度增大;软夹杂危险区域长轴长度减小;软夹杂形心处传递函数的减小程度最小。硬夹杂主要起到屏蔽作用,对远离夹杂区域的放大作用可以忽略。当波长小于两个夹杂的间距时,二者基本互无影响。受夹杂影响最大的区域位于它们之间,其影响程度随着间距的增大而减小。随着间距的减小,软夹杂放大效应和硬夹杂屏蔽作用的起始频率减小,而软夹杂的屏蔽作用的起始频率不变。(3)三维单一夹杂和实际复杂夹层对速度脉冲的影响表明,随着夹杂尺寸b变大,PGV和脉冲幅值的变化也在增大,当夹杂尺寸大到可视为夹层时,PGV和脉冲幅值的变化会非常明显,但脉冲周期几乎不变。


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