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汶川地震黄土场地地震反应特征分析

夏坤  
【摘要】:大地震不仅能使近断层区建(构)筑物产生严重震害,有时也可以使远离震中地区的结构因共振作用而产生显著的破坏现象,尤其是大型建(构)筑物,如高层建筑、核电站(厂)、海洋平台和大型水坝等长周期结构。这些结构对大震远场地震动较为敏感,它们的抗震设计对设计谱提出了新的要求,远场地震作用已成为工程抗震设计必须考虑的内容。在过去,由于受强震仪频带宽度范围的限制,难以从强震记录中获得真实可靠的长周期频谱信息,远场地震动通常是不考虑或不与普通地震动一同考虑。随着高性能数字强震仪的运用,抗震理论与方法的发展,对远场地震作用的研究和应用已成为可能。但由于远场地震动,特别是远场长周期地震动实测记录的缺乏,目前国内外对大震远场地震动特征的研究尚不成熟。远场地震动作为一种特殊的地震作用或现象,不同具体地震环境下的远场地震动特性也不尽相同。而深厚场地土层的滤波、放大作用也将使地震动长周期部分得到大大增强。2008年汶川地震对远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏,局部场地的震害和地震动放大效应显著,在该地区获取了较为丰富的远场强地震记录。研究场地整体处于黄土高原,除具有深厚覆盖土层显著特征外,黄土自身特有的多孔隙和弱胶结结构使之具有很强的软弱土动力灾变特性,表现出极高的动力易损性。黄土地区地形复杂,斜坡发育,高陡斜坡的上部边缘部位对震害的加重影响十分明显。近年来,地形地貌、土层厚度、土层结构对地表地震动的影响研究取得了实质性的进展,而水文地质条件对地震动的影响还不明确。本文在总结历史震害资料的基础上,以现场考察、测试与室内试验为手段,采用数值模拟计算与振动台试验相结合的方法,系统开展了汶川地震黄土场地地震反应特性研究。旨在了解大震远震区建筑破坏原因、规律与特征;对影响远震区震害的地震动特性、地形地貌特征、覆盖土层厚度、水文地质条件等主要因素,给出了一些定性或定量的分析;并结合实际震害特点,提出黄土地区建筑结构抗震及地震安全对策中一些值得注意的问题。具体工作如下:(1)收集整理了近年发生的著名大地震的震害资料,对远震区高层建筑震害进行对比,探讨远场高层建筑的震害特征、分析破坏原因、总结经验教训,找出影响远震区高层建筑破坏的关键因素,抓住这些关键因素,也即明确了本文的研究内容。(2)对汶川地震部分台站记录进行分类统计,研究了地震动峰值、反应谱及持时随传播距离及场地条件的变化规律,明确了远场地震动峰值、反应谱及持时的特征,指出了当前设计谱存在的不足,探讨了考虑远场地震作用设计谱的修正问题。(3)以汶川地震文县斜坡为典型实例,应用地形台阵对地震余震情况进行观测,采用传统谱比法对观测到的12次余震记录进行统计分析,探讨了斜坡地震动峰值及反应谱随高程的变化规律;并利用有限元软件进行了5种不同坡角斜坡模型的计算分析,找出了不同角度斜坡动力响应随高程的变化规律。(4)以汶川地震典型黄土塬场地为对象,应用大型振动台设备进行了3种不同覆盖层厚度的黄土塬场地动力响应模拟试验,并以振动台试验数据和震害实例为基础,利用有限元软件完成了4种不同覆盖层厚度黄土塬模型的计算分析,重点研究了黄土塬场地地表加速度响应随覆盖层厚度及地震动强度的变化规律。(5)以实际场地为例,分别构造了10个不同地下水位和11个不同地表水位的黄土场地计算模型,选用三个概率水准下的9条地震加速度记录作为输入地震动,采用一维等效线性化波动方法,共进行了189种不同组合的土层地震反应分析计算,总结了地下水上升和地表水下渗对典型黄土场地地表加速度峰值和反应谱的影响规律。本文的研究对于更加科学和合理地确定黄土地区建设工程场地的设计地震动参数具有重要的参考意义,对于提高该地区的抗震设防能力起到了积极的科学指导作用。


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