汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析.pdf
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1、书书书第 卷第 期()年 月中 国 地 震 罗金桥,周万森,钟菊芳 汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析 中国地震,():汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析罗金桥周万森钟菊芳南昌航空大学土木建筑学院,南昌 摘要受接收设备和记录数量的限制,对摇摆分量内在属性及参数的统计分析了解甚少。为揭示摇摆分量的工程特性,便于结构抗震分析合理选取地震动参数,基于“”汶川 级地震的 条数据记录,对比分析平动分量和摇摆分量的幅值以及频谱和持时的空间分布特征和随断层距的衰减规律。研究表明:摇摆分量与平动分量相比,在数量上峰值小很多,能量持时稍小且特征周期偏大。摇摆分量参数的空间分布特征为峰值具有沿断层破裂传播方向
2、的方向性效应,峰值比、特征周期、能量持时的方向性效应不明显;除特征周期外,峰值、峰值比和能量持时均存在上下盘效应,上盘大于下盘。随断层距的变化特征为摇摆分量参数与平动分量参数的规律性一致,均表现为随断层距的增大,峰值减小,峰值比、特征周期和能量持时增加。关键词:地震动摇摆分量空间分布衰减规律断层距 文章编号 ()中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别 国家自然科学基金(、)、水利部公益性行业专项()共同资助 作者简介 罗金桥,男,年生,硕士研究生,主要从事地震动机制研究。:钟菊芳,通讯作者,女,年生,博士,教授,主要从事地震动输入机制研究。:引言震源产生的弹性波将导致其在地表传播
3、过程中沿水平和竖直方向移动。在笛卡尔坐标系中,弹性波需要由三个平动分量和三个转动分量表示(周佩佩等,)。目前对建筑物、桥梁等相关结构的地震分析、设计和性能评估主要基于地震地面运动的两个或三个平动分量。在 年圣费尔南多地震中,桥梁在地震动水平 摇摆耦合作用下发生了垮塌(,);年北岭地震中,帕科依玛大坝地面倾斜角达到 (,)。实例研究表明,地 震 动 摇 摆 分 量 对 结 构 的 影 响 不 容 忽 视,需 引 起 重 视(魏 文 晖 等,)。等()研究了细长烟囱在平动分量和转动分量联合作用下的响应分析,其中,摇摆分量对烟囱弯曲振动贡献较大,在上部约为 ,底部约为 。?爧 等()建立了一系列桥梁
4、计算模型,并从斜交角、刚度偏心、间隙尺寸和频率比等参数方面分析得到摇摆分量会影响桥梁整体的地震响应。等()运用密集台阵记录水平分量推求摇摆分量方法估算了中国台湾密集台阵 的转动分量;等()利用千叶县密集阵列数据合成了扭转分量;李宏男等()基于两点差分原理,通过面波实验求取了转动分量。等()在对转动分量的研究中,发现摇摆分量由体波 、波以及面波 波产生,波实际上是由 波和 波经过无数次反射和折射形成。随着地震动 期罗金桥等:汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析转动分量的获取,开展转动分量的统计特性分析成为可能。李宏男()用大量的实际地震记录获得摇摆分量功率谱曲线,根据统计分析结果提出地震动摇摆分
5、量功率谱的统一数学模型。等()研究了摇摆分量的产生以及土壤类型和断层距对摇摆分量的影响。彭利英等()利用反应谱计算原理得到扭转反应谱平台值,讨论不同烈度下平台值的关系。郭剑虹等()计算了转动分量的反应谱特征周期,并表明场地越软、震中距越大,特征周期也越大。国内外学者获取地震动摇摆分量的方法主要有三种:直接地震仪器测量法;利用密集台阵记录水平分量推求摇摆分量法;建立水平分量与摇摆分量之间的数学模型,计算得到摇摆分量。国内外理论研究主要运用弹性理论波动法中的频域法和行波法来获取摇摆分量。等()在弹性波动理论的基础上提出了一种经验旋转窗法,该方法计算简便,由构建的窗口来估算视波速的方法也较为新颖。本
6、文采用该方法对 年汶川 级地震的摇摆分量进行计算。为揭示地震动摇摆分量参数的工程特性,便于工程结构抗震设计中合理考虑摇摆分量的影响,本文基于 年“”汶川地震记录资料,采用坐标变换(孙士军等,)和经验旋转窗法(,;,)提取得到摇摆分量,探讨摇摆分量的幅值、频谱和持时参数的空间分布特征以及随断层距的变化规律,对比分析摇摆分量参数与平动分量参数的异同。研究工作为结构抗震分析合理地选取地震动参数提供科学依据。地震动摇摆分量确定方法为得到沿主平面方向和主平面内垂直于主轴方向的加速度时程,按式()对台站记录的三平动分量进行坐标变换,旋转得到地震台站与震源所在主平面的平面内及出平面运动(孙士军等,)()其中
7、,(,)为主平面的平面内及出平面运动;(,)为地震台站记录得到的三个分量运动;为地震台站记录分量的方向与震中方位之间的夹角。从震源到台站地震波在介质中的传播路径中,将穿过震源和台站的垂直面定义为主平面,将主平面在地面上的投影定义为主方向(方向),垂直于主方向定义为 方向。基于满足自由面沿垂直方向的平面应力条件,在半空间表面处,剪力等于零,给出波动场方程(,)(,)()研究发现,波、波产生的摇摆分量加速度分别与平动垂直和水平方向加速度有关,总摇摆表示为纵波和横波的叠加。采用经验旋转窗法(,;,)对沿主平面方向和主平面内垂直于主轴方向的加速度时程进行处理并化简()()()()()式中,、分别为 波
8、、波入射角;表示 波()与 波的波速()之比;()、中国地震 卷()分别为沿主平面方向的加速度的一阶导数和主平面内垂直于主轴方向的加速度的一阶导数;()表示对()进行低通滤波;()表示在,频带内对()进行带通滤波,其中 和 分别是截止频率和奈奎斯特频率。视波速 的定义式为 ()()同时定义无量纲的系数 为 ()()摇摆分量加速度表达式()可写成()()()式中,()按下式计算得到()()()()按上述 经验旋转窗法得到的汶川郫都区走石山台站摇摆分量加速度与平动分量加速度对比示意图,见图 。图 汶川郫都区走石山站摇摆分量及平动分量加速度时程对比 记录资料及摇摆分量参数的选取 记录资料的选取及处理
9、采用平动记录数据,按以下原则进行选取:加速度峰值 ;断层距 期罗金桥等:汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析 ;场地条件为、类场地;台站三方向记录完整。从国家强震动台网中心筛选得到汶川地震 个台站共 条平动分量数据,采用 ()提出的时程校正处理方法对所选记录进行校正处理。该方法首先将原始加速度记录减去震前部分 或 幅值的平 均 值,然 后 对 新 得 到 的 加 速 度 时 程 积 分 得 到 速 度,速 度 后 半 段 偏 移 用 公 式 进行校正,式中各参数均为根据偏移得出,校正好速度时程后再进行积分得到位移时程。经研究比较,相比较于其他方法(,;,),法校正结果更好。摇摆分量参数选取按照
10、地震动平动分量的研究思路,从幅值、频谱和持时等角度来探究摇摆分量参数的特点。其中,选用角加速度峰值(,简称 )与角速度峰值(,简称 )及其两者的比值()来描述地震动摇摆分量的幅值特性,这些幅值能够为地震烈度评估、地震危险区确定、城市未来规划以及建筑物的抗震设计提供参考。参照平动分量峰值的确定方法,摇摆分量的加速度峰值、速度峰值及峰值比分别按下式计算 ()()()()()()()其中,表示摇摆分量参数,()、()分别表示摇摆分量的加速度和角度时程。频谱参数选用角加速度反应谱峰值(,简称 )和特征周期(),采用最小二乘法分段拟合,将反应谱分成理想的三段,线性上升段、平台段和曲线下降段(郭晓云等,)
11、,即()(),(),()其中,为第一拐点周期,取 ;为平台段与下降段所对应的特征周期;为下降段的指数;为放大倍数,计算公式为 ()()()摇摆分量加速度反应谱峰值为 ()()地震动持时对结构非线性响应和累积损伤有显著影响。其中,能量持时通常定义为地震能量积累达到两个不同阈值之间的时间段(陶能付等,)。常用的能量持时有 能量持时()和 能量持时();其中,是指摇摆分量累积能量达到总能量的 和 所对应两个时间的间隔,是指摇摆分量累积能量达到总能量的 和 所对应两个时间的间隔(袁峰等,)。摇摆分量能量持时采用与平动分量能量持时相同的定义方法,即 ()中国地震 卷 ()其中,、分别为摇摆分量累积能量达
12、到总能量 、的时刻。按上述方法计算得到所选记录摇摆分量的参数,与平动分量参数对比分析发现,摇摆分量峰值比 平 动 分量 峰 值 在 数 量 上 小 很 多,、均 在 之 间,在 之间;摇摆分量能量持时稍小于平动分量能量持时,在 之间,在 之间,比值接近于 ,相差不大;摇摆分量加速度反应谱特征周期与平动分量加速度反应谱特征周期比 在 之间,总体上大于。摇摆分量参数空间分布规律分析 幅值参数摇摆分量加速度峰值、速度峰值及其比值的空间分布如图 所示。由图 可见,的最大值出现在 、,其附近有三个聚集点,空间分布规律表现为沿断层自 至 向四周扩散,说明 的空间分布具有沿断层破裂传播方向的方向性效应。断层
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