新一代土層地震反應(yīng)分析方法研究.pdf

1、大量宏觀震害經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)響應(yīng)影響顯著，尤其淺表覆蓋土層對(duì)地表震動(dòng)的放大作用十分顯著。對(duì)一般工程和重大工程進(jìn)行抗震設(shè)防是防震減災(zāi)的最主要途徑之一，設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)確定的合理性和可靠性將直接影響到建設(shè)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。土層地震反應(yīng)分析作為地震區(qū)劃和重大工程地震安全性評(píng)價(jià)的核心技術(shù)之一，是目前研究場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響的最主要方法，目的就是為工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防提供合理可靠的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)。
　　我國(guó)目前地震

2、安全性評(píng)價(jià)所使用的主要是LSSRLI-1等效線性化程序，代表著上世紀(jì)80年代國(guó)際先進(jìn)水平，程序提出至今已快30年，為我國(guó)地震區(qū)劃和地震安全性評(píng)價(jià)事業(yè)做出了非常大的貢獻(xiàn)。但是在不斷的工程實(shí)踐當(dāng)中，LSSRLI-1也逐漸表現(xiàn)出了一些不足之處，尤其是在某些場(chǎng)地較軟或輸入地震動(dòng)較大的情況下， LSSRLI-1計(jì)算結(jié)果不盡人意。SHAKE2000和DEEPSOIL分別代表了頻域等效線性化和時(shí)域非線性計(jì)算方法的國(guó)際先進(jìn)水平，對(duì)比分析表明，雖然此二者

3、結(jié)果整體上優(yōu)于LSSRLI-1，但依然存在著厚軟場(chǎng)地放大效應(yīng)體現(xiàn)不足的瓶頸。
　　本論文立足我國(guó)工程建設(shè)急需，瞄準(zhǔn)國(guó)際上軟弱土層地震動(dòng)計(jì)算結(jié)果“矮粗胖”及硬土中等效線性化缺少高頻分量等尚未解決的難題，提出了新一代土層地震反應(yīng)計(jì)算方法并編制相應(yīng)的計(jì)算程序SOILQUAKE，主要完成了以下幾方面的工作：
　　(1)以經(jīng)典工程波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了土層地震反應(yīng)分析的線性粘彈性精確解；四種類型場(chǎng)地126組工況分析表明，我國(guó)現(xiàn)行安評(píng)

4、程序主要問(wèn)題是軟弱場(chǎng)地上計(jì)算剪應(yīng)變偏大，導(dǎo)致地表響應(yīng)水平偏低；通過(guò)改進(jìn)剪應(yīng)變計(jì)算方法，重新編制了等效線性化土層地震反應(yīng)分析程序 SHAKE-China，對(duì)比結(jié)果表明與 SHAKE-2000具有同等精度。
　　(2)采用新型高精度動(dòng)三軸儀，就荷載頻率對(duì)動(dòng)剪模量和阻尼比影響開(kāi)展了專門(mén)試驗(yàn)研究，提出了荷載頻率對(duì)常規(guī)土類參考剪應(yīng)變和最大阻尼比的影響模式，給出了修正系數(shù)曲線，并以此評(píng)估了考慮模量阻尼比的荷載頻率相關(guān)性對(duì)地震動(dòng)的影響；結(jié)果表明

5、，荷載頻率對(duì)無(wú)粘性土動(dòng)剪模量和阻尼比影響很小，基本可以忽略；粘土隨著荷載頻率的增大，動(dòng)剪模量和歸一化模量比增大而阻尼比減小，影響十分顯著；如不考慮模量阻尼比的荷載頻率相關(guān)性，將必然會(huì)使含有粘土層的場(chǎng)地反應(yīng)結(jié)果產(chǎn)生較為顯著偏差。
　　(3)提出了水平成層場(chǎng)地土體剪應(yīng)變與震動(dòng)速度關(guān)系的精確理論解答，對(duì)地震荷載作用下水平成層場(chǎng)地土體剪應(yīng)變與震動(dòng)速度之間的關(guān)系進(jìn)行了解析，指出土體剪應(yīng)變與震動(dòng)速度的關(guān)系與波頻具有強(qiáng)烈相關(guān)性，現(xiàn)有的考慮頻率相

6、關(guān)性的改進(jìn)方法均是以剪應(yīng)變與震動(dòng)速度為恒定比例關(guān)系為基本出發(fā)點(diǎn)，存在明顯定性錯(cuò)誤。
　　(4)提出了動(dòng)剪模量阻尼比直接頻率相關(guān)計(jì)算方法（簡(jiǎn)稱“直頻法”），研發(fā)了新一代土層地震反應(yīng)分析方法和程序SOILQUAKE（“首克”），寓意為首先攻克現(xiàn)有軟弱土層地震動(dòng)計(jì)算結(jié)果“矮粗胖”和硬土中等效線性化缺少高頻分量等求解難點(diǎn)。
　　(5)實(shí)際記錄檢驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)硬場(chǎng)地和中硬場(chǎng)地，SOILQUAKE與SHAKE-2000和DEEPSOIL

7、結(jié)果基本一致，與實(shí)際記錄也比較接近，但SOILQUAKE相比SHAKE2000在高頻部分的表現(xiàn)更加合理，與DEEPSOIL基本一致；對(duì)一般軟場(chǎng)地和巨厚軟場(chǎng)地上，SHAKE2000和DEEPSOIL嚴(yán)重低估了場(chǎng)地效應(yīng)，結(jié)果基本不可靠，而 SOILQUAKE與實(shí)際記錄整體上最為接近，輸出的加速度峰值相對(duì)偏差也都在±20％的可接受范圍以內(nèi)，在一般軟場(chǎng)地上優(yōu)勢(shì)顯著，在巨厚軟場(chǎng)地上優(yōu)勢(shì)十分顯著。
　　不論從理論上還是從實(shí)際對(duì)比結(jié)果來(lái)看，本文