地震动输入

地震动输入2013.12地震动输入是什么？坝址地震动输入是大坝工程抗震安全性评价的首要前提,其包括:(1)抗震设防水准框架,包括表征地震作用强度的物理量确定依据及其相应的可定量的功能目标;(2)体现地震作用的主要地震动参数,包括峰值加速度、设计反应谱、地震动时间历程;(3)地震动输入方式,包括设计地震动基准面及地基边界上的输入地震动参数和量值。为什么要研究地震动输入？安全抗震地震输入我国高坝抗震防灾能力建设的战略思路强调综合评价和科学交叉，重视突破创新和实践检验，合理确定坝址可能遭遇的最大（极限）地震，即最大可信地震，以及建立设计中对各类坝型“溃坝”极限状态的定量准则，是当前急待解决的前沿课题。精细的结构地震响应分析与粗放的地震动输入和结构抗力评定，严重制约了抗震安全性评价的精度和水平。这种“两头大，中间小”的局面必须尽快改善。在建和拟建中的300米级高坝缺乏工程实践，尚无震害实例，需要有针对性地开展具有前瞻性的、创新性的科技支撑。地震动输入要考虑什么？万文智等认为地震动输入应包括两方面内容：一是输入运动本身，其任务是设定工程地震动强度和设计地震动时程；二是地震波输入方式。周建平等认为地震动输入主要包括坝址地震动输入和地震动输入方法。陈厚群院士认为地震动输入方式包括设计地震动基准面及地基边界上的输入地震动参数和量值；黄胜等人认为合理的地震动输入方式实际上涉及2个层面的问题：人工边界的选取和合理的地震波场处理方法。地震动峰值加速度规范中对地震动峰值加速度的释义是：地震动过程中，地标质点运动加速度的最大值。对设计地震加速度的释义是：由专门的地震危险性分析按规定的设防概率水准所确定的或一般情况下与设计烈度相对应的地震动峰值加速度。一般情况下，工程中应当依照国家有关部门颁布的《中国地震烈度区划图》确定的坝址所在地的基本烈度作为设计烈度。在规范中规定了地震烈度所对应的地震动峰值加速度。对基本烈度（50年超越概率10％、重现期475年）为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度的场地分别对应于0.1g、0.2g和0.4g的峰值加速度，其中g是重力加速度值。对重要大坝则需将设计地震加速度的水准提高到100年超越概率2％、重现期4950年。基本烈度为6度或6度以上地区的坝高超过200m或库容大于100亿m3的大型工程，以及基本烈度为7度及7度以上地区坝高超过150m的大型工程，其设防依据应根据专门的地震危险性分析提供的基岩峰值加速度成果评定。重大工程场地地震危险性分析都是按国家标准《工程场地地震安全性评价技术规范（GB17741-1999）》进行的，所给出的是基岩表面的地震动峰值加速度（peakgroundacceleration，PGA）。所以，应当指出上述区划图（GB18306-2001）和安全评价规范（GB17741-1999）中虽然都以峰值加速度作为地震动参数，但两者的含义是不同的。参数问题参数问题地震持时地震作用是一个时间过程，地震规模越大震源断层破坏面越大，破坏空间范围越广，破坏过程时间越长。强地震动的持续时间在震害发生时对结构的影响，主要发生在结构反应进入非线性化之后，持时的增加使出现较大永久变形的概率提高，持时愈长，则反应愈大，最终产生震害的积累效应。对于强震持续时间，原则上应采用持续时间较长的波，因持续时间长时，地震波能量大，结构反应较强烈。而且当结构的变形超过弹性范围时，持续时间长，结构在震动过程中屈服的次数就多，从而易使结构塑性变形累积而破坏。强震持续时间可定义为超过一定速度值（一般为0.059）的第一个峰点和最后一个峰点之间的时间段。地震再现频率一般地震发生后多伴随着陆续的余震等。从强度上来说，余震的规模和烈度基本上不大于主震。但由于余震与主震之间往往间隔较短，发生时间多集中于主震后的数日之内，工程人员几乎不可能对损失的大坝等一系列建筑物采取任何加固措施。国际上逐步采用的两级抗震设计，结构的强度和结构损伤后的极限变形能力都将作为结构抗震性能的重要指标，可对溃坝等次生灾害起到一定的控制作用。另外，考虑到地震频发地区的大坝在其使用寿命期内遇到多次强地震的可能性也是很高的。截至目前为止，抗震设计和运行只考虑单个强震的作用。这种处理方法对市政、道桥、民用等建筑物是正确、合理的，因为其使用寿命相对较短且易于拆建。但对大坝而言，这种方法的不足之处在于它忽视了多次强震对大坝的长期累积作用。参数问题现有阶段，在大坝抗震中考虑地震作用时，选择输入地震波主要有以下三种方式。强震记录直接选用一些著名的强震记录作为输入，如：Taft记录、ElCentro记录、Konya记录、1971年SanFernando地震（持时35秒，峰值加速度0.22g）、Pacoima坝基记录（持时l5秒，峰值加速度1.20g）。Seed、Hadjian等提出了通过修正地震记录的方法来得到满足一定条件的地震动加速度时程。对于中小型工程，有时也可选用较为简单的Ricker小波输入。采用这种方法要注意场地条件、传播途径、震源距离、震幅等因素的影响，注意使所选用的地震波三要素（即：振幅、频谱和持时）与当地估计的地震波三要素相吻合。一般需对地震波做一些调整才能达到上述要求。合成震例采用能适合成批处理的震例，该震例可以很好地解释震例中普遍现象的一个修正了的地震波，其结果在数值上、概念上都能很好地符合现行的理论认识。这样就能够克服第一种方法中地震波输入带来的偶然性巧合或误差。人工合成地震波采用人工地震波拟合给定的反应谱作为输入。现有的地震记录大都是在地表测得的，而现今相互作用分析大都近似假定地震波为竖向传播的剪切波，且由地面地震记录反演地下某一标高的土层地震运动，也是基于这个假定；因此这也是一种可行的方法。Housner[26]最早用随机过程理论来模拟地震波时程，然而将地震动过程看成平稳随机过程，只能进行单点平稳加速度时程的合成。谱拟合人工地震动的合成最早由麻省理工学院完成[27]，该方法提出较早，得到了广泛应用，但收敛精度较差[28]。为提高地震动谱拟合精度以及考虑地震动的非平稳，国内外学者进行了不断的改进[17、28、29]，完善了谱拟合人工波合成方法。当地震发生时，地震波在地表层传播过程中通过建筑物基础面而引发建筑物振动。传统假定地震输入沿建筑物基础面是相同的，即所谓一致地震动输入方式的假定。此假定对于基础面尺寸小于地震波主要波长的建筑物，如：房屋、电视塔、海洋平台等是合理的；但对于高拱坝这类大体积建筑物，此假定的合理性受到质疑。地表震动差异的产生原因：一是行波效应（travelingwaveeffect），即在地震动场不同位置，地震波的到达时间上存在一定的差异；二是部分相干效应（incoherenceeffect），即地震波在传播过程中，将会产生复杂的反射和散射，加之地震动场不同位置地震波的叠加方式不同，因此，导致了相干函数的损失造成了差异；三是波的衰减效应（attenuationeffect），即波在传播的过程中，随着能量的耗散，其振幅将会逐渐减小从而引起了差异；四是局部场地效应（siteeffect），在地震动场的不同位置，土的性质存在差异，这会影响地震波的振幅和频率，而造成差异。如何考虑坝址河谷地震动的不均匀输入问题难以得到解决的主要原因在于：对地震的发生、地震波的传播机制的认识不够充分，缺乏足够的地震动空间相关性的实测记录，无法通过实验手段来重现地震波的传播过程等。因此，加强对地震波行波效应、空间放大效应、河谷屏蔽和阻尼效应以及坝址地质环境等因素的研究是解决河谷地震动的不均匀输入问题、建立地震动输入模型的有效途径。输入问题地震动有哪些输入方式？⑴标准的地基输入模型。即对有质量地基人为划定地基范围后，在截取的边界上将地震动作为均匀输入。这一方式将地表自由场记录移至深部基岩，由于地基本身的弹性波传播与放大作用，使地面运动与坝体反应被人为夸大了。⑵无质量地基模型。这是由Clough建议的模型，其输入方式与第一种相同，但不计地基质量，使地基在结构－地基相互作用中只起到弹簧支撑的作用。这一方式可以反映出地基柔性的影响，消除了地基质量对地震波的放大作用，此时宜采用地表的自由场记录进行波动输入。⑶反演输入。将水平地表某点的记录反演至深部基岩，加上坝库系统后又将反演结果作用于截取的边界上，求坝体反应。⑷自由场输入。首先根据反演方法求出坝基各点自由场历程，再将这种历程作用于坝－基交界面上，用自由场运动方程求解坝体反应。这一方法不仅考虑了坝库系统对自由场的反馈影响，也计及地基各点的相位差，在理论上比较完整。但问题是进行三维反演相当困难。标准基底输入模型的特点是将坝体本身与较大范围的可变形基础划分成有限元网格，假设基础底部是刚性的，直接将地面运动加速度作用于刚性基底。显然，这一模型不能反应地表自由场运动与深部基岩运动的差异。无质量地基模型是对标准基底输入模型的改进。基础范围的截取、人工截断边界条件的处理与有质量地基输入时的原则相同，但地基岩体质量人为假定为0，即仅计入基岩体的弹性作用，而不计入其惯性作用。这样处理也可避免基岩范围的任意性对坝体自振特性的影响。由于地基假设为无质量的，消除了地震波在岩石基础内的传播的影响，在深部基岩输入的地震动不会造成沿高程的人为放大，其结果是整个坝与基础交接面上受到完全相同的地震动。这种处理对补偿波的传导效应有益；但完全不考虑地基的质量也是不恰当的，易致使人为放大系统的自振频率。另外一方面，对于实际大坝来说，坝基岩体并不均匀，尤其是河谷建基面空间尺度大的坝体；同时，地震动在坝基交界面处也不是均匀出现的，因此该模型还有待完善。地震动输入方式反演—正演输入模型假设岩基为水平分层的、向两端无限延伸的均匀弹性介质并考虑基岩质量，按一维反演方法将地表岩石的设计地震动反演至基岩深部，将反演得到的深部基岩运动作为输入，正演求得基岩和坝体的地震反应。该输入模型的突破在于能在一定程度上反映地基岩体沿深度放心的不均匀性。但正演求解体系中存在限制，即只能采用反演时用到的四周均为有限的地基模型，致使无法反映无限地基辐射阻尼的影响。河谷自由场输入模型是一种理想化的方法，是将坝体—地基系统分解为两部分：一部分完全不考虑坝，此为自由场系统；一部分仅包含坝，此为附加结构系统。该模型需先求出二维河谷的地震自由场反应，然后将这一反应作为输入，作用于坝体—基础交界面上，对整个大坝—地基—水库系统进行正演分析。该模型在理论上是严谨的，但问题在于地基土有诸多不确定的因素、近坝区的河谷形状和岩体地址条件非常复杂。而河谷自由场运动的求出仍源于在许多假定基础上的反演—正演的一维方法，这样求得的河谷自由场运动难以真实反映地震时河谷运动的实际状态[32]。同时也无法反应无限地基辐射阻尼的影响。地震动输入方式边界问题以上几种地基模型是建立在有限地基的基础之上的，忽视了无限地基对振动能量的耗散作用，无法反映地震动能量向无限地基逸散。由于地震能量向无限远域逸散会降低结构的地震响应，类似一种阻尼效应，因此被广泛称为“辐射阻尼”。在有限范围地基的人工边界处实现地震波的无反射是计入辐射阻尼影响的实质。如何在合理的有限地基范围的基础上，在边界处采用合理有效的处理方案是近年来研究的热点。（边界元方法、无穷元方法和透射边界等方法）林皋院士等提出了比例边界有限元法。这种方法在计算域的边界上进行离散，问题的维数降低一维，节约了计算工作量。该方法能够方便地处理地基介质各向不同性和地基介质模量沿深度按某一定规律发生变化等问题。张楚汉院士等提出了地基无限元模型、边界元模型、无限元—无限边界元耦合模型进行无限地基辐射阻尼的影响研究，并针对传统模型只能在频域求解无法适应坝体横缝非线性计算的缺点，提出频段变换法，将在频域中描述的地基动力复刚度变换为等效的时域量。廖振鹏院士等提出并逐步完善了人工透射边界理论和方法。该方法直接从单侧波动的一般运动方程导出，与波动方程和物理边界条件的特殊性无关，属于直接在时域中用无反射的人工边界模拟波动能量向远域地基逸散，为大型非线性