海域和陆域地震动输入能量与强度指标相关性_胡进军.pdf

第 卷 第 期 年 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 .：海域和陆域地震动输入能量与强度指标相关性胡进军，田 浩，谭景阳，刘巴黎，靳超越，（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨；中国地震局地震工程与工程振动重点实验室（中国地震局工程力学研究所），哈尔滨）摘 要：为给概率地震危险性分析提供依据，研究了海域和陆域地震动弹性输入能量与其他地震动强度指标的相关性及海陆差异。基于日本 台网的 次地震事件，包含 条海域地震动记录和 条陆域地震动记录，通过相关性分析选取了 个代表性强度指标。首先，计算了不同震中距下强度指标与绝对和相对输入能量的相关性，并从不同周期段及震中距的角度分析了结果；其次，对不同阻尼比下强度指标与绝对和相对输入能量进行相关性分析；最后，对比了海陆强度指标与输入能量的相关性差异。结果表明：在不同周期段，海域和陆域地震动与输入能量相关性最好的强度指标多数相同，但在不同震中距下，强度指标与输入能量相关系数的极值存在海陆差异；在不同阻尼比下，同一强度指标与输入能量的相关性存在海陆差异，初步分析发现该差异可能是海域地震动低频成分丰富造成的。因此在研究输入能量与强度指标相关性时，需考虑阻尼比、震中距的影响。相关结论可为海陆概率地震危险性分析相关研究提供参考。关键词：海域地震动；陆域地震动；输入能量；强度指标；阻尼比；相关性分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；（，），）：，：；收稿日期：；录用日期：；网络首发日期：网络首发地址：基金项目：国家自然科学基金（，）作者简介：胡进军（），男，研究员，博士生导师通信作者：田 浩，基于能量的抗震设计方法考虑了地震动持时对结构的影响，自 提出基于能量的设计与分析方法以来，输入能量在此基础上被广泛研究，包括对输入能量、滞回耗能及其对结构响应的影响等。等研究了相对与绝对输入能量的差异，发现两种输入能量在长、短周期内均存在差异，但在中周期范围内结果相似；等建立了两种输入能量谱的衰减关系，发现延性因子对输入能量影响显著；等研究了输入能量对地震动特征的敏感程度，发现峰值速度与峰值加速度的比值（）是影响地震能量耗散的重要参数；等研究了地震动输入能量随震源距衰减关系，发现用最大输入能量 来评估衰减规律，结果与用峰值加速度（）和峰值速度（）来评估呈现完全不同的趋势；肖明葵等对多种结构类型在罕遇地震作用下的总输入能量及其影响因素进行分析，提出了多自由度体系及弹塑性体系的简化研究方法。输入能量数值大小主要受强度指标、阻尼比等因素影响。等发现、等强度指标对输入能量的影响存在显著差异，并提出了一种最优的无量纲强度指标（）作为归一化能量指标；等分析了西班牙 次地震，发现 能够较好地评估地震动输入能量对结构破坏的影响；等提出了 个无量纲参数（、）用于简化能量方法分析过程，并认为在实际设计过程中对能量谱进行适当简化不会影响设计准确性；王德才等基于中国场地分类，分析了输入能量与 个强度指标在各周期段的相关性，发现与输入能量相关性最好的强度指标是，并提出了新强度指标，该指标能够较好地体现震级、距离等因素对地面运动的影响。以阻尼比研究为基础的阻尼器在建筑结构耗能减震方面应用广泛，等等通过研究单自由度体系能量吸收，发现阻尼耗能会影响结构损伤参数的数值；等建立了弹性单自由度体系在地震动作用下耗能的简单分析方法，发现阻尼比影响弹性体系耗能，但当体系发生非弹性反应时，结构耗能需求对阻尼比并不敏感。何利等研究了复合强度指标对弹塑性输入能量谱的影响，发现随着阻尼比的增大，弹塑性输入能量谱的峰值有所下降。周颖等发现阻尼比对输入能量谱的影响在不同周期范围内有显著差异，但都有明显的削峰现象。程光煜等发现阻尼比和延性系数对能量谱的峰值有很大影响，在长周期范围内，延性系数一致，随着阻尼比的增大，能量谱的峰值也有所增大。随着海洋开发战略的发展，近海工程的兴建，这就对海域工程结构抗震设防提出了更高要求。而海域和陆域地震动特征存在差异，主要表现在幅值、频谱等特征。就幅值而言，海域和陆域地震动的 无较大差异，而海域地震动的 值较陆域大；就反应谱而言，当周期小于.时，海域和陆域地震动的差异较小，但当周期大于.时，海域地震动的反应谱较大。此外，同陆域地震动相比，海域地震动含有丰富的长周期成分。随着基于性态的抗震设计的发展，研究海域地震动输入能量谱能够为近海域地区的海域结构的基于性态的抗震设防提供参考。概率地震危险性分析（）是基于性态的抗震设计中重要的一环，为给陆域 提供参考，等 先后研究了基于地质统计工具的输入能量空间互相关模型和输入能量与强度指标的经验相关性。目前对输入能量谱的研究主要集中于陆域地震动，针对海域地震动输入能量以及海陆震动的输入能量谱差异的相关研究较少。为给海域 研究提供参考，基于 次地震的 条海陆地震动记录，通过相关性分析的方法，从强度指标和阻尼比两个角度进行研究，并对比了海陆的相对与绝对输入能量和强度指标的相关性。海域和陆域地震动数据海域和陆域地震动数据选自日本 台网，包括陆域台站和相模湾海域 个海底台站（）。共选取了 次地震事件，其中海底台站记录到的地震事件为 次，陆域台站记录到的地震事件为 次，海陆共同记录到的 次，共计 组双向水平地震动数据，其中海域地震动数据 组，陆域地震动数据 组。海陆台站的位置及地震震中位置见图。138 E 139 E 140 E 141 E 142 E海域台站陆域台站地震事件36 N35 N34 N33 N32 N36 N35 N34 N33 N32 N138 E 139 E 140 E 141 E 142 E图 海陆台站及地震震中 由于震中距会影响相关性，因此需对地震动记录按照距离分组，在每组数据尽可能平均的前提下哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷将海陆的地震动记录按震中距分为 组：、，矩震级（）与震中距关系见图。在使用 数据研究前，需处理数据，首先进行基线校正使地震动记录回归零基线位置；然后通过滤波去除地震动记录的高频和低频“噪声”。采用 等 提出的基线校正方法，将加速度、速度和位移分别处理。由于峰值位移（）等位移类强度指标对基线校正较敏感，为保证数据主要信息不丢失以及防止地震动位移时程失真，对加速度记录采用 阶 非因果滤波器进行滤波，选用带通滤波器，截止频率为.，并对加速度记录事件前后补零，用足够长的零扩展记录，在所有分析中保留这些零填充部分可避免兼容性问题，且后续不需要进一步校正。300250200150100500060 km60100 km100300 km3.5 4.0 5.0 6.0 7.0矩震级震中距/km(a)海域地震动记录震级与震中距关系060 km60100 km100300 km300250200150100500震中距/km矩震级(b)陆域地震动记录震级与震中距关系3.5 4.0 5.0 6.0 7.0图 海陆震动记录震级与震中距关系 单自由度体系弹性输入能量计算方法由于坐标系选取不同，单自由度体系在水平地震动作用下存在两种形式的运动方程，在绝对坐标系下的运动形式见图（），其运动方程为 （）式中：为单自由度体系的质量，为黏滞阻尼系数，为体系恢复力，为质点绝对位移，其值等于地面运动位移（）与质点相对位移（）之和，（）、分别为地面运动的绝对加速度、相对速度和相对位移。根据其运动方程，可推导出弹性输入能量表达式，在绝对坐标系下弹性输入能量（以下简称绝对输入能量）的计算公式为（）在相对坐标系下，单自由度体系的运动形式见图（），其运动方程为 （）在相对坐标系下的弹性输入能量（以下简称相对输入能量）的计算公式为（）为消除结构质量影响，在地震动输入能量研究中，通常用其等效速度代替输入能量，其公式为：（）（）xmck2k2xt(t)xg(t)xt(t)xg(t)(a)绝对坐标系下单自由度体系运动模型xmk2k2c-mxg(t)(b)相对坐标系下单自由度体系运动模型图 水平地震动作用下单自由度体系运动模型 第 期胡进军，等：海域和陆域地震动输入能量与强度指标相关性 强度指标的选取.常用的强度指标多种强度指标曾被定义来表征地震动强度，由于地震动和结构的复杂性，一些研究根据不同的研究对象选择强度指标，但没有明确的单一强度指标可以完整地表征地震动破坏势。地震动对结构的破坏能力主要与地震动的持时、幅值以及频谱有关。因此为选取代表性强度指标，筛选了 个常用的强度指标，涵盖了地震动三要素：幅值、持时以及频谱，见表，表中 为单自由度体系的自振周期。括号持时是指地震动首末两次达到所规定的阈值所经历的总时间，考虑到海域地震动记录的峰值加速度较小，因此将括号持时的阈值设为。.强度指标的相关性分析通过计算不同强度指标之间的 相关系数，来确定代表性的强度指标。基于所选地震动记录计算了强度指标间的相关性，结果见表，根据强度指标间的相关性，同时综合考虑幅值、持时、频谱，最终选取 个强度指标，分别是：、.、.、。以 与.、与 为例绘制散点图，从图 的拟合效果可看出两对强度指标有较好相关性，图中 为 相关系数。表 常用的强度指标 强度指标峰值加速度（）峰值速度（）峰值位移（）括号持时（）一致持时（）强度（）能量持时（）累积速度（）标准累积速度（）最大增量速度（）强度指标最大增量位移（）有效峰值加速度（）有效峰值速度（）谱烈度（）.时加速度反应谱谱值（.）.时速度反应谱谱值（.）.时位移反应谱谱值（.）.时加速度反应谱谱值（.）.时速度反应谱谱值（.）.时位移反应谱谱值（.）表 初步筛选的 个强度指标间的相关系数（绝对值）（）强度指标.哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷(b)Vpg与 Ia数值的拟合关系1 0008006004002000 1 2 3 4Sd1.0/cm(a)Sd1.0与 Vca数值的拟合关系Vca/(cm s-1)6040200 5 10 15 20Vpg/(cm s-1)Ia/(cm s-1)y=228.30 x+59.52R=0.838y=2.35x-1.23R=0.900图 两对强度指标的线性拟合关系 输入能量与地震动强度指标的相关性基于上述 个强度指标，为全面解释其与地震动输入能量之间的关系，根据不同震中距和阻尼比分组计算了所选地震动在不同工况下的绝对和相对输入能量（和），并分析了其与强度指标的相关性及其海陆差异。由于不同自振周期的结构对强度指标敏感程度不同，且所选 个强度指标并非在所有周期段与输入能量相关性规律都相同，因此需进行周期段划分。翟长海将单自由度体系的自振周期（）划分为 个周期段：当 .时为短周期；当.时为中周期；当 .时为长周期。等认为.是短周期结构的代表值，当 .时，实际结构尤其是海域结构中并不常见，因此周期段划分如下：当.时为短周期；.时为中周期；.时为长周期。.不同距离下输入能量与强度指标的相关性分析由于近场和远场地震动特征存在很大差异，因此基于震中距分组，分别计算了所选海域与陆域地震动阻尼比为.时的 和，并将其结果与所选强度指标进行相关性分析。在不同震中距下，研究了海域与陆域地震动的不同强度指标与输入能量的相关性。由于 相关系数易受到极端值的影响，基于震中距分组的数据量较少，因此本节选用 相关系数，其计算公式为 （）（）（）（）（）（，），（，）分别为 和 的两个样本，、分别为样本的平均值，统计学上可证明，样本相关系数 是总体相关系数 的无偏估计量，即有 。的范围为 ，的绝对值越大，相关程度越高。图 为不同震中距下的海域与陆域地震动 与不同强度指标的相关系数。在不同周期段，与海域和陆域地震动 相关性最好的强度指标存在微小差异，具体表现在相关系数的数值上。在短周期范围内，与海域和陆域地震动 相关程度最好的强度指标都是，这与叶列平等的研究成果一致，叶列平等发现以 为代表的第一类强度指标在短周期范围内，与单自由度体系在地震作用下的响应相关程度较高，为该类强度指标。而在中长周期范围内，与海域和陆域地震动 相关性最好的强度指标都是.，随着自振周期的增大，.与其相关性呈现先上升后下降趋势，在 .时达到最大，由此可见在中长周期范围内 与.有较好相关性，这一