强度包线参数不确定性对土层地震反应影响研究.pdf

第43卷第3期2023年6 月文章编号：10 0 0-130 1(2 0 2 3)0 3-0 16 9-12地震工程与工程振动EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING DYNAMICSVol.43 No.3Jun.2023D0I:10.13197/j.eeed.2023.0317强度包线参数不确定性对土层地震反应影响研究段长辉1.2,齐文浩1,2,李尔超1,2（1.中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨150 0 8 0；2.地震灾害防治应急管理部重点实验室，黑龙江哈尔滨150 0 8 0）摘要：基于地震动衰减模型获取的强度包线参数是人工合成地震动的必备参数之一，目前已有多种地震动衰减模型成果，各自得到的结果有一定差异性,这势必影响土层地震反应分析结果以及基于此结果确定出的设计地震动参数。为研究这一影响，设定不同的震级、震中距，利用各衰减模型分别计算强度包线参数，获取对应的各强度包线参数的分布范围,并均匀划分取值点，以典型的不同强度加速度反应谱作为目标谱，人工合成一系列地震动并作为输入，计算来源与实际工程中不同场地类别的代表性场地的土层地震反应。研究表明：单独改变三个包线参数的大小对同一场地的地表峰值加速度并没有明显影响；部分场地随着tl、t s、c 的增长，在某些区间呈现相反的变化趋势；部分类别场地之间的地表峰值加速度在震中距与震级变化时差值大致固定。强度包线参数的不确定性对土层地震反应分析结果有重要影响，人工合成地震动时要慎重选取。关键词：强度包线参数；人工合成地震动；土层地震反应；地表峰值加速度中图分类号：P315.9文献标识码：AInfluence of parameter uncertainty of strength envelope onseismic response of soil layerDUAN Changhuil-2,QI Wenhao-2,LI Erchaol.2(1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration,Harbin 150080,China;2.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation,Ministry of Emergency Management,Harbin 150080,China)Abstract:The strength envelope parameter based on the ground motion attenuation model is one of the essentialparameters of synthetic earthquake ground motion.There were a variety of ground motion attenuation model results,and their conclusions have certain difference.It is bound to affect the soil seismic response analysis and the designground motion parameters determined on this result.For the study of the influence,set different magnitudes,epicentral distances,use the intensity attenuation model to calculate package line parameters separately,obtain thecorresponding distribution range of the strength envelope parameters,and evenly divide the value points,In a typicaldifferent intensities of acceleration response spectrum as the target spectrum,synthetic and a series of ground motionas input,the soil seismic responses of representative sites from different sites are calculated.The results show thatchanging the parameters of three envelope has no significant effect on the peak ground acceleration of the same site.With the growth of tl,ts and c,some sites show an opposite trend in some sections.The peak ground acceleration ofsome sites shows a certain rule when the epicentral distance and magnitude change.The uncertainty of intensityenvelope parameters has an important influence on the seismic response analysis results of soil layer.收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 6；修回日期：2 0 2 2-0 7-2 0基金项目：河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室开放基金项目（FZ213107）；黑龙江省科学基金项目（LH2021E121）Supported by:Open Foundation of Key Laboratory of Earthquake Disaster Prevention and Risk Assessment of Hebei Province(FZ213107);Science Foundation of Heilongjiang Province(LH2021E121)作者简介：段长辉（1996 一），男，硕士研究生，主要从事场地地震动效应方面研究。E-mail：d u a n c h a n g h u i 1996 16 3.c o m通讯作者：齐文浩（197 9），男，副研究员，博士，主要从事场地地震动效应方面研究。E-mail:170Key words:strength envelope parameters;synthetic ground motion;seismic response of soil layer;peak groundacceleration0引言地震工程与工程振动第43卷胡聿贤1指出，幅值、频谱和持时是表征地震动的三要素。其中,持时是最重要的强度包络函数参数之一，持时反映了地震动对工程结构破坏的能量积累效应,特别是在结构接近破坏状态时的非弹性反应阶段尤为显著,因此持时是描述地震动的破坏能力必须考虑的因素之一。在土层地震反应分析中，由于满足工程需要的特定强震记录资料有限,因此人工合成地震动时程是十分重要的环节,张美玲等2 在文章中阐述强度包络函数体现了地震动时程中强度的非平稳性特征。目前最为常用的三段式包络函数的三个参数tl、t s 和c的取值与地震动的持时特性有重要联系。谢礼立等3-4仅从地震动能量分布角度出发，使用二阶矩原理定义了体系的工程持时并将其与震级M、震中距R和场地条件联系起来，但并未讨论土层地震动记录的强度非平稳特性与这些参数的关系。后来很多学者对包括持时在内的强度包线参数进行了研究,大崎顺彦5通过简单的统计方法给出了包络参数取值与地震总持时的关系；霍俊荣等6 先将取自NGA的单个地震动记录取包线得出对应的包络参数，而后将多个记录的统计结果拟合出国外场地包络参数随震级、距离以及场地条件变化的衰减关系并给出公式；张美玲7 结合近年来国内基岩场地强震动观测数据，得出更适合我国内陆地区的强度包络函数参数及衰减关系；肖亮等8 结合NGA基岩地震动数据与国内汶川地震的基岩强震动记录，通过对比分析显示，高信噪比、不易丢头的数字强震记录资料更适用于对时程强度包络函数的研究。DOUGLAS9研究了超过2 0 0 个包括持时在内的地震动预测公式，但预测公式之间的结果相差很大,这说明在地震动参数预测方面目前依然存在较大的不确定性。赵艳等10 利用美国强震动记录分析表明不同场地条件对地震动持时有显著影响。考虑到上述的研究成果不尽相同,得到的包络函数参数也不相同,其参数选取也未有统一的标准。与之相对应，不同的包络函数参数取值是否对土层反应分析产生影响，目前亦尚未有明确研究结论。本文利用已有的包络函数确定成果，获取了各包络函数参数的取值范围,计算不同包络函数取值所合成的地震动对不同类别场地地震反应的影响，并主要探究强度包线参数选取对所合成的人工地震动以及对不同场地地表加速度峰值的影响。(1)1强度包线参数模型研究初期,科研人员常将地震动简单看作沿时间轴的平稳随机振动过程来进行模拟研究，但随着对地震动研究的不断深人，对其认识开始转变为包含上升段、平稳段和下降段的三段式过程。在原有平稳随机过程的基础上，引人强度包络函数,用于反映地震动时程的非平稳特性。对于相同目标谱，利用不同的强度包线参数人工合成出的地震动时程具有一定差别，为了研究这一差异性对地震动的影响，本文使用GB177412005中国地震局工程场地地震安全性评价1所推荐，由AMIN等12 给出的三段式强度包络函数模型,讨论了该模型中三个主要参数（上升段持续时间t1和相对平稳强地震动持续时间ts以及衰减系数c)在不同震级和震中距下的取值范围,分别研究了tl、t s(t-ti）以及td(t-t2,由衰减系数c控制。当越大，下降段衰减速率越快)的变化对土层地震反应分析结果的影响，如图1所示。0tt1J2=2ttt2(J=ec(-t2)t2tt3t图1三段式包络函数示意图Fig.1 Schematic diagram of three-stageenvelope functionJi=2时间/st第3期强度包络函数的衰减特性也是近年来研究工作的一个重要方向。本文选取多种震级和震中距数据组合，采用不同的地震动强度包络函数参数确定公式计算每一震级与震中距组合的强度包线函数参数，然后确定参数的取值范围。其中震级分别选取6、7、8 级，跨度涵盖了小、中、大震。当震级小于6 时，地表加速度较小，不能很好地反映下文包络函数参数取值不同所造成的差异。由于考虑到历史上大于8 级的地震记录相对较少,在使用回归统计经验公式归纳包络函数参数取值范围时所得出的结论不够可靠,因此未讨论震级高于8 的情况。依据我国抗震规范和前人著作及文章中震中距近远场常用的取值标准，本文分别选取震中距为2 0、50、10 0、150、2 0 0 km，涵盖了近场、中场、远场。2强度包线参数确定方法及取值范围2.1大大崎顺彦经验公式日本学者大崎顺彦5在198 1年提出了强度包络函数中上升段持续时间和平稳段时间的确定公式（简称大崎公式）：(2)0.08T,M=8大崎公式给出了强度包络函数中t1和ts的取值,这里的T,是地震动总持续时间,c的取值按振动结束时振幅为峰值的5%来确定，可用式(3)给出：(3)C=ts-Ts地震动总持续时间T，由王亚勇等13给出的经验公式得到：lg T,=-1.555+0.165M+0.831lg(R+30)+0.148T式中：T,为场地的卓越周期；R