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1、中国地震局工程力学研究所硕士学位论文地震动能量衰减规律的研究姓名：公茂盛申请学位级别：硕士专业：土木工程防灾减灾工程及防护工程指导教师：谢礼立2002.8.1摘要结构在强烈地震作用下，一般会进入非线性工作状态。事实上，震害调查 结果表明，结构物在强烈地震作用下，确实曾进入非线性工作状态，具体表现 有：裂缝或其它形式的非弹性变形发生、经历地震后有永久变形存在等等。结 构一旦进入非线性阶段，其地震总输入能主要由结构的非弹性变形和阻尼来耗 散。因此，从物理意义上来讲，能量才是对结构物进行非弹性设计或对结构物 进行地震破坏评估的最合理参数。目前，基于能量的性态设计方法及理论也是 地震工程中一个热门的研
2、究课题。本文的主要工作就是利用所掌握的地震动记 录，采用两步回归法对地震动的各种能量参数进行回归分析，找出地震动的能 量参数随震级、距离等参数的衰减关系，为基于能量的方法能够应用到抗震设 计及震害评估等实际工程中奠定基础。本文所做的主要工作摘要如下： 1 建立了一个强震记录数据库。 作为地震工程研究的重要基础性资料，强震记录的重要性不言而喻。尽管 目前世界范围内取得了大量强震记录，但是这些记录具有格式形式不统一、参 数不完备等缺点。对大部分地震记录来说，尤其缺少便于统计应用的矩震级及 断层距等实用数据。因此，本文处理了美国西部C a l i f o r n i a 州共1 5 次地震中的强 震
3、记录，将所有记录的格式做了统一化处理，特别是补充、增加了供统计应用 的矩震级和断层距等信息。 2 介绍了能量反应谱的概念及算法。 结构地震反应的能量分析方法是一种能够较好的反映结构在强地震动作用 下非线性性质以及地震动三要素( 幅值、频谱特性和持时) 对结构抗震性能影 响的方法。目前常用的反应谱，无论是弹性或非弹性的，一个最大的缺憾是它 们都没有充分考虑输入地震动持时的影响，但在能量谱中由于要反映随着持时 增长引起的能量变化，因而持时影响得到了充分的考虑，这是能量谱的一个十 分重要的特点。本文对能量反应谱的概念、计算方法、性质特点做了详细的总 结及论述，并比较了几种能量反应谱的联系和差别。 3
4、 论述了两步回归统计拟合方法。 强震记录的震级和距离是具有相关性的，通常距离大的强震记录往往对应 大的震级，这一点早被众多的研究者所认同。这种相关性是固有的，也是不可 避免的。本文中所采用的矩震级和断层距就具有这种相关性。因此，在回归分 析时，必须考虑这种震级和距离耦合作用可能会带来大的误差。为了将震级和距离的这种相关性解耦，避免其给回归结果带来一定的不合理性，J o y n e r 和 B O O l e 在1 9 8 1 年提出了两步回归法，即将震级和距离分两步统计。其后众多的 研究者在对地震动参数进行统计分析时，几乎都是采用两步回归法。事实证明，两步回归法的确能够将震级距离解耦，可以减小
5、这种相关性带来的误差。 本文对两步回魍法做了详细的论述，尤其对第二步回归分析时的加权矩阵做了 细致静分耩，并编审了计算程序。 4 地震动能量衰减舰律的统计分析。 本文避所逸熬强震记录按场避条终分为了三类，对每一条强震记录( 本文 中一条记录包禽两个水平分量一个竖向分量) 的两个水平分量分别计算了其 “绝对”输入能量谱、“相对”输入能擞谱、吸收能量谱和滞回能量谱等四种 女量反应谱一8差8)T I s e c )( a ) B = 2T f c )( c ) H ：6T 辅c )( b ) = 4图2 - 6 吸收能量与滞阐输入能量比较( 掌= 5 ，I m p e r i a l V a l l
6、 e y - E l C e n l m A r r a y 4 ，c c 烟p o n 翎F 2 3 0 )一1 8 (。嚣聋晓P笋器g恻( a ) u _ 2T ( s e c ) ( c ) p = 6糨( b ) u ：4辫2 0 吸 l 芟麓量每潜回输入能量跑较( 掌= 5 ，I m p e r i a l V a l l e y - E l C e n t r o A w a y 6 ，C o m p o n e n t = 2 3 0 )一1 9 一。嚣工量严笋抟e蕾x#b避，。黎-Sr；5莲，3 1 引言第三章数据基础地震中结构物的地震反应性态与输入地震动有很密切的关系，这主要
7、通过 震级、震源与工程场地之间的躐离以及场地条件等来刻划。因此，对地震动衰 减巍簿逡行繇炎一壹是滚震工稷串翡一令重要鹃辑究漂越。丽衰减篾律磷究掰 得的结果与所选用的地簇记录亦有很大的关系，不言而喻，选取大量的地震记 录来享鬻数据鹰是研究装减规咎熬一项熬要的工作内容。所选取的记录搬应该 其有空间和强魔的完备瞧”8 。所谓空间完备性是指所选取的记录在距离和场地 条件等方面应该具有广泛的代表性；强度完备陛是指所用记录的震级在工程关 心蓬爨痰痤该较广。塞1 9 3 3 年美国长滚逸震中取得第一条邃录数寒，毽癸范围 已经内取得了大量的地震记录，尤以美融西部、臼本和台湾等地区取得的地震 记录为多。中国大陆
8、也取得了相当数量的地震记录。但相比来说，美国聪部取 得的逡震记录，无论在数量上逐楚在震缀帮距离分布范溅上，部浇英它蛾区要 广。因此，本文做地震动能量衰减规律所使用的地震记激均为美I 蓟西部地震记 录。3 2 地震动数据本文共从美国西部C a l i f o m i a 州1 5 次比较大的地震中选取了2 6 6 条地震记录 ( 见附录A ) ，其中每一条地震记录都锶括两个相互垂嶷的水平分量，这些记 录是在鑫交场蟪表嚣或怒 氛于两缮靛建筑掳豁一藤遗面取得酶，并且记蒙都是 校正过的。处理和校正逡些地震记录的部门或机构有：C a l i f o r n i a D i v i s i o n o f
9、 M i n e s a n dG e o l o g 霸C D M G ) 、U T S 。G b 2 j c a S t a - c e y ( U S G S ) 、U 建姹蛏婶o fS o u t h e r n C a l i 随i a q 粥。等。由于各个机构所给出的地震记泶在形式上有很大的不同，这 样对使用者有诸多的不便。鉴于此，本文对这些地震记泶做了统处理，将记 渌处瑾残了其蠢完整售慧( 场照条传、震缀、鼗层距及螽菇信纛等) 、臻式统 的强麓记录数据库，特别是增加了适合统计应用的矩熬级和断层距等信息， 便于本文或其它的研究使用，这也是本文的翦提条件。3 3 震级参数震缀是衡量次
10、地震震源释放能量大小的物理量，即表征地震强弱的物理 量，也称为震源参数。人们根据不同的地震仪器、不同的地震j 筵相和震相参数，提爨了不溺鼹震级栋度。2 0 一常用的麓级一般肖：地方震级( 肘，) 、面波震级( 吖。) 、体波震级 ( m 。莘瑟搬。) 、持续嚣瀛震级( 掰。) 莘曩矩薄级( 掰，) 等“，这几释震缀臻了 矩阵级M ，外，都有个共同的局限性，就是它们大到一定程度后会出现一个 上限，朗所谓的震级锪和，如蹦3 _ l 所示“88 。这现象与高频地震动饱和有 关，丽此，用麓频分蠹魄震动定义的震经( 蟊髂波震缀m 。和邋方震级掰，) 会 首先达到饱和，但矩震级不会饱和“。现在人们融经接受
11、震级饱和这个概念。大 多数震级只疫楚根据致器记录熬蜂篷是义豹，镪含一定豹频率会义，在阉一频 带范围内，可以期望地震动峰值与震级有良好的相关性。可以理解体波禳级m 或地方震级M 。将与短周期地震动幅值关系最强，而面波震级吖。与长周期地震 动辐僮关系最好”。霞j 迦，俸波震级撤。鞭速方震缀掰，会首先达至键稻。矩震级M ，是 h 姻和K a n , 煳o r l 提出来的唧，他们认为地震矩= 风巷( 扮I )是表示缝震爨懿适姿参数( 缀撵合藏羹鏊震图秘矩张量豹摄念采定义翡一令绝矩震缎M w圈3 - 不同震级与矩震级之间的关系：螈，璇波震级：，斑周期体波震级；m a ，长腮期体波震级：射，地方震级：肘
12、A 。，日本气象厅定义震级。一2 l 一一。；一。；一。；型蝥篓躲蛩型拦鐾塞一m ；一 对力学标度) ，其串，最为遣震波辕射能量，A 拶为应力降，为拉褥常数； 霰窝簸够璃适警静方法诗算出量曩，翊吉登蟹鞠受克褥筑经稳公式t g E , = 1 5 M + 1 18( 3 3 2 )可以用寐作为个耨震缀的定义。殿此，链们建议露地震矩来计算熊量，将式 争1 ) 代入式( 3 一2 ) ，著暴筏逶黧鼢A o - 帮芦t 馥，& # 露或M ”= = 三l g 强。一1 0 。7( 3 - 3 - 3 )( 3 3 q )此震缀即为震矩震级，戏简称为趟震级。矩震级肖以下优点：反映地麓形变 嫂摸熬大小，楚
13、囊援液瀑地震大小静物璎量；愚绝对力学橼鹰，不产生镶酾 问题。敷诧，短震缀姘。适靥予特潮是大震级裁豳的绞诗。 本文掰蔫熬震缀参数就是采蠲豹楚震级。鼹溺记录辩震级菠整为5 ，5 至l ? 。4 ，蠢疆+ 4 l 舔瓣遮震谗录在6 。0 缀凝下豹地震中凝静，蠢1 4 。黼静遘震记蒙在 7 0 以上地震中取得，肖7 2 9 3 的地震记录取自簇级在6 0 到7 0 之间的地震， 这也是大多数地震工程工俸者所关心的震级范慰段。3 。4 距离参数传播介质澍遗麓鹚衰减的影蝻来自三个方磷，即几何扩散、阻尼吸收与非 弹性衰减。这三个因素与台站或场溅爨震源熬距凑有关。震源掰套棼或场逸之 滴静躐亵有穰多舞，魏黼3
14、- 2 瑟示。图中，置为震源距，豫为震中薤，黯舔一 次地震来说，这两个飚离参数怒最容易测到的，托为从台站到凇高能量释放区 的距离，恐积熙分别黢示台站到凝屡破裂区和地表叛层破裂鹩簸短距离。当鼹 离远大予凡倍震源体鹣尺寸时，这熬距离是菲鬻接远鹃，没蠢多大懿差戮；僵 是在震中医，帮当场逡与震源之阂豹藤戆强较小辩，垂褒小予震源钵尺度，不 同定义静距离将给窭簸不穗羁懿结聚，褥震中嚣秘l 抒是王霆熬鬟中兹重点麟究 对象。鹦外，对于大地震，断层往往较长，这几种距离也有很蠛辫的差别。 C a 麟e l l 认为，如聚强地震动是从凝层的一个小区域内外辐射躲，掰颡爨敬 薮墨篷霹髓会小予实器媳场轰鬟这是帮疆懿深的距
15、裹躐。对予毫经菱熏熬避 震，确怒断层鞭是可能实现的，而对予来来要发生的地震，要确定这一距离也 诲是投本不可熊豹。攥笼论从骥椒牲遥楚确定瞧寝瑷采羞，鼹这个最缎鞭离 ( R ，) 采代表设定地震的距离可能怒摇述场源躐离的最好定义。并且目前研究 者几乎郝涎忍欺层鼹髂必衰减援律磷究辩款距离参数。本文褒阏爨分撬中，溪采露筑躁离参数蠢鼗瀑麓，酃瑟争2 中筑囊一一2 2 地表鞭巍3 。5 场地分类场点 叁黼3 屯凡粹溺媳鞘菠屡疆徽瓣定义删场越条侉黠遮鼹渤参数毒凝大瓣雾穗，这一熹翠壤羧众多懿耀褒警辩承 认。西戴，奁瓣建遗麓魂襄减莛系辩，黠绣遗影媲应谈绘予凳分鼹考虑。奖予 场遗分灏，| 麸篷多罴擞嚣场遗酌宏溉镳
16、疑条伟求爨往斡礁定，瓣蛾形戢貔、局 部逸磺祭锌强及髑郝地震蕊等。不溺瀚研究者采掰酶分类方法镌肖薪不闻，螺 J o y r e r 脚B o t t 蹒等，将璇遣蘩终分蕊基蠢秘嚣隧类；瓢匿矗c 蛳将绣穗类鍪 分 蕊敦主、孛餐与蒸岩三鬟。嚣巍静磷究豢在簸遮震魂参蘩衰减媛箨磅究辩，大 多数将酶醴条件分为掰类，p 蒺爨鞠层，如疆浚荣蔺、王蘑黼n 璐簿。 隧薷各种方法帮筝鬏的究簧，弱趋豹分黉爨趋 麓予戳场蟪麓物理措褥来 定量的划分，强璐戆鹣枣越震鹅、一定深度是擎：憋努璃波速、攫蠡豢昭簿度 爱多静搔标稳绩念豹方法警。融赫礅盎采愆楚表叛下瓣寒瑟巍翡乎楚剪镛波 速寒穆为裂势臻越祭终豹椽准脚。B o o r e 霸J o y n e r 瞧采取冈拯熬方法寒对璐媳 进行分激，如表黔l 所示。N E H R P 中对场她分类袋膈舱也魁该方法，廷不 j 霆霹土勰了窥链撼述( F E M A , 1 9 9 7 ) ，袭3
