关于地震动输入机理的分析与探讨

－ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＧ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ 工程地质学报 １ ０ ０ ４ ９ ６ ６ ５ ／ ２ ０ １ ５ ／ ２ ３ （ ３ ） ０ ５ ６ ４ １ ０ Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． １ ３ ５ ４ Байду номын сангаас ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｊ ｅ ｇ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ３ ． ０ ２ ７
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｈ ａ ｓｂ ｅ ｅ ｎｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄｆ ｏ ｒｔ ｈ ｅｓ ｅ ｉ ｓ ｍ ｉ ｃｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒｏ ｆｔ ｈ ｅｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ． Ｍ ｅ ａ ｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅｌ ｅ ｓ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎｐ ｕ ｔ ｏ ｎｔ ｈ ｅｓ ｅ ｉ ｓ ｍ ｉ ｃｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍｉ ｎｔ ｈ ｅｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ． Ｔ ｏｃ ｏ ｖ ｅ ｒ ｔ ｈ ｉ ｓ ｒ ｅ ｇ ｒ ｅ ｔ ｆ ｕ ｌ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｍ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ，ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｋ ｅ ｓ ｓ ｏ ｍ ｅｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｎｔ ｈ ｉ ｓ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ． Ａｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｌ ｙ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄｆ ｏ ｒｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓｔ ｙ ｐ ｅ ｓｏ ｆ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅｔ ｙ ｐ ｅ ｓｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅｏ ｒ ｉ ｇ ｉ ｎ ａ ｌ ｒ ｅ ｃ ｏ ｒ ｄ ，ｍ ｏ ｄ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄｒ ｅ ｃ ｏ ｒ ｄ ，ａ ｎ ｄａ ｒ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ｉ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｗ ａ ｖ ｅ ｓ ．Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅｐ ｌ ａ ｎ ｅ （ ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ）ａ ｎ ｄａ ｒ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ｉ ａ ｌｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙｉ ｎ ｐ ｕ ｔｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇａ ｐ ｐ ｒ ｏ ａ ｃ ｈａ ｒ ｅｔ ｈ ｅ ｎｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ａｓ ｅ ｉ ｓ ｍ ｉ ｃｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｄ ｕ ｒ ｅｉ ｓｆ ｏ ｒ ｍ ｅ ｄｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙｆ ｏ ｒｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｃ ａ ｖ ｅ ｒ ｎ ｃ ｏ ｍ ｐ ｌ ｅ ｘ ． Ｔ ｈ ｅｓ ｅ ｉ ｓ ｍ ｉ ｃｉ ｎ ｐ ｕ ｔ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍｉ ｓｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｐ ｒ ｅ ｔ ｅ ｄｂ ｙｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ

[文章编号]　100228412(2006)0420001205地震动输入能量谱的研究刘哲锋,沈蒲生(湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082)[摘　要]　现有的抗震设计理论,大多是基于承载力或强度的设计方法,与其相应的反应谱理论最大的缺陷是无法反映地震动持时的影响,而以地震动能量作为设计参数时,就能弥补现有抗震理论的不足。

本文按照反应谱理论的思路建立了线性单自由度体系的地震动输入能量谱。

研究发现,输入能量谱对体系的阻尼比不敏感,地震波峰值速度与峰值加速度比值(V ΠA )和强震持时(Δt )对谱形的影响较大,体系的输入能量与地震波的峰值平方成正比,根据分析结果,本文提出了线性单自由度体系输入能量谱的简化计算方法,方法较为简便,计算结果偏安全。

[关键词]　强震持时;输入能量;线性单自由度体系;反应谱[中图分类号]　T U31113 [文献标识码]　AStudy on I nput E nergy Spectra of E arthquake Strong MotionLiu Zhe 2feng ,Shen Pu 2sheng (College o f Civil Engineering ,Hunan Univer sity ,Changsha 410082,China )Abstract :M ost of current methods in seismic design of structures require the provision of su fficient strength against anticipated seismic affects ,the corresponding design response spectra can ’t reflect the effect of duration.Energy 2based seismic design is known as an alternative design methodology.A parameter study is carried out with input energy spectra of linear S DOF system under earthquake ground excitation in this paper.I t is found that the input energy spectra is not sensitive to the viscous dam ping ratio ,the peak ground velocity to acceleration ratio (V /A )and effective duration (Δt )of m otions have much in fluence on the spectra.A sim ple analytical procedure is developed for calculating theinput energy spectra of linear S DOF system ,it can be em ployed in an energy 2based seismic design procedure for determining the required energy dissipation capacity of a structural system.K eyw ords :effective duration ;input energy ;linear S DOF system ;response spectra[收稿日期]　2006202220[基金项目]　国家自然科学基金项目(50378035)1　前言地震对结构的作用从本质上讲是一种能量的传递、转化与耗散的过程,当地震波输入到结构的能量(输入能)小于结构的耗能能力时,结构是安全的,反之结构将会破坏,因此,地震动输入能的研究一直是能量分析方法研究的核心内容之一,已有的研究表明,线性单自由度体系计算获得的输入能与非线性单自由度体系的计算结果差别不大[1,2],同时,多层结构在地震作用下的输入能和与之对应的单自由度体系计算获得的结果也有着较好的一致性[3～5],因此,线性单自由度体系地震输入能的研究结论可以被用来估计实际结构在地震作用下被输入的能量大小。

PGA=0.424g
反应谱形状相似
PGA 下降 38%
反应谱减小仅 8%
PGA=0.260g
Cape Mendocino/Petrolia Earthquake in California U.S.A. (1992 04 25 )
原始 降低 PGA 峰值
PGA 1.300 g
PGA = 1.468g
设防水准，但一些国家如英国、瑞士等实际都
只按MDE进行大坝抗震设计，在重要大坝抗震 设计中，重现期为100年至200年的OBE，在其一
般不起控制作用。对低等级的大坝，其MDE就
取OBE。对于不同等级的大坝，取不同的设防 水准的‘分类设防’，有别于对同一个大坝采 用‘多级设防’的概念。
3. 对于重要大坝，多取MCE作为MDE，MCE
主要设计地震动参数
大坝抗震设计的主要设计地震动参数
峰值加速度 反应谱 加速度时程
峰值加速度(Peak Ground Acceleration PGA )的脉冲型 高频尖峰对反应谱和破坏后果影响不大 历时短 衰减快 离高坝基频远 中国地震动参数区划图 (GB18306-2001) 加拿大新的建筑规范(NBCC 2005) 采用了与地震动加速度反应谱对应的 有效峰值加速度(Effective Peak Acceleration EPA )
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
R＞30km Ms≥6.5 R>30km Ms≥6.5
0.1
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0.7

地震动力分析中的输入问题孙造占(国家科委核安全中心,北京,100088)摘要陈述了地震动力分析的核安全审评依据,分析了在民用核设施的安全审评中关于地震动力分析所遇到的各种不同情况,其中包括支撑介质类型(如岩石地基、非岩石地基、深厚软土层地基等)以及所遵循的规范标准(如中国规范、法国规范、美国规范等)。

给出了其中各种典型实例的自然状况以及就地震动力分析的输入问题的审评经验和体会。

笔者认为,在地震输入问题上和在H AF0101(1)的执行过程中,尚存在着值得探讨的地方。

关键词核安全地震动力分析V ol.20.N o.2A p r .1999核动力工程Nuclear P ow er En g ineerin g第20卷1999第2期年4月1998年2月22日收到初稿,1998年11月16日收到修改稿。

1引言由于中国核电走的是引进和国产相结合的道路,而引进电站的核安全审评,原则上可以遵循被引进国的标准和规范,这就要求审评人员很好地掌握不同国家的核安全法规、标准、规范和导则等,并且,重要的是要了解其大量的支持性背景材料,这对于经验不很多的审评人员(因核安全中心的历史不长)来说,无疑是一个很大的挑战。

目前中国的民用核设施的建造一般很难要求一定要在坚硬的岩石上,核安全中心目前已审评过的民用核设施的厂址包括:岩石地基、硬土地基和深厚软土地基等。

要保证核设施在能抵御地震这一自然现象的前提下尽量的经济合理,它需要深入全面地了解和掌握地震的产生和传播机制、场地的响应及结构与土壤的相互作用等。

在地震动力输入的确定和运用方面,目前我国执行的核安全管理导则为H AF0101(1)(核电厂厂址选择中的地震问题)。

由于我国处于地震多发地区,但可利用的地震资料多数为宏观烈度,无法直接用来推算法规所要求的厂址地区的地面运动参数,只能利用既有丰富的强震记录又有与我国厂址地区相似的地震地质条件的国家(如美国)的数据来进行换算。

因此,我国在地面运动的确定方面,采用的是一种与其他国家不同的方法。

摘 要 ：土石 坝 的 动力 反 应 特 性 和抗 震 性 能 是 水 电工 程 界 关 注 的 焦 点 。设 计地 震 动 及 其 输 入 方 式 的合 理 确 定 是 进 行 大 坝结 构 动 力 反 应 分 析 和 安 全 性 评 价 的前 提 ，也 是 影 响 分 析 结 果 可 靠性 的重 要 因素 。本 文 对 土 石 坝 动 力 分 析地 震 动 输 入 机 制 研 究 中涉 及 到 的地 震 动 参 数 的确 定 和 地 震 动 输 入 方 式 等 的研 究 现状 进 行 了 总结 、评 述 ，并 在 此 基 础 上
快 、造 价较 低 和建 设 周期 短 等 优 点 ，已成 为世 界 各 国高 坝建 设 中广 泛 采 用 的坝 型 。为 了满 足 国 民经
济 发 展 对 能 源 的需 求 、加 快 西部 大 开发 ，水 电开 发 成 为 了我 国重 要 的 能 源 战 略 。我 国 的水 能 资 源
８ ０ ％以上 分布 在 西 部地 区 ，西 部地 区多 高 山和 峻 岭 峡谷 ，易 于修 建 调 节性 能好 的高 坝大 库 ，但这 些
收稿 １ ３ 期 ：２ ０ １ ２ — ０ ６ — ０ ８
基金项 目：“ 十一五 ” 国家科技支撑计划项 目（ ２ ０ ０ ９ Ｂ ＡＫ ５ ６ Ｂ ０ ２ ） ；国家 自然科学基金青年基金项 目（ ５ １ ２ ０ ９ ２ ３ ４ ） ；水利部 “ ９ ４ ８ ” 创 新
项 目（ ２ ０ ０ ９ ２ ９ ） ；水 利 部 公 益 性 行 业 科 研 专 项 经费 项 目 （ ２ ０ ０ ８ ０ １ １ ３ ３ ） 作 者 简 介 ：杨 正权 （ １ ９ ８ ０ 一 ） ，男 ，吉 林 集 安 人 ，博 士 ，工 程 师 ，主 要从 事 岩土 及 水 工 结 构 工 程 研 究 。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：ｙ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｑ ＠ｉ ｗ ｈ ｒ ． ｔ ｏ ｍ

t s d u u u u g u g 0
u s为由于基础位移u g的拟静力位移，显然随时间而变化; u d 为结构的动力位移； 当结构各基础经历一致地面运动时p g (t ) 0.
k k T g
2, 直接积分法（动力时程反应分析） 动力时程反应分析可以描述结构在动力荷载作用下的结构反应 情况，对大跨度结构来说主要分为结构建模和结构输入两大部分。 近年来，随着计算手段的完善和具有较强分析模拟能力软件的开发 与利用，结构特别是大跨度结构的地震反应分析有了深入、全面的 发展，较之20世纪80年代以前主要以SAP或ADINA软件为蓝本的分 析更推进了一步，出现了一些国内外通用的计算软件。 目前各国学者对结构动力时程反应分析，在结构建模方面多采用三 维动力分析模型，并着重对地震波输入模型的影响效果进行深入的 探讨。地震波在介质中传播对大跨度结构地震时程反应影响的有效 模拟是近年来在大跨度结构抗震研究的热点之一，其中尤以多点输 入模型的建立为主要研究领域，主要以分析空间两点地震波的变异 规律，如行波效应、传播衰减、频率变异、入射角度变化等为主。 直接积分法是在结构的各支点输入地震动，求出结构的反应时程。 鉴于多点输入的特殊性，结构反应计算公式必须重新推导。
t m g u g cu t cgu g kut k g u g 0 mu
ut u s u d
d cu d kud p eff (t ) mu s m g u g ) (cu s cgu g ) (kus k g u g ) p eff (t ) (mu
地震发生时，从震源释放出来的能量是以波的形式传至地表，引起地面振动。 对于平面尺寸较大的结构，各支点的地震动是不同的，产生变化的原因大致有三 点。

第 29 卷 第 6 期 2010 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.6 June，2010
地下工程抗震分析中地震动输入方法研究
黄 胜 1，陈卫忠 1，伍国军 1，郭小红 2，乔春江 2
Cu Ku F ( f f damp ) A Mu
2 计算方法和原理
2.1 无限元边界 无 限 元 在 动 力 计 算 中 充 当 吸 收 边 界 (quietboundary)的角色，为保证任何入射情况下均无反射 波，单元本身引入了阻尼系数
[5，12]
。 (1) (2)
f -side 0
(12)
对侧边无限元人工边界，无限元人工边界相应
damp f n-side 0
(13)
竖向内力包含入射波和反射波的合效应，即
fdamp -side d (VP-in VP-out )
(14)
式中： d 为切向阻尼系数，且 d dS = CS 。
2.4.2 S 波(横波)波动输入 S 波在地层微元体中引起的应力主要是切向的
(1. 中国科学院武汉岩土力学所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)
摘要：提出一种新的基于无限元人工边界的合理的地震动输入方法，该方法考虑到地层的辐射阻尼和地震波在地 层中的反射和散射，采用波场分解的方法给出地震波从底面垂直入射时不同边界面上的等效地震荷载的计算公式。 同时进行算例考证，结果表明，采用固定边界计算结果会出现失真的扰动，而采用该方法其结果与解析解吻合得 比较好。最后将该方法用于西藏嘎龙拉隧道三维地震动力分析中，得到一些有意义的结论。 关键词：地下工程；抗震分析；地震动输入方法；无限元动力人工边界；辐射阻尼；波场分解法 中图分类号：TV 144 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2010)06–1254–09

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。
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。
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。

ｌ 简化地震一车一 桥耦合动力分析
将车辆和桥梁分别简化为竖向振动的簧上质量
系和单 自由度模型，忽略轨道不平顺的影响，并假 定下质量块与桥梁结构始终接触 ，则简化的地震～
收稿 日 ：２ １ —１ １ 修订 日 ：２ １ —７ ５ 期 ０ ０１— ； ０ 期 ０１ — ０ １
式中：ｍ，ｃ 和 分别为质量 、阻尼、刚度和位 ，走 移 ；下标 ｂ表 示 地 面 运 动 ；下 标 ｓ和 Ｖ 分别 表 示 支承以上桥梁系统和车辆簧上质量系 ；下标 １ ２ 和
对轮轨关 系为非线性 的情况 ，采用地震动加速度输入模式 ，在车速超过 ８ ・ 时会导致耦合系统动力响应被 ０ｍ ｓ 严重低估 。
关键词 ：车桥系统 ；动力分析 ；地震动输入模式 ；位移输入模 式 ；加速 度输入模式 ；轮轨关系
中 图 分 类 号 ：Ｕ４８ １ ：Ｕ４ ２ ５ ４．３ ４ ．５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
２ １ 地 震 动位移 输入模 式 ．
＝ Ｃ／ ２ ｏ ＝ ｓ （ｍ。 ） ： Ｊ
则式 （ ） 变为 １
ｓ
＋２ ｓ ｓ ［ ＋ｍ ） —ｒ ＋ ＋ 一 （ ｚｇ ｎ ｓ
ｖ ｚ — Ｕ） Ｃ （ｖ ｕ） ＋ ２ ｂ （ｖ ￡ 。 ＋ ｖ “ — ｓ］ ＋ 。
（） ４
绝对 坐标 系下 ，车辆 、桥梁子 系统 动力平 衡方
程分别为
Ｍ ｖ ｖ＋ Ｃｖ ｖ＋ Ｋｖ ｖ — Ｆｖ ｕ ｕ ｕ ， （Ｏ １）
式 （）右端 荷 载 中第 １项 为 动力 相 互 作 用 部 ４
分 ，第 ２ 项为地面运动速度引起的部分 ，第 ３ 项为 地 面运 动位 移 引起 的部分 。
基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目 （ １ ７０ ５ ；中央高校基本科研业务 费专项资金资助项 目 （０ ９Ｂ ７ ） ５１８２） ２０ Ｊ Ｍ０８ ；比利时 一中国政府问 合作项 目 （ ＩＯ ／ ７ Ｂ Ｌ ７Ｏ ）

• 解答
– dx(t)= -x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)/wddT
– x(t)= -1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
dT T
back
.
反应谱的定义
x’’g(t)
s(t)= f(x’’g, ς, T1)
ς Duhamel 积分
Max
back
特解（强迫振动）
• 输入过程的离散化——微脉冲 -x’’g(T)dT
– dx(t)=e-ew(t-T)[A0coswd(t-T)+B0sinwd(t-T)]
• 冲量作用
– 前后位移为0： A0=x(T)=0
• 动量定律：x’(T)=-x’’g(T)dT
– B0=[x’(T)+ewx(T)]/wd=-x’’g(T)dT/wd
的不确定性是无法降低的 – 结构模型化（包括结构动力分析模型和结构恢复力模型的确定）是必
需的，与此有关的不确定性可以通过模型和算法的改进予以降低 – 迄今为止的各种破坏指标与准则几乎都是在特定加载制度下某种结构
或子结构试验的基础上提出的，还没有一种被广泛接受，当推广应用 到其它的加载形式和不同的结构类型时具有不确定性。 – 尽管地震动输入所包含的与震源和传播介质的随机性等有关的固有不 确定性不能降低且必须接受，但与地震动模型化及参数的非完备知识 等有关的系统不确定性将随着强震观测数据的日益积累以及地震预测 技术的提高而逐渐降. 低
按静力法计算。
底部剪力法
弹性 将结构第一振型的最大响应视为结构的总地震最大 适用范围很有限，属振型
反应谱 响应，按静力方法求解。
分解法的特例。
将输入在时域上进行离散，在各时段内的动力问题 与线性结构的不同在于结

地震波的产生与传播
地震波是由地震震源激发，在地球内部传播的波动场。地震波的 传播速度和方向受到地球内部地质构造和物理性质的影响。
地震波的特性
地震波具有波动特性，包括振幅、频率和相位等，这些特性在地震 工程中具有重要的应用价值。
地震波的输入方法
在土结构动力相互作用分析中，地震波的输入方法包括垂直分量和 平行分量，通常采用加速度时程或速度时程作为输入。
要点二
地震波输入方法在土结构动力相 互作用分析中的复杂性
地震波输入方法需要考虑地震波的特性以及土结构的动力 特性，涉及到多物理场、多尺度、非线性等多个方面的耦 合问题，具有很高的复杂性。
研究现状与发展
地震波输入方法的研究现状
目前，地震波输入方法的研究已经取得了一定的进展，包括基于理论分析的方法、基于数值模拟的方法以及基于 实验研究的方法等。
04
土结构动力相互作用的数值模拟与分析
有限元方法与程序实现
有限元方法
土结构动力相互作用分析中常用有限元方法进行数值模拟，该方法将连续体离散 化为有限个单元，通过节点传递力和位移信息。
程序实现
有限元方法需要编写程序进行计算，一般采用高级语言如Fortran或C进行编程， 并利用有限元分析软件进行前处理、计算和后处理。
土结构动力相互作用分析中地震 波输入方法
汇报人： 日期:
• 引言 • 土结构动力相互作用分析的基本理
论 • 地震波的输入方法 • 土结构动力相互作用的数值模拟与
分析 • 地震波输入方法的改进与优化 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
要点一
地震波输入方法在土结构动力相 互作用分析中的重要性
地震波输入方法对于准确模拟和预测土结构在地震作用下 的反应具有关键作用，有助于更好地理解和评体颗粒、水和空 气组成的复杂物质，具有 非均匀性、各向异性和时 间变化性的特点。

高层建筑结构的输入地震动问题探讨摘要：本文主要对层状场域内高层建筑的地震动输入问题，针对目前普遍采用的将地基、基础与上部结构整体建模进行地震响应分析的整体法，提出了其合理的输入地震动的选取方法，并结合现行规范，为某实际工程进行地震响应分析的输入地震动进行了选取。

关键词：高层建筑结构；地震响应分析；输入地震动；地基、基础与上部结构整体模型0 前言对高层建筑结构进行地震反应分析是研究高层建筑结构抗震性能的重要手段，合理选择用来进行时程分析的地震波对分析本身来说是至关重要的。

目前普遍采用有地基的整体有限元模型，在地基底部输入地震动时程，地基取有限的区域与基础和上部结构组成一个整体计算模型，在计算结构地震动力反应时考虑基础与地基的影响，如图1所示。

本文结合现行规范要求，对如何选取整体有限元模型的地震动输入进行了探讨，提出的选取方法供实际工程参考。

图1整体有限元模型的地震动输入1地面地震动时程的选取现行规范要求：进行时程分析时应选用不少于两条的实际地震记录和一条人工地震记录。

1.1实际地震记录所谓实际地震记录就是把一些著名的强震记录作为输入波，如El-Centro记录,Taft记录,Olympia记录等。

传统选择实际地震的地面记录做法是:1、选择建筑物所在场地邻近地点的实际地震动记录，但这种机会极少；2、选择国内外同类场地上的地震记录。

但是，随着对地震波三要素(最大峰值、频谱特性、持续时间)的深入理解，在选择国内外同类场地上的地震记录时，应采用比例法调整加速度幅值和时间尺度，修正频谱,以适应实际场地的抗震要求。

1.2人工地震记录人工合成地面地震动时程的数值方法主要分为三角级数法，随机脉冲法和自回归法。

其中三角级数法是把地震看成不同频率的具有随机相位角的三角级数的迭加,采用快速傅里叶变换(FFT)技术,生成拟合反应谱的人工地震波，它不仅能满足地震波三要素,而且与现行的反应谱法相衔接,更为方便的是可以通过改变初相角的初值模拟地震的随机性，因此具有一定的优越性而被广泛采用。

震源机制的研究进展及应用分析地震是一种自然灾害，给人们的生命和财产带来巨大的损失，因此对地震的研究具有极大的意义。

震源是地震现象的关键环节，它是指地震所发生的区域的产生地震能量的位置。

震源机制是指造成地震的地震源内部构造与断裂模式。

对地震的研究和预测，以及防范地震灾害等，对于对震源机制的深入研究和分析有着至关重要的作用。

本文将分析震源机制的研究进展及应用分析。

一、震源机制的研究进展震源机制研究的历史可以追溯到20世纪初，当时美国学者H.F. Reid提出了著名的断层面模型，即地震是由于地壳内部断层面的突然断裂引起的。

之后，随着地震仪器的不断改进，震源机制研究的精度和范围也得到了提高。

现代的震源机制研究基于地震波和地震测量的数据，并运用数学和物理学的原理推导，对震源机制进行分析和确定。

震源机制的研究主要应用了坐标系变换的思想，推导出震源的类型、产生方式和参数。

同时，随着高性能计算能力的改善，震源机制的研究也得到了进一步的发展。

震源机制的研究可以分为两个基本方向：第一个方向是地震学家利用地震波形数据提取出具体的震源机制；第二个方向是利用地球物理学方法，如地球物理场观测和材料学分析等，分析震源机制内部的物理过程。

在两个方向的基础上，震源机制的研究得到了极大的发展。

目前，已经有许多关于震源机制的研究成果，部分研究成果在实际应用中也得到了广泛的应用。

二、震源机制的应用分析1、地震预警震源机制的研究对于进行地震预测有着至关重要的作用。

通过对震源机制的研究，可以推导出一个地震的规模以及地震所处的位置和区域。

这些信息可以用于制定预测方案和预警发布。

预警系统可以通过采集地震数据、监测地震波和震源机制等方式及时发现地震，进而让地震灾害减少损失。

2、工程勘测震源机制的研究对于对工程勘测的评估具有相当重要的作用。

震源机制的分析可以预测特定震源引起的地震波传播和震荡规律，也可以预测重要结构元素的地震响应。

这些预测可以用于规划建筑结构的设计，以减少地震灾害对建筑物造成的损失。

输入问题
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（traveling wave effect），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 （incoherence effect），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（attenuation effect），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（site effect），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。
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。

地震的机理与预测地震是地球表面震动的自然现象，是由于地球内部的能量在瞬间释放所引起的。

地震会给人们带来灾难性的后果，因此，对于地震的机理与预测的研究对于人类的生命财产安全至关重要。

一、地震的机理地震发生的原因是地球内部能量的快速释放。

地球内部能量来源于地球内部的地核和地幔热量的自然辐射。

这种能量的积聚会导致压力增加，当地质构造达到一定破裂强度时便会发生地震。

地震流体学模型的研究表明，地震的发生需要符合以下三个条件：1.存在足够的能量积聚。

地震的能量积聚需要消耗大量的时间，只有当足够多的能量积聚时才会有足够的压力和应力导致破裂。

2.破裂的滑移面需要存在。

岩石内部的压力和应力是非常复杂的，只有在滑动面压力超过了滞涨强度才会引起破裂。

在大部分地质体中，破裂的滑移面是存在的，但也存在一些地质体内不易形成滑移面的情况。

3.要有热水润滑液体。

地震破裂在一定程度上也需要滑动面内的液体来进行润滑。

根据地震的机理，目前许多科学家采用“应力弛豫”来预测地震，根据应力的快速释放过程分析并推测地震的时间和区域。

二、地震的预测目前，预测地震的方法比较复杂，主要包括地震带地震预测法、地震前兆观测法、地震概率法、地震物理法、地震电磁波法等。

1.地震带地震预测法地震带预测法是基于地震带中地震活跃度的变化来预测地震发生的概率。

当地震带中的地震活动量增大时，就更容易发生大地震。

因此，科学家会跟踪观测地震带地震的活动情况，以便更加准确地预测未来的地震发生情况。

2.地震前兆观测法地震前兆是指在地震发生前，一些微弱的变化，如地面的畸形、地下水位的变化或土壤中的气体特殊味道等等，都可以作为预测地震的前兆指标。

科学家通过对地震前兆的观测来预测地震的发生，但是地震前兆的出现与地震的关系复杂，地震前兆并不总是能预测到大地震的发生。

3.地震概率法地震概率法是一种基于历史地震数据和地震间的统计性来预测未来地震发生的概率的方法。

因为历史地震与现在地震的地质构造和活动特点类似，所以对历史地震数据的分析可以预测出未来地震的发生概率。

文章编号:055929342(2001)0820048203地震危险性分析和地震动输入机制研究陈厚群,李　敏,张艳红(中国水利水电科学研究院,北京　100044)关键词:地震危险性分析;反应谱衰减规律;设定地震;不确定性分析;地震动输入;GIS技术;水库诱发地震摘　要:结合溪洛渡、小湾等水电工程,研究300m级高拱坝抗震设计中的基础性问题:场址地震危险性分析中不确定性因素的影响分析、重大工程设定地震的确定、设计地震动输入机制等,建立了中国水利水电强震记录数据库,首次将地理信息系统(GIS)高新技术用于水库诱发地震危险性预测分析。

本专题成果为大型高拱坝工程的抗震设计提供了一套更合理、具有实用价值的科学方法。

中图分类号:T V64214;T V312 文献标识码:B我国是一个地震活动比较频繁的国家,同时又是缺乏强震记录的国家。

水工结构抗震计算所需的基本地震动输入参数无法直接得到。

本专题重点研究300m级高拱坝抗震设计中的基础性问题,包括场址地震危险性、设计地震动输入机制和水库诱发地震危险性评价方法等。

为在西南、西北高地震烈度区兴建的300m级高拱坝的抗震设计提供实用、合理和科学的设计依据。

1　地震动参数衰减规律在地震危险性概率分析方法中,地震动衰减规律无法根据我国的实际资料统计得到。

本专题分析研究了区域介质品质因子Q值对地震动参数衰减的影响,探讨缺乏强震记录条件下地震动衰减规律估算的新方法。

建立了考虑Q值的地震动衰减关系式,主要结论如下:(1)Q值的离散性很大,反演美国西部两个小区域内的Q值所引起的地震波幅值谱衰减的差别比大区域范围(如美国西部、中国华北地区或成都地区)之间的地震波幅值谱衰减差别还大。

(2)由于平均化的原因,在距离小于50km、频率小于10H z时,可忽略品质因子差别引起的地震动衰减关系的变化,即直接引用美国西部的地震动衰减关系。

(3)建立了考虑品质因子和不考虑品质因子两种衰减关系式:ln y=b1+b2M+b3ln R1+b4・πfR1QV(1)ln y=b1+b2M+b3ln R1(2)式中,y为要统计回归的地震动参数(峰加速度、速度、反应谱;付氏幅值谱等);b1,b2,b3,b4为统计回归系数;R1为震中距;f为频率;V为波速(一般用S波速);Q为不同地区介质品质因子。

DISCUSSION ON EARTHQUAKE INPUT METHOD
*
YU Hai-feng，ZHANG Yao-chun
(School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150090, China)
地面输入加速度增量； M ss 、C ss 、 K ss 为结构非支 承点自由度的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵。 将式(1)地面加速度项移项后可得：
d d d g M ss ∆u s + C ss ∆u s + K ss ∆us = − M ss ∆u
(2)
比较式(1)和式(2)， 承受地面加速度时的结构响 应与固定在基础上的结构承受各层质量乘以地面 加速度产生的外力(外力作用方向与加速度方向相 用式(2)求解结构在一 反)时的结构响应是一致的[4]。 致激励下响应的方法称为等效荷载法。 1.2 多点激励下地震动输入机理 在绝对坐标系下，结构与地面一起运动，此时 将结构支承点作为非支承点处理，结构自由度分为 有地震输入的支承点自由度和无地震输入的非支 承点自由度，各质点的运动用绝对位移、绝对速度 和绝对加速度表示。多点激励下不考虑结构响应时 间延迟效应的动力学平衡方程的增量形式写成[5]： s ⎫ s ⎫ ⎡ M ss M sb ⎤ ⎧ ⎪∆u ⎪ ⎡C ss C sb ⎤ ⎧ ⎪∆u ⎪ +⎢ ⎬ ⎨ ⎬+ ⎢ ⎥ ⎨∆u ⎥ ∆ u M M C C ⎪ g⎭ ⎪ ⎣ bs ⎪ g⎭ ⎪ bb ⎦ ⎩ bb ⎦ ⎩ ⎣ bs
入方法的机理进行了分析，结果表明：直接求解法是通过直接求解结构在多点激励作用下的动力学平衡方程来获 得结构响应的方法；相对运动法将结构响应分成(拟)静力响应和动力响应，可用于一致激励下结构的线性和非线 性反应分析；大质量法是一种简化计算方法；等效荷载法将地面运动用等效力代替，只能用于一致激励情况。给 出的线性与非线性分析数值算例也验证了一致激励情况下，在不考虑结构响应的时滞效应，以及结构阻尼处于常 用阻尼(阻尼比 0.02―0.05)范围内时，除在非线性时间历程分析的中后期，等效荷载法与直接求解法、大质量法 计算的结构响应有一定的偏差外，上述各种方法计算的结构响应保持较好的一致性。考虑到一般的建筑结构在罕 遇地震下并不会全面进入塑性，三种方法的计算结果应该都是比较可靠的。 关键词：地震动输入机理；结构响应；对比；直接求解法；等效荷载法；大质量法 中图分类号：TU318 文献标识码：A