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摘要
地震地面运动由震源、传播路径和场地条件共同决定,对其确定十分复杂。同时,近年来的几次大地震表明,近断层场地是地震动最为复杂和震害最严重的区域。在当前全球大震频发(仅我国08年后就发生7级以上大地震5次)和“韧性城市”建设(北京已率先于18年将创建“韧性城市”纳入城市总规)等背景下,场地条件复杂地区精确可靠近断层地震动参数的需求以及重大工程结构抗震分析中多维多点宽频输入的需求变得尤为迫切。为此,本文整体考虑震源破裂、地震波地壳层传播和场地效应对地面运动的贡献,发展了近断层宽频地震动的FK/SEM/FEM成套模拟方法,进而系统开展了大尺度复杂场地近断层地震效应研究和从震源破裂到结构响应的全过程分析研究。本文主要研究内容如下:1、提出了有限断层震源地壳层宽频地震波传播模拟的频率-波数域(FK)方法。首先借助层状半空间动力格林函数求解思路,建立基于修正动力刚度矩阵的FK方法,使之适用于地壳层半无限空间中位错点源宽频地震波传播求解;进而充分调研地震学和地球物理等学科中有限断层子源划分和震源参数设置原则,引入能够同时表达低波数确定性和高波数随机性的运动学混合震源模型,在点源叠加框架下发展了有限断层宽频地震反应求解程序并充分检验了其正确性。2、提出了基于物理的三维复杂场地近断层地震波场模拟的FK-SE混合方法。遵循两步区域缩减思想,以半解析FK方法求解半无限空间宽频地震反应,模拟震源传播至截断区域边界处的波场输入,以高精度谱元法(SEM)精细求解三维复杂场地模型区域波场,处理复杂散射和非线性等问题。充分整合FK和SEM各自在地震波场模拟方面的优势形成混合方法,实现了包含从有限断层震源到复杂场地(含近地表低波速土体)整体物理模型的三维地震动宽频高效模拟。3、提出了考虑“震源-路径-场地”效应的工程结构地震响应模拟的FK-SE-FE混合方法。遵循三步区域缩减思想,以FK-SEM求得的地震波场作为多维多点近断层地震动输入,结合工程上更为实用的有限元法(FEM)完成工程结构精细建模及弹塑性地震反应分析。形成的FK-SE-FE方法搭建了地震学到工程学的桥梁,实现了从震源破裂到结构响应的全过程物理模拟,进而可完成设定地震作用下的结构动力时程分析,有望为重大工程抗震评估提供一个新的思路与方向。4、将提出的近断层宽频地震动FK/SEM/FEM成套模拟方法广泛应用于确定性物理模型下的地震动场预测、场地地震效应和场地-结构体系地震响应等问题,全面考察所建立方法对全链条灾害评估的适用性。首先,基于FK方法,研究了位错点源作用下天津地区跨尺度(地壳至岩土)场地的地震反应;研究了运动学有限断层震源下青海门源6.9级地震近断裂三分量地面运动特征。其次,基于FK-SE两步法,以梯形理论盆地和武都实际盆地为例,开展了三维沉积盆地近断层地震效应研究;以1679年三河-平谷8.0级地震和2021年云南漾濞6.4级地震为例,开展了考虑地形地貌的区域尺度实际震区近断层地震动场预测研究。最后,基于FK-SE-FE三步法,分别以Benchmark抗弯钢框架结构和天津地铁地下车站为实例,开展了设定地震下工程结构的地震响应研究。本文研究揭示了震源特性、传播路径和场地条件对地震灾害的综合影响,得到了一批有价值的结论。研究成果可推动基于物理机制的地震动模拟在大尺度、宽频带和全过程方面的发展;可为地震灾害的形成机制和发育规律提供直接理论支持,为复杂场地区域工程结构抗震设防等工作提供参考依据;可助力“韧性城市”建设,解决复杂场地近断层地震效应和重大工程多维多点地震动输入等领域的瓶颈问题。
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