摘 要

由于脉冲型地震动速度的窄带频谱特征，工程人员采用特定解析式来模拟脉冲型地震动的时程曲线。目前有多种近似模型得到开发，在已有的近似模型中，有对速度时程采用了三角形波形、正弦或余弦波形、小波等形式进行模拟的研究。本研究比较既有的近似模型在用于结构地震响应分析时的精度，分析各自的适用范围，为今后对近似模型的选择提供参考。本研究将选取七条地震波，采取不同的既定的脉冲模型，对多种不同的阻尼比下的反应谱进行比较，得到不同脉冲模型在不同的脉冲地震波下的适用范围及其优劣性，为今后对近似模型的选择提供参考。

关键词：近场地震动；脉冲模型；反应谱

Abstract

Because the speed of Ground Motions has narrowband spectral characteristics, engineers use specific analytical formula to simulate the time history of ground motions. There are many different approximate models have been developed. In the existing approximate model, there is a triangular waveform , sine or cosine wave, wavelet and many more to simulation the speed process of studies. This study compared the existing approximate model in the accuracy of structural seismic response analysis and analyze their scope for the approximate model selection in the future reference. This study selected seven seismic waves and take a different predetermined pulse model, to compare the reaction in many different damping ratio spectra and obtain their advantages and disadvantages at a different pulse models and different pulse seismic waves scope for the reference of selecting the approximate model in the future .

Key Words：near field earthquake; pulse model; response spectrum

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

第2章 近场地震动 3

2.1 近场地震动的提出背景 3

2.2 近场地震动的定义 3

2.3 近场地震动的特性 4

第3章 选取脉冲地震近似模型 6

3.1 Jack W. Baker脉冲模型 6

3.2 三角函数脉冲模型 7

3.3 Charles Menun脉冲模型 8

3.4 小波脉冲模型 9

第4章 近场地地震波的选取 11

第5章 近似模型的比较分析 12

第6章 结论及展望 34

6.1 结论 34

6.2 展望 34

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着全球人口的增多和世界经济的发展，地球总资源并没有增加反而不断的被消耗，现在人类平均占地资源已经越来越小。对于日渐增大的人民群众生活需要，建筑用地已经逐渐发展到地震断裂带等危险地带。如今在地震多发区，许多大跨桥梁、输气管道、大坝的新建，使得抗震设防刻不容缓。地震灾害分布全球，已经成为一个全球建筑行业不可忽视的一个问题。地震由于其破坏威力和其难以预料性，已成为危害当前人类生命财产安全最严重的突发式自然灾害之一。

从最近几十年的地震统计记录来看，全球地震灾害频繁发生，其中震级为8级以上、震中烈度达11度以上的巨大地震2次；震级为7级以上、震中烈度为9度以上的强震约20次；震级在2.5级以上的有感地震以数十万计^[1]。地球上平均每年发生地震数目不计其数，且从地震统计记录来看呈现一种缓慢增加的趋势。从20世纪90年代以来，在全球的人口密集的城市中，也发生了许多地震灾害巨大，影响严重的震级6级以上的强震。其中有代表性的有1970年秘鲁的地震、1976年中国的唐山地震、1995年日本的神户地震、1999年土耳其的科贾埃利地震以及2008年中国的汶川地震等，这些近场脉冲型地震对地面建筑结构措施产生的破坏及所引起的次生灾害所产生的巨大损失已引起了人们的担忧。其中，1994年美国的Northridge地震和1995年日本的神户地震地震能量在人口集中的城市地区大大积累，造成了许多生活设施、交通道路、生命工程的严重破坏，相继的次生灾害也对城市的各个方面有影响，对国家的经济和人民的生命财产产生了巨大的损失，对灾区的援救重建造成了巨大的影响。因此，深入研究地震灾害和工程结构破坏的发生机制，从中找到现有的抗震设防理论的不足之处，改进抗震设防的方法，研究切实可行的抗震设防方法，以减小在未来可能发生的地震作用下地震灾害引起的结构破坏、人员伤亡和财产损失。本研究采用比较既有的近似模型在用于七条不同脉冲地震波下结构地震响应分析时的反应谱，通过得到的反应谱分析近似模型的精度和各自的适用范围，为今后对近似模型的选择提供参考。因此在脉冲型近场地震动模型的比较研究，对我国未来近场地震动下建筑抗震设防的布置具有重要意义。

1.2国内外研究现状

早在1957年美国的Port Hueneme地震的发生时，科学家就认识近场地震与远场地震在地震特征和地震破坏有着显著差别。近场断层地震动指当震源距较小时，从震源处辐射出的地震波中的近中场区域脉冲能量影响不可忽略的地震动^[2]，一般表示断层距小于20～60km的范围场地的地震动^[3]。由于脉冲型地震动速度的窄带频谱特征，工程人员采用特定解析式来模拟脉冲型地震动的时程曲线。，通过对近年来近场地震动的大量近断层地震记,录等地震资源进行研究，现在在近断层断层的位置、埋深、断裂面滑移方向、倾角，断层的特性，滑动机制和结构的响应已经取得了不少的研究成果。这种以断层滑移为本质运动特征的地震动与中远场地地震动相比，具有一个长周期脉冲，以及它的加速度时程上有一个较大的峰值等更复杂的特征^[4]。

目前对于近场地震动的研究主要集中在两个方面^[5]：一是对现在已经发现的各种近场地震动进行统计记录，通过近场地震动数据库里的地震波时程分析，根据近场地震动的典型特征，对研究地区的场地特征进行收集，根据历年来的地区地震记录，对该地区可能发生的地震进行数值模拟，从而对地区的抗震设计进行数据理论支持，为地区的工程建设提供抗震措施的模拟。二是对近场地震区域的实测地震动进行数据整理，分析得出近场地震动的特点和规律，研究得出近场地震动的地震影响机制，描述近场地震动的基础参数。Bertero(1976)等研究了速度脉冲对工程结构的影响;（Hall 等(1995)、Somerville (1998)、Sasani 和Ber tero (2000)、A lavi 和Kraw inkler (2000)以及Orozco 和Ashford(2002)）则尝试将速度脉冲进行简化。目前在近断层脉冲型地震模拟方面，有多种近似模型得到开发，国内外学者(Makris,Black.2003;MavroridiPapageorgiou,2003;
Mernm,Fu,2002;Alavi,Kravoinkler,2000)提出了多种脉冲型表达式来模拟脉冲时程曲线。在已有的近似模型中，有的对速度时程采用了三角形波形、正弦或余弦波形、小波等形式进行模拟的研究，有的在模型表达式上只由脉冲周期和速度峰值两个参数确定，有的则还考虑了脉冲形状调整参数、速度时程的包络函数等^[6]，并最终利用这些等效脉冲模型研究工程结构对近场地震脉冲下的响应特点。

第2章 近场地震动

2.1 近场地震动的提出背景

人们在1957年美国的Port Hueneme地震之后，才对近场地震动有所了解，认识到近场地震动和远场地震动存在不同之处。在1994年的Northridege地震后，美国在UBC97规范中明确规定在考虑到地震设防上必须考虑近场地震动的地震因子对结构的影响。这是首次将近断层的结构抗震设计列入国家建筑规范中。当时提出的近场因子还是有一定的局限性，只是通过近场抗震系数和不同的断层机制来反映近场地震动对结构的影响，对于高层结构、大型基础设施和含隔震结构的建筑的影响，并没有给出明确的规定。随后，推动了全球地震界对近场地震动的研究，各国对近场地震动区的结构抗震设防也作出了相关规定。日本在新版伤亡标准建筑法中规定，在考虑到近年取得的近场地震动近断层运动脉冲记录的条件下，必须在地震的反应谱曲线和参数上引入近场地震动的影响系数。在1995年的kobe地震后，日本颁布的桥梁抗震设计规范中明确规定了近场地震动和远场地震动两类地震作用的不同之处^[7]。在第二类的近场地震动中，考虑到类似kobe地震的近场地震动的方向性效应和长周期加速度、速度、位移脉冲对建筑结构的破坏影响，将以前桥梁抗震中未考虑从到的近场作用因素考虑其中。中国也相继在建筑抗震设计规范（GBJ11-89）中描述了近场地震和远场地震动对建筑结构的作用，提出了划分近场地震动和远场地震动的初略方法。在对近场地震动的研究中，近场地震动的灾害破坏主要包括两个方面^[8]：一是由于震源近断层两侧的错动对断裂带地区的建筑结构所造成的破坏，这被称为发震断层的“撕裂破坏”；另一是由于近场地震动的近场效应所引起的地面强烈破坏运动，造成的地面基础设施、交通路线、生活建筑设施的破坏。这是近场地震动相比较于中远场地震动而言，地震灾害更为严重，破坏所引起的经济损失更加巨大的原因。

2.2 近场地震动的定义

地震可分为远场地震动和近场地震动（近断层或近源地震动）。远场地震动主要是与场地相关反应谱的特征和影响场地的地震震级相关。对于近场地震还是远场地震的确定，主要与该地震的震级大小和震中距的远近有关。现如今对于近场地震的定义，较为一致的说法是：当地震发生的震中距较小时，在震源辐射地震波的近中场区域地震效应不可忽略的地震动。近场地震由于与震源的距离很近，在地震发生的断层面所处的状态、破坏形式、破裂机制、能量传播路径都会对近场地震区域的地震波破坏强度和地震灾害范围产生很大的影响。根据地震的震级和震中距在近场地震区域所造成的影响，在同一地震震级下随着震中距的增大，近场地震动的破坏效应会相应减弱。近场地震动多含有短持时高能量的脉冲运动，当近场地震动的地震波传播方向与断层破裂方向一致时，由断层破裂运动引起动力脉冲的高能量将直接作用在地面建筑受力结构上，造成结构的薄弱部位会产生非常危险的位移和变形。Anil K.Chopra，Alavi、Somervile，李新乐，王长龙、李爽、谢礼立，Blume、Krinitzsky,Chang等人都对近场地震动区域有不同的介绍，在断层距上得到不同的标准。目前对于近场地震动的区域划分并没有一个明确的标准。在研究近场地震动的问题时，各国学者对近场地震区域的不同选择，将会导致最后的研究结论产生较大的差别。这种情况对于近场地震的研究会产生很大的阻碍，导致许多近场地震动的研究进入一个误区。根据现在地震界的关于近场地震区域的研究，本文将与近断层破裂面的距离小于20Km的区域看做近场地震区域^[9]。

2.3 近场地震动的特性

近断层地震动的基本特征包括四个效应^[10]：近断层的速度脉冲效应、近场地面方向性效应、上盘效应和竖向加速度效应。近断层的速度脉冲效应主要是指近场地震动的速度脉冲相对持续时间比较长，由于地震的震源离近震区域的距离比较短，在近场地震波的位移和速度时程上会出现较大的峰值。近场地震的脉冲周期比中远场的大，这也是近场地震会产生较大的灾害的一个原因。在破裂过程中，发震断层会释放出板块内部在挤压、错动中积聚的巨大能量。由于能量是随断层面错动瞬间得以瞬间释放，而且在破裂过程地震波在向四周传播并不是绝对等速的。因而这种速度传播的不均匀性导致了在垂直断层方向上的传播速度会明显大于平行断层方向的速度且最终在各方向达到的峰值速度上，垂直断层方向也会是最大值。因此，在观测台上记录的垂直断层方向水平分量中引起一个单一的脉冲波形。地震的频谱会由于震中距的大小而产生较大的差别。地震的震中距越大，地震波的频率越低。随着地震波传播方向的距离加大，地震波的能量也会衰减得越快。根据地震波的统计研究，近场地震动以高频脉冲为主，中远场地震动以低频脉冲为主。因此在同一近场地震区域，基本周期较长的建筑结构会承受更大能量脉冲影响，更容易在地震动中产生结构位移变形。由于近场地震动的速度脉冲效应，故某些近场地震动也可直接称为脉冲型近场地震动。近场地面运动的方向性效应是指当断层面上破裂朝着一个观测点传播，且破裂的传播速度接近于剪切波速时，导致断层面福射的大部分能量几乎同时到达这个观测点，在该点的记录开始部分形成一个明显的长周期脉冲。由于近场方向性效应，沿断层面的地震动传播方向的不同可分为：向前方向性效应、向后方向性效应和中性效应，会引起幅值、频谱等有较大差异。一般所说的方向性效应是指向前方向性效应。由于方向性效应的原因，在地震波的传播方向上，地震波的频率会不断减小，但地震波的小波会增加。断裂层的类型、破裂速度、断层的深度、相对滑动方向等都对方向性效应会产生很大的影响。断裂层处发生斜断层地震，断层处相对向上运动的断层称为上盘，相对向下运动的断层称为下盘。上盘效应可以看成是一种几何效应，主要是指断层在地表的迹线与地面的交点的地震动比位于断层迹线的等距点的地震动要强，且由于上盘区域离震源的距离相对下盘较近，所以上盘强地震动衰减速率相对要慢一点，强地震分布区域更大。从震源断裂层处传播的地震波会在上盘地表和断裂层之间多次反射从而对上盘地表输入更大的能量，加剧了上盘区域的地震效应。竖向加速度效应是指在地震中，高层建筑物除会受到水平方向上的加速度值外，还会承受竖向加速度，并且由于高层建筑的竖向高度影响使得竖向加速度值不可忽略。这就导致结构会受到水平力和竖向力的综合作用，结构的受力会更加复杂，结构的抗震设防要求需要适当加强。竖向加速度效应一般在近场地震区域的高层建筑中表现更加明显。

第3章 选取脉冲地震近似模型

3.1 Jack W. Baker脉冲模型

对于简单的输入脉冲可以只通过几个参数来完全定义。在这种情况下，从横向荷载模式对应于单自由度度结构的刚度和剪切强度所造成的SRSS组合模态响应为一个恒定的速度反应谱。这种加载模式定义为为SRSS负载模式，符合当前地震研究规定。图1显示了Jack W. Baker脉冲模型下对应的峰值随时间变化的加速度，速度和位移谱。Jack W. Baker脉冲模型适用于在简单脉冲下基本周期T远大于等效脉冲周期Tp的p2模型，脉冲取决于两个参数即脉冲周期（Tp）和最大的地面加速度（）或者速度（， ）。脉冲周期定义为一个完整的速度周期持续时间。该方法取决于在近断层建立等效脉冲运动，如果一近断层运动的地震脉冲记录中，可确定脉冲周期和最大速度值或最大加速度值，则可将地震脉冲近似于Jack W. Baker脉冲模型。该模型加速度表达式如下：