地震动入射角度对盆地地震响应的影响

李传勋, 丁文昌, 金丹丹, 刘 恒

(1. 江苏大学 土木工程与力学学院, 江苏 镇江 212013; 2. 南京工业大学 交通学院, 江苏 南京 210009)

大量的震害资料及研究表明,局部地形变化对地震动影响十分显著.近二十年来发生在全球范围内的若干次重大地震也表明不同地形情况下场地地震效应具有不同特征,其中,盆地地形对地震动和震害的影响越来越受地震工程研究者的关注.研究盆地地震动响应分布规律及特征,对盆地城市的规划、抗震以及防震减灾具有重要意义.

1985年墨西哥地震中,距震中400 km外的墨西哥城比震中区的震害还要严重,分析认为这与该城市坐落于深厚沉积盆地有关[1].1995年Kobe地震中,由于盆地边缘放大效应和破裂方向性效应的共同作用,造成了大阪盆地靠近盆地边缘的一侧形成了一个长约20 km、宽约1 km的条带状严重破坏区域[2].J. F. SEMBLAT等[3]研究表明:盆地下伏基岩面碗状起伏的几何形状把地震波聚焦在盆地内特定位置,盆地边缘产生的面波或衍射波与直达的地震波发生相长干涉而使地震动放大.C. G. SUN等[4]分析得出盆地几何形状及其特殊场地条件对其地震动响应有重要影响.近年来的许多研究主要探讨的是地震波垂直入射时盆地地震响应规律.李雪强[5]通过建立单一介质的开口盆地模型,给出了边缘效应出现的区域和放大倍数的估计.陈国兴等[6]通过垂直输入地震动,研究了福州盆地地形效应,对其地表地震动特征进行了总结,结论是地表峰值加速度在盆地边缘得到显著的放大.而对于近场地震动而言,用垂直入射分析地震动输入情况与实际情况存在较大差异.研究地震波斜入射时盆地地形场地地震动响应特征具有一定的学术价值与工程意义[7-9].

文中拟利用ABAQUS软件结合黏弹性人工边界,重点研究盆地地表PGD和边缘效应、聚焦效应随入射角度变化的特征和规律,以期为盆地地形场地抗震设计提供一定的参考.

1 基于黏弹性人工边界的地震输入

1.1 黏弹性人工边界在ABAQUS中的实现

研究表明黏弹性人工边界[10-13]具有很好的鲁棒性和较高的稳定性,在时间和空间上都是局部的,其物理意义清晰、简单,并易于与现有的大型有限元软件相结合.

二维人工边界的弹簧-阻尼元件参数中,法向边界为

(1)

切向边界为

(2)

图1 黏弹性边界物理意义示意图

基于ABAQUS软件平台在计算模型人工边界节点的每个方向施加一端固定、单向并联的弹簧和阻尼器元件便可实现黏弹性人工边界的施加,也可以通过Fortran编写命令流的方式给计算区域批量施加人工边界.

1.2 地震波输入的等效边界荷载法

准确实现波动输入的条件是在人工边界上施加的等效荷载应使人工边界上的位移和应力与原自由场相同.刘晶波等[10]通过将地震波转化为节点等效力的方式实现了波动的输入，得到了在模型边界点上所需施加等效荷载的一般计算公式为

(3)

在对模型进行分析计算时,只需分别求出模型边界节点处所需的等效力,然后施加在边界点上,即可实现波动的输入.章小龙等[14]等对黏弹性人工边界地震动输入时等效荷载计算方法进行了改进,研究表明其改进方法在地震动斜入射时计算精度有明显的提高,文中在地震动输入时采用其改进算法.

为了便于揭示各因素对场地地震响应的影响规律,选用一宽0.25 s,持时2 s的近似狄拉克脉冲SV波作为输入基岩的地震波,其位移时程曲线及傅里叶谱见图2.

图2 输入地震波及其傅里叶谱

2 场地影响分析模型的建立

所采用的盆地模型见图3.

图3 盆地模型几何尺寸

由图3可见,该模型中基岩水平方向跨度为2 000 m,深500 m;盆地土层自由表面离两端距离各100 m,坡角α为45°;土层厚度从上到下分别取为20,20,45,50 m;θ为地震波入射方向与盆地基岩底部法向方向的夹角,地震动从模型的左侧输入.文中模型采用的基岩与土层参数取值见表1,其中ρ为土层密度;E为弹性模量;v为泊松比;cP,cS分别为介质P波和S波波速.

表1 模型基岩与土层参数

3 盆地地震响应分析

3.1 地震动不同入射角度下地表峰值位移

图4为地表峰值位移分布图.

图4 地表峰值位移分布图

由图4可见,盆地在输入地震动情况下表现出明显的边缘效应,但是随着地震动入射角度的变化,其地表位移分布也呈现出不同的分布规律.

当地震波垂直入射时地表峰值位移基本呈现对称分布,随着入射角度的增大,地表左侧的PGD普遍大于右侧,中间区域位移整体变化不大.由图4b可知:当入射角度为10°时,地表峰值位移出现最大值,明显大于其他入射角度情况下相应的PGD值;当入射角度为0°～10°时,地表峰值位移最大值随着入射角度的增加而增大;当入射角度为10°～30°时,随着入射角度的增加,地表峰值位移最大值逐渐减小.对于任一入射角度,取左侧地表数据观察,地表PGD均有先增大后减小,逐渐增加至最大后再减小至平稳状态的趋势.在任一入射角度下,PGD最大值都出现在左侧地表,说明地表峰值位移响应与入射方向有关.

3.2 聚焦效应

图5为不同入射角度地震动作用下地表地震动位移时程图.

图5 不同入射角度地表位移时程图

图5中右上角为地表位移幅值最大值,可以清楚地看出盆地在地震动作用下表现出一定的聚焦效应和边缘地震动加强效应.当地震波垂直入射时,聚焦效应主要集中在盆地中心区域,随着入射角度的增加聚焦区域逐渐向地表右侧偏移,其中地震动入射角度为10°时,地表位移最大值向右侧偏移的现象最为明显(见图5b).同时,随着入射角度的增大,盆地的聚焦效应也表现得愈加显著.另外,由图5可知,随着地震动输入角度的增大,竖向位移幅值也在逐渐加大,而地震动垂直入射时,竖向地震动响应最弱.

4 结 论

1) 地表位移幅值分布与场地和地震动入射角度相关,盆地中心区域的地震动响应相差不大,但在盆地边缘处,即基岩露头处附近变化比较剧烈,表现出较为明显的盆地边缘效应.因此不同的入射角度的地震动会导致盆地不同位置地表出现不同程度的峰值位移差异,这些差异会对大跨度的桥梁抗震产生不利影响,因此在对桥梁抗震安全评估中应予重视.

2) 地震波垂直入射时地表位移等地震动响应不一定达到峰值,文中结果表明,当地震动入射角度为10°时,将出现最为显著的地表位移反应.因此简单地按地震动垂直入射得出的计算结果可能偏不安全,应根据具体情况做出分析.

3) 盆地的聚焦效应与入射角度有关,地震动斜入射时候聚焦效应比垂直入射时更为显著,且当入射角度变化时,聚焦效应的区域会产生偏移,对工程选址具有一定的参考价值.

4) 随着入射角度增加,会引起较大的竖向位移,应给予足够的重视.

)

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