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基于NGA-BSSA13地震动衰减模型的主余震序列构造方法

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水力发电 第43卷第8期 2017年8月 基于NGA—B SSA 1 3地震动衰减模型的 主余震序列构造方法 闻 锐,陈 立 (上海勘测设计研究院有限公司,上海200434) 摘 要:地震的发生都伴随着主震、余震或震群的地震序列,因此考虑主余震序列地震动能够更加合理地反映工 程的抗震能力。参照已有的相关研究成果,考虑震级、震距、发震机制、发震构造类型、局部场地条件、盆地效 应、上盘效应等各类影响因素,基于NGA.WEST2.BSSA1 3地震动衰减模型,建立了主余震序列地震动参数构造 方法。 关键词:地震动参数;衰减模型;主余震序列;NGA—WES ̄I’2;BSSA13 Construction Method of nainshock and Aftershock Sequence Based on NGA-BSSA13 Seismic Ground Motion Attenuation nodeI WEN Rui.CHEN Li (Shanghai Investigation,Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China) Abstract:The occurrence of earthquake is accompanied by the earthquake sequence ot mainshoek,aftershock or earthquake swarm.Therefore,it is more reasonable to consider the ground motion of mainshoek and aflershock sequence for refleeting the seismic capacity of project.Based on existing research results and considering seismic magnitude,seismic distance,seismic mechanism,seismic tectonics type,local site conditions,basin effect and hanging wall effect,the ground motion attenuation determination method of mainshock and aftershock sequence is established based on NGA・-WEST2—-BSSA13 ground motion attenuation mode1. Key Words:seismic ground motion parameter;attenuation model;mainshock and aftershock sequence;NGA—WEST2; BSSA13 中图分类号:P315.9 文献标识码:A 文章编号:0559—9342(2017)08—0048—04 0 引 言 地震的发生并不是一一个单独的强震过程,往往 都伴随着主震、余震或震群的地震序列。近年的汶 不足时,选择和使用能充分反映地震相关凶素的地 震动衰减模型是十分重要的环节 。虽然我国学者 针对地震动衰减关系做r大量的研究工作,但目前 还缺乏一个公认而稳定的地震动衰减模型。本文在 川I、玉树强震也记录了大量余震序列数据,并且强 余震的强度与频次均很高。。 。大量震害表明,一些 前人研究成果之上,考虑震级、震距、发震机制、 发震构造类型、局部场地条件、盆地效应、上盘效 应等各类影响因素,基于NGA—WEST2一BSSA13地震 动衰减模型,建立了主余震序列地震动参数构造 方法。 在主震已经受到损伤的结构,任余震作用下会产生 二次损伤,引起了越来越多的学者的关注。然而, 目前住现行地震危险性分析中,仅考虑单次主震的 作用,并没有考虑到主余震序列作用埘结构的影响。 因此,综合考虑主震及其强余震对工程场地的作用, 能够使抗震设计更为安全、合理。 往合成地震动序列工作中,当现有地震动资料 收稿日期:2017—04—16 作者简介:闻锐(1986一),江苏靖江人,工程师,硕士,主要 水利水电工程设计I_I:作.  l饥,守:圣丁l uH—D))H10 屣 俣 甘 -i-东屣 U 坦,] 1主余震序列地震动合成方法 主余震序列包括主震的地震动记录与余震的地 的地震动衰减关系。其中,NGA—WEST1项目在 2008年完成,提出了Abrahamson和Sliva、Boore和 Atkinson、Campbell和Bozorgnia、Chiou和Youngs、 震动记录,由于主余震序列的数据较少,学者们一 般通过主震与余震的震级及烈度表征其之间的关系。 目前,大多数工程结构抗震设计都是以地震烈 度和场地类别为基础的,现行抗震规范均以地震烈 度作为我国抗震设防的主要依据。本文以主震烈度 为基础,通过烈度一震级统计关系,得到相应的主余 震震级。结合实际工程场地的震中距、场地条件等 Idriss等模型(分别简称为AS08、BA08、CB08、 CY08、108)。NGA.WEST2于2O10年启动,旨在改 进与修正NGA—WEST1中的研究成果,并于2013年 完成。虽然NGA衰减关系针对于美国西部浅源地震 情况,但中国和美国在构造环境、地壳组 成、现代应力状态、地震成因与地震活动特点等方 面均具有一定的相似性,2个地区地震记录相互借 因素,选择合适的地震动衰减关系,求出相应的主 用有一定的理论基础 。 ,地震动衰减关系也有相应 余震的地震动参数,包括地震动峰值加速度PGA、 的类比性。 加速度反应谱PSA或地震峰值速度PGV。基于所生 2.2 BSSA1 3模型 成的地震反应谱,采用通用的地震波合成方法,可 NGA—WEST2一BSSAI3模型选用超过21 000条地 以拟合出相应的主余震地震动时程序列。主余震序 震记录中的16 000多条作为基础数据,包含了更多 列地震动构造流程见图1。 更新的全球地震动数据,汶川余震一些数据也被收 集,选用的回归方法与理念近似于NGA—WEST1模 型中BA08模型…。 。BSSA13模型能够针对广泛的 震级、震距以及场地条件范围内,更加明确地描述 地壳活动区浅层地震的地震动参数,能够更好地模 拟震级M<6的地震运动 ,特别是对于震距在 20 km范围内,适用于地壳运动活跃的地区。由于 该模型无法分别出主震与余震的主要区别,因而认 I些壁垫垄堕堕望l 为地震动衰减方式均适用于这2种地震。 BSSA13模型的预测变量包括矩震级M、Joyner— 图1 主余震序列地震动构造流程 Boore断层距R, (定义为场地到断层在地面投影的距 许多学者针对烈度.震级、主震一余震问题进行了 离)、地面以下30 m处平均剪切波速 次要参 大量研究,得到一系列可靠的研究成果,如文献[4— 数包括断层破裂深度z ,盆地深度z。。此外,模型 8],在地震分析中可根据区域场地不同,得到相应 考虑断层类型影响,以走滑断层、正断层、逆断层 的震级等参数。 或者断层类型不确定加以区分。BSSA13模型的适用 2地震动衰减模型 范围见表1。 BSSA13模型的地震动衰减关系的基础方程表 在确定烈度、震级等参数后,地震动衰减模型 示为 是地震动序列构造中最重要的部分,选择的地震动 lnl,=FF(M,n ̄csh)+F ( M)+ ,.、 衰减关系要能充分反映震源、传播途径以及场地条 F (Vs R, ,M)+s or( , 尺, ) 件等因素。 式中,l,为所要预测的地震动参数;F 、F 、F 2.1 NGA-WEST项目 分别表示震级项、路径项、场地条件项;mesh为发 2003年,太平洋地震工程研究中心(PEER)发 震断层类型; 表示预测1ny与平均1nl,的标准偏 起了一项大型研究项目——美国下一代衰减关系计 差比(如s =一1.5代表了低于平均值1.5倍的标准 划(Next Generation Attenuation,NGA)。NGA—WEST 差); 表示模型的总体标准偏差。 项目旨在针对美国西部浅源地震条件,预测新一代 总体标准偏差 由内部项 (M,Vs…R )和相 表1 BSSA13模型适用范围 Wa r Po Vo1.43 N。.8四 互项 r(M)组成,可以表示为 式中,功能项 与Chiou和Youngs 的表达一致。 f,(M,Vs。。,R, )= ̄/ (M, ,R佃)+ r (M) (2) 为了应用场地放大函数,首先必须先估计出 PGA ,选择合适的震级与震中距,对应于 m/s,利用式(1)可估计出PGA,的值。 在基本模型的基础上,当考虑区域传播的滞弹 性衰减以及盆地深度时,主衰减方程可以表示为 lnY=FE(M,mesh)+FP(RJ日,M,region)+Fs =760 震级项函数 (M,mesh)表示为 rF (M)=e0 U+e1.sS+e2NS+e3RS+e4(M—M^) j  I IF (M)=e0 U+el s5+e2NS+e3Rs+e6( —M^) LM>M^ es( —Mh) ≤ (3) ( 0,RJ ,M,z1)+ (M,Vs ,R") (9) FP( 』 ,M,region)=FP( 日,M)十Ac3( 一 (10) 式中,SS、NS、RS、U分别代表走滑断层、正断 R ) 层、逆断层、断层类型不确定或不加以区分断层类 型,对于断层的判断确定选用1,不确定选用0; e。~e 为震级相关参数,通过回归分析得到;M 为 铰接震级,在分析时设定,与BA08模型不同,与 周期相关。 路径函数F (R M)可表示为 F (RjB, )=[ct C2(M一 r )]ln(R , )r4、 +C3( 一 ) 式中,R=,/R +h ;c。、c:、c,、M R 和h均为 路径函数参数,通过回归分析得到。 场地对地震动的影响有2个附加项(与 和场 地的非线性特征相关)组成,相对应的场地影响函数 F 可以表示为 FⅧ=In(F‰)+in(F ) (5) 式中,F 为场地线性放大项,由 。决定;F 为场 地非线性放大项,由 。和特定的参考速度决定(设 定一个特定的参考速度V ,=760 m/s)。 模型线性项F 表示地震动在线性土壤反应条件 下随 。的变化,可表示为 lnF :C。ln(V ̄o/K r) ,。≤ (6) L c・ln( /Vr ) Vs30>V 式中, 是一个速度, 设定为760 m/s;参 数c与 均与周期相关,而参数c在长周期下可能 还与地域相关。 非线性项F 调整场地的线性放大,从而使得强 震水平下放大降低。在较低的相对峰值加速度PGA 下,F 相对于线性项不会产生变化,可表示为 In( : nf 1 (7) 式中, 、 和 为模型相应参数;PGA,为所要预 测的PGA的一个初始估计,是相对于岩石的平均峰 值水平向加速度,考虑地震震级与震中距,通过基 本衰减公式求出。令 =0,使PGA,<< 的情况 下,in(F )为0;令 =0.1 g, 可以表示为 = [exp{ (min(Vs 。,760)一360)}一exp{ (760—360)}] (8) F ( 3o,M,R』 ,。.)=Fs. ( 30,M,R")+F (6z ) (1 1) 式中,F 是对由地震动下盆地深度效应产生的调 整,可表示为 , 0 <0・65 F (6z,)=Jf66z- ≥0.65&6z ≤/; (12) 【/; 71≥0.65&6z,> 式中, 、 为模型相应参数;调整项F 是一个可 选项,对于许多工程实际来说,。 是未知的,因而 建议&,=0,则F :0。公式中所提及的参数可参 考文献[15]。 3主余震地震序列构造算例 设定西南地区某工程场地代表强烈主震震级为 7.5,进行主余震地震动参数的构造。依照本文的构 造流程,通过式(5)计算可得对应的主震一余震震级 为7.5—6.45。继而在BSSA13模型中,不考虑不确 定条件,在 为1 000、750、500 m/s和50 m/s等 4种场地下,分别选取10、15、20、30 km和50 km 断层距计算其对应的场地PGA和PSA. 、表2给出了不同场地与断层距条件下的主余震 PGA比较。从表2可以看出,随着地震震距的扩大, 不同场地条件下的PGA都相应衰减,而坚硬场地 ( 较高)PGA随震距扩大的衰减更为明显 随着场 地 的降低,场地PGA会有明显增加。但在距震 中较近的条件下,软土场地( 。较低)不会对PGA 过分放大。 图2给出了JV,同场地不同震距下P 的比较。 从图2可以看出,不同场地条件一 ,震距的增大会 使场地PSA迅速衰减;而随着场地 ,的降低,场 地条件对PSA的放大效应十分明显;软土地区场地 条件的非线性很大程度上影响到地震动参数的预测。 重力坝往往建立在基岩场地上, 一般较大, 于 场地因素所导致的地震动参数不会过分的放大。 根据已有的PGA及PSA等参数,使呵采用相应 的地震加速度合成的方法得到该场地的主余震序列 弟4 吞弟15期 闻 ,寺:星于NbA—bbbAI3础晨副杖 俣型 土示晨 U 】亘,]法 O 6窖 O.8g 童。- 0.眙 髓 04g 型0. 星0 2g 0 0 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 1O 周期/s 周期/s a ∞ 1 000m/s b 30 750m/s I.5g 0 0 乓 . 。 6g 最0 星 3g 0 0 2 4 6 8 10 周期/s 周期/s c o 500m/s d ∞_25OnYs 图2 不同场地不同震距加速度反应谱 地震加速度时程。 [J].地震学报,2007,29(3):295—301. [2]吕少兰.高混凝土坝动力抗滑稳定性数值分析与研究[D].大 4结 语 连:大连理工大学,2013. 现阶段的抗震分析一般都是以主震分析为主, [3]BOORE D M.Comparing stochastic point-source and finite—source 很少考虑到余震的影响。在没有已知地震动数据的 ground motion simulations:SMSIM and EXSIM[J].Bulletin of the Seismological Society of America,2009,99(6):3202—3216. 情况下,构造出合适的主余震地震动是一项十分重 [4]吴波,欧进萍.主震与余震的震级统计关系及其地震动模型参数 要的工作。本文综合已有的研究成果,考虑烈度一震 [J].地震工程与工程振动,1993,13(3):28-34. 级、主震一余震等关系,并结合NGA—WEST2一BSSA13 [5]周仕勇,许忠淮.地震序列研究综述[J].中国地震.1999,15 地震动衰减模型,给出了主余震序列地震动的构造 (3):267・277. 方法。NGA—WEST2一BSSA13模型能够充分考虑震源、 [6]丁文胜.下承式刚架系杆拱桥的抗震设计方法及试验研究[D]. 传播过程、场地条件、盆地效应等因素,更加准确 南京:东南大学,2006. 地描述地壳活动区浅层地震的地震动参数。在没有 [7]任雪梅,高孟潭,刘爱文,等.1900年以来我国西南地区强余震 地震动资料的情况下,可以通过本文介绍的模型, 统计特征[J].震灾防御技术,2009,4(2):200-208. 根据工程场地的特点及参数,对地震动参数进行 [8]张景奎.复杂岩基上高拱坝地震灾变及抗震安全研究[D].南 京:河海大学,2012. 估算。 [9]马宗晋,张德成.板块构造基本问题[M].北京:地震出版 参考文献: 社.1986. [1O]马宗晋,杜品仁.现今地壳运动问题[M].北京:地震出版社, [1]吕晓健,高盂潭,高战武.强余震和主震地面运动分布比较研究 1995 (下转第66页) 田 水/J友电 zU1/年 月 表2 锦屏一级左岸边坡开挖施工建议警戒等级及判定指标 SlopeMIS3D系统的三维场景对象属性数据表和几何 模型数据文件并导入系统,实现了边坡工程施工过 程的三维动态模拟、施工信息查询和监测预报预警。 3 结语 (1)本文阐述了复杂地质条件下“弱扰”、“速 固”、“时空协同”的高陡边坡施工的技术理念,以 及高陡边坡开挖与加固工序的时空间距方法, 并介绍了协调施工进度和施 安全间矛盾的动态信 息管理技术的应用。为保证高陡边坡的岩体稳定安 技术、数据库技术、计算机网络技术等现代信息技 术,应用“水电工程边坡施工信息三维可视化动态管 理系统(SlopeMIS3D)”软件。借助该系统实现了边坡 开挖、支护等施工过程的信息化和可视化,可为施 全及高效施工,提供了一种可选择的控制方法。 (2)从减少边坡扰动角度出发,描述了以控制 变形、振动和能耗为核心的边坡工程开挖技术,概 略介绍了双聚能预裂爆破和开挖钻孔控制等系列技 工人员及时提供边坡各施工阶段形象面貌的三维可 视化信息查询和分析结果,可动态跟踪揭示边坡地 质条件的变化,为设计人员优化支护方案提供真实 术,提供了在卸荷、风化岩体的条件下,可选择的 边坡开挖安全稳定和轮廓成型的开挖控制技术思路。 (3)介绍了超深锚索的钻孔成孔及固壁方法, 锚索自动张拉系统,高压冲洗置换等系列加固技术; 提供了解决复杂地质条件下大吨位百米级深长锚索 快速锚固和深部软弱岩体加固系列难题的信息。 (4)介绍了水泥基粘度时变浆液、自密实砂浆、 高渗透性环氧浆液等新型灌浆技术的应用,提供了 的建基面边界条件和直观的三维地质条件解析;为 边坡施工期变形监测提供更加高效的监测和预警分 析平台,依托该系统可为信息化施工的安全监测快 速反馈提供决策支持。 该系统在锦屏一级左岸边坡等工程中应用,依 据边坡地质勘察资料、工程设计资料及开挖施工进 度计划,建立相应边坡区域的三维地质模型,形成 解决复杂地质岩体的固结灌浆难题的技术路线。 (责任编辑 焦雪梅) ・争・+・夺・夺・々・审・<17・争・审・争・争・夺・争・争・夺・夺・争・夺一 夺・ 辛・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺・夺’审‘审‘审‘.争・审・夺・夺・夺・辛・串・争・々・夺・夺・争・夺・夺・争・夺・.争・夺・ (上接第47页) [2]宫凤强,黄天朗,李夕兵.岩土参数最优概率分布推断方法及判别 准则的研究[J].岩石力学与工程学报,2016,35(12):2452—2460. 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