行波效应在地震安评中的应用研究

行波效应在地震安评中的应用研究

任长青

上海岩土工程勘察设计研究院有限公司上海200000

摘要：通过收集SMART-2台阵的强震记录，统计出了视波速的分布范围；并通过FLAC软件计算分析行波效应、场地条件和地层变化对土层地震反应分析的影响。得出对于地面平坦，地层变化不大的工程进行地震安评，可以在土层反应分析时不考虑行波效应的影响，通过对场地的土层地震反应结果加/减相应的时间差来得出一组需要考虑行波效应的结构抗震计算参数。

关键词：SMART-2台阵；视波速；行波效应；地震安评；

Travelingwaveeffectinapplicationresearchofseismicsafetyevaluation.

RenChangqing

（ShanghaiGeotechnicalInvestigations&DesignInstituteCo.,Ltd.Shanghai200000，China）

Abstract:.BycollectingthestrongearthquakerecordsofSMART-2Array,thedistributionrangeofapparentwavevelocityiscalculated.Theeffectsoftravelingwaveeffect,siteconditionandstratigraphicchangeonseismicresponseofsoillayerwereanalyzedbyFLACsoftware.Itcanbeconcludedthattheseismicsafetyevaluationcanbecarriedoutfortheprojectwithflatsurfaceandsmallchangesintheground,andtheeffectofthetravelingwaveeffectcanbeignoredwhenthesoilreactionisanalyzed.Byadding/subtractingthecorrespondingtimedifferenceofsoillayerseismicresponse,asetofseismiccalculationparametersneedtobeconsidered.

Keywords:SMART-2Array,apparentwavevelocity,travelingwaveeffect,seismicsafetyevaluation.

1、引言

随着抗震技术的发展，新颁布的抗震规范，如《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）等，均对大跨度结构进行了行波效应多点输入要求。地震安评工作中建筑结构类型涉及较为广泛，经常涉及大跨度结构，比如大跨度桥梁、机场航站楼、体育场、展览馆、各种管线等。研究发现，对于平面尺寸较大的结构物，忽略地面运动空间变化可能会给结构动力反应带来较大的误差。

行波效应在地震安评中以及在工程抗震应用上尚属于起步阶段，还存在一些问题尚待解决。

2、研究现状

对于视波速取值方面，已有一定的研究，但是尚未达成一致的观点。一部分专家认为和基岩波速有关，有些专家则对应于面波波速。纵观论文发表情况，一些文章[1][2]中在讨论行波效应时视波速采用100m/s，200m/s，300m/s，400m/s，500m/s、600m/s、1000m/s等，也有一些视波速取值达3000～4000m/s。在工程上采用多大的视波速比较合适值得我们进一步探讨。

多维土层地震反应问题。对于大跨度结构，如果场地地形或地层存在较大变化，一般需要进行二维或三维土层地震反应，理论上在进行土层反应分析时需要在基岩处进行多点输入，以同时得到考虑行波效应和场地效应的设计地震动参数。

3、视波速的选取

不同于地震波在地球内部沿射线方向的传播速度，视波速是指地震波在地表沿测线方向的传播速度。

视波速计算方法：

其中：

d1、d2为两个台站之间的震中距

t1、t2为两个台站地震记录的到时。

部分专家认为视波速与基岩波速有关，部分专家则对应于面波波速。已发表的文献中视波速取值范围达100~6000m/s。本次工作中视波速选取依据台湾花莲SMART-2强震台阵的数据分析计算结果。

SMART-2强震台阵数据来自台湾中央研究院地球科学研究所，台站位于台湾花莲市。本次工作选取31条地震记录，地震数据来源为1999年9月20日集集地震。

图4视波速分布形态

地震的发生存在一定的不确定性，各种方向均有传播的可能性。根据亓兴军、李小军[4]等的研究，视波速越低，地震动的行波效应对桥梁的破坏作用越大。黄开明，楼梦麟[5]在对浦东机场候机楼行波效应分析时也得到过类似结论。当地震波传播方向与桥梁方向一致时，在不同桥墩处的到时差越大，等效视波速最小，此时地震波行波效应对桥梁的破坏作用最大。

4、行波效应对场地地震反应的影响

地震动在基岩中传播，土层仅起到放大和滤波的作用[3]本文采用两种输入方式以考虑行波效应对场地土层地震反应分析的影响。

选取2000m×250m范围土层建模，以上海市滨海平原典型地层为例，基岩埋深取250m，土层模型为水平成层状，共划分为30000（500×60）个网格。

分别采取一致输入和非一致多点输入两种输入方式，在模型底部输入地震动时程，借助有限差分软件FLAC进行场地地震反应分析。根据前文研究成果，非一致输入时，视波速按1750m/s进行计算分析，在模型表面每隔200m设一个监测点（如图5所示）。分别对两种工况下的地震动峰值和反应谱进行对比分析。结果显示，两种输入条件下相同监测点的地震动峰值和反应谱值均相差不大，峰值最大误差在10%以内。反应谱值在长周期吻合度较高，非一致输入时0.3s处反应谱值有降低，可能是由于在场地卓越频率附近地震波的相干效增强所致。

图5模型及监测点分布图

表1不同输入条件下个监测点输出结果

图6不同输入条件下各监测点反应谱对比曲线

5、场地条件对场地地震反应的影响

以经专家评审过的上海某越江隧道地震安评为例，用FLAC进行二维土层地震反应分析。由于受黄浦江断面的地形，和地层不均匀性影响，地表各监测点地震动反应相差较大，最大的反应谱峰值差距超过50%。

图7某越江隧道监测点布置图

表2各监测点加速度峰值计算结果

6、结语：

1、根据SMART-2台阵强震记录统计结果：视波速合理取值范围为300~3200m/s，其分布的峰值点位于1750m/s处。

2、行波效应对地表地震动的影响较小，而地形起伏和地层变化对地表地震动的影响贡献更大。因此，对于地面平坦，地层变化不大的工程场地进行地震安评，在给出结构抗震需要行波效应计算的地震动参数时，可以在土层反应分析时不考虑行波效应的影响，通过对场地的土层地震反应结果加/减相应的时间差来得出一组需要考虑行波效应的结构抗震计算参数。

参考文献:

1闫斌，戴公连，徐庆元行波效应下铁路简支梁桥梁轨系统地震响应[J].振动工程学报，2013，26（3）.

2刘先明大跨度空间网格结构多点输入反应谱理论的研究与应用[D]南京：东南大学，2003.

3胡聿贤地震安全性评价技术教程[M]北京：地震出版社，1999.

4亓兴军，李小军，周国良行波效应对大跨刚构连续梁半主动控制影响分析[J]地震学报，2006，28（2）；190-196.

5黄明开，楼梦麟浦东机场候机楼竖向地震行波效应时程分析[J].地震工程与工程振动，2009，29（3）.