人工合成地震动.docx
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人工合成地震动
引言：
随着社会的快速发展，核电站和海洋平台迅速兴建，大型水坝、高层建筑和大跨桥梁日益增加，其中很多兴建于强震活动区。
由于这些结构物的重要性，加之缺乏这类工程及相应场地的抗震经验，对其抗震性能的研究引起了社会和工程界的重视。
并且相应的抗震规范都规定，在上述重要结构的设计中，应当采用地震动时程输入结构动力分析来考虑地震动时间过程影响。
由于很难在天然地震中取得相应场的地峰值和反应谱，为探讨结构物在地震动反应中的耗能特性和破坏机理，必须对结构物在地震动作用下的整个过程进行模拟，用人工合成地震动方法，分析结构物及相应场地在地震动中的反应，因此对比天然地震动与人工合成地震动在相应场地反应的异同成为抗震设防的重点。
1、选取天然地震波
本论文所用的天然波取自1976年8月9日06：
41唐山大地震中的一次5.7级余震记录，由于记录地点在迁安地震台，因此通常被称为“迁安波”。
经过校正加速度记录信息如下：
南北向记录，时间间隔0.01s，记录2320个点，持续时间23.19s，峰值为158.62gal，出现在2.37s。
迁安波时程曲线如图1-1所示，其反应谱如图1-2所示。
图1-1迁安波地震记录
图1-2迁安波地震反应谱
2、人工合成地震动
在工程地震学研究中，采用多种方法来估计地震动。
其中包括基于幅值和卓越周期调整的比例方法、拟合目标峰值和反应谱的数值方法、选择实际地震动记录的地震记录匹配法及半经验半理论模拟方法。
下面我们采用拟合目标峰值和反应谱的数值方法，进行人工合成地震动。
随着强震动观测的发展及对地震宏观震害经验和仪器测量结果的大量分析研究发现，运用数值方法程序计算出的反应谱和加速度时程，可以通过地震动的工程特性三要素来描述即：
地震动的振幅、频率和持续时间。
因此我们通过控制这三要素，运用Saw软件，更改随机数200，得到图2-1和图2-2如下：
图2-1人工合成地震动时
图2-2人工合成地震动反应谱
3、构建场地模型
《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）规定采用剪切波速和覆盖层厚度两个物理性指标来进行确定场地类别。
详见表3－1。
以下我们构建了四种常见场地模型，分别是Ⅱ类正常土层，Ⅱ类含有软夹层，Ⅲ类正常土层，Ⅲ类有软夹层四种模型。
3.1等效剪切波速计算公式及场地类别分类
建筑抗震设计规范中给定的等效剪切波速计算公式如下：
－场地土层的等效剪切波速（m/s）
－计算深度（m），取覆盖层厚度和小于20m
－剪切波在地表与计算深度之间的传播的时间（s）
－计算深度范围内第i层土的厚度（m）
－计算深度范围内第i层土的剪切波速（m/s）
－计算深度范围内土层的分层数。
表3-1场地类别划分与等效剪切波速（m/s）及覆盖土层厚度（m）的关系
等效剪切波速（m/s）
场地类别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
＞500
0
500≥
＞250
＜5
≥5
250≥
＞140
＜3
3～50
＞50
≤140
＜3
3～15
＞15～80
＞80
﹡
为土层等效剪切波速
3.2Ⅱ类场地模型
（1）Ⅱ类场地正常模型:
等效剪切波速为262m/s
Ⅱ类场地构造钻孔简述：
地表为填土，依次向下每层平均剪切波速依次增加，表3-2为钻孔原位测试结果和土的具体物理性质：
表3-2模型一
地层代号
底层名称
层底埋深/m
厚度/m
平均剪切波速/m.s-1
密度/g.cm-3
土类
（1）
填土
1.00
1.00
116
1.87
1
（2）
粘土
4.00
3.00
174
1.81
2
（3）
粉质粘土
8.00
4.00
261
1.98
3
（4）
砂质粉土
11.00
3.00
321
1.91
4
（5）
粉细砂
16.00
5.00
347
1.95
5
（6）
粉质粘土
20.00
4.00
348
1.86
3
（7）
粉质粘土
24.00
4.00
348
1.86
3
（8）
中粗砂
26.00
2.00
408
1.88
6
（9）
粉质粘土
29.00
3.00
434
1.99
3
（10）
基岩
未穿
510
2.20
7
（2）Ⅱ类场地含有软夹层模型：
等效剪切波速262m/s
根据Ⅱ类场地正常土层模型，在不改变场地类别的基础上在20米以下添加软夹层，剪切波速为145m/s。
表3-3为钻孔原位测试结果和土的具体物理性质：
表3-3模型二（含有软夹层）
地层代号
底层名称
层底埋深/m
厚度/m
平均剪切波速/m.s-1
密度/g.cm-3
土类
（1）
填土
1.00
1.00
116
1.87
1
（2）
粘土
4.00
3.00
174
1.81
2
（3）
粉质粘土
8.00
4.00
261
1.98
3
（4）
砂质粉土
11.00
3.00
321
1.91
4
（5）
粉细砂
16.00
5.00
347
1.95
5
（6）
粉质粘土
20.00
4.00
348
1.86
3
（7）
淤泥质粉质粘土
24.00
4.00
145
1.74
6
（8）
中粗砂
26.00
2.00
408
1.88
7
（9）
粉质粘土
29.00
3.00
434
1.99
3
（10）
基岩
未穿
510
2.20
8
3.3、Ⅲ类场地模型：
（1）Ⅲ类场地正常模型：
等效剪切波速186m/s
Ⅲ类场地正常土层构造钻孔简述：
地表为填土，依次向下每层平均剪切波速依次增加，表3-4为钻孔原位测试结果和土的具体物理性质：
表3-4模型三
代号
土层名称
底层埋深/m
厚度/m
平均剪切波速m/s
密度g/cm
土类
1
填土
2
2
115
1.90
1
2
粘土
6
4
141
1.86
2
3
粉质粘土
11
5
195
1.98
3
4
粉细砂
15
4
214
1.90
4
5
粘土
18
3
280
2.00
2
6
粉细砂
23
5
313
1.90
4
7
粉砂
30
7
331
2.00
5
8
粉质粘土
36
6
381
1.98
3
9
粉细砂
45
9
394
1.90
4
10
粉质粘土
53
8
437
1.98
3
11
粉细砂
59
6
460
1.90
4
12
基岩
500
2.20
6
（2）Ⅲ类场地含有软夹层模型：
等效剪切波速174m/s
Ⅲ类场地正常土层构造钻孔简述：
地表为填土，在不改变场地类别的基础上在20米左右添加软夹层，剪切波速为145m/s。
表3-3为钻孔原位测试结果和土的具体物理性质：
表3-5模型四（含软夹层）
代号
土层名称
底层埋深/m
厚度/m
平均剪切波速m/s
密度g/cm
土类
1
填土
2
2
115
1.90
1
2
粘土
6
4
141
1.86
2
3
粉质粘土
11
5
195
1.98
3
4
粉细砂
15
4
214
1.90
4
5
粘土
18
3
280
2.00
2
6
淤泥质粉
质粘土
23
5
145
1.74
5
7
粉砂
30
7
331
2.00
6
8
粉质粘土
36
6
381
1.98
3
9
粉细砂
45
9
394
1.90
4
10
粉质粘土
53
8
437
1.98
3
11
粉细砂
59
6
460
1.90
4
12
基岩
512
2.20
7
4、土层地震反应计算分析
对于上述的四种模型，首先根据各探井、钻孔或面波测点的加速度峰值和相应反应谱的谱值两个参数进行分析，然后对四个模型的土层反应进行比较分析。
场地地表加速度反应谱具有十分重要的工程意义，它表现出地震波对场地的影响或与场地的相关性。
另外，用前面的迁安波及人工合成波分别对四种模型进行比较分析；
4.1、Ⅱ类场地正常土层反应计算结果如下：
图4-1.1Ⅱ类场地正常土层的天然地震波反映
图4-1.2Ⅱ类场地正常土层的人工合成地震波反应
图4-1.3Ⅱ类场地正常土层的天然波反应谱
图4-1.4Ⅱ类场地正常土层的人工合成波反应谱
4.2、Ⅱ类场地含有软夹层土层反应计算结果如下：
图4-2.1Ⅱ类场地含有软夹层的地震波反映
图4-2.2Ⅱ类场地含有软夹层的人工合成波谱
图4-2.3Ⅱ类场地含有软夹层的天然波反应谱
图4-2.4Ⅱ类场地含有软夹层的人工合成波反应谱
Ⅱ类场地正常土层天然波比人工合成波的地表峰值要大15﹪而反应谱峰值要小6﹪；
Ⅱ类场地含有软夹层土层天然波比人工合成波的地表峰值要大18﹪而反应谱峰值要小12﹪；
4.3、Ⅲ类场地正常土层反应：
图4-3.1Ⅲ类场地正常土层的地震波反应
图4-3.2Ⅲ类场地正常土层的人工合成波反应
图4-3.3Ⅲ类场地正常土层的的天然波反应谱
图4-3.4Ⅲ类场地正常土层的的人工合成波反应谱
4.4、Ⅲ类场地含有软夹层土层反应：
图4-4.1Ⅲ类场地含有软夹层土层的地震波反应
图4-4.2Ⅲ类场地含有软夹层土层的的人工合成波反映
图4-4.3Ⅲ类场地含有软夹层土层的的天然波反应谱
图4-4.4Ⅲ类场地含有软夹层土层的的人工合成波反应谱
Ⅲ类场地正常土层天然波比人工合成波的地表峰值要大27﹪而反应谱峰值要小9﹪；
Ⅲ类场地含有软夹层土层天然波比人工合成波的地表峰值要大11﹪而反应谱峰值要小6﹪；
结论
通过构建两类不同场地的四种计算模型，以天然波和人工合成波做为基岩输入计算得到地表峰值加速度及反应谱，综上所述具体结论如下：
（1）在同一场地中，天然波地表加速度峰值比合成波峰值略高，天然波反应谱峰值比合成波峰值略低，周期差别不大；
（2）在同类别场地中，正常土层地表加速度峰值和反应谱峰值要比含软夹层土层峰值高，正常土层与软夹层土层天然波反应谱峰值对应周期相同，而人工合成波对应周期不同；
（3）在不同场地类别中，Ⅱ类场地的地表加速度峰值及反应谱峰值明显比Ⅲ类场地高；
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