基于动态离心模型和数值模拟的河谷场地放大效应研究

Because of effects of special soil structure and topography，A lot of damage investigation shows that ground motion parameters in the deep overburden river valley sites are significant different. But basic data are not enough in our country, as a result, adjustment methods for design ground motion parameters are not provided for this particular site in existing norms. In this application, the combining research methods such as theoretical analysis, dynamic centrifuge model tests, strong motion records analysis and numerical simulation, the ground motion characteristics in river valley sites are studied. Through designing the typical trapezium river valley sites, the strong motion stations are created by dynamic centrifuge shaking table test to obtain the whole acceleration records, the effects of river valley site on ground motion are studied by comparative analysis of the test results. Improved the existing analysis method and combining transmitting boundary theory, the analysis method of two-dimensional seismic response analysis method of river valley sites is studied, the in-situ site is calculated, the reliability of two-dimensional seismic response analysis method is verified by comparing the results of experiments with numerical simulation. Taken Anning River as the verified valley, the reliability of two-dimensional seismic response analysis method is verified based on Wenchuan earthquake main shake strong motion records. The amplification effects on ground motion of river valley sites are studied by the verified two-dimensional seismic response analysis method, design ground motion parameters of river valley sites are given combining with current specification. The scientific basis for code revised and the seismic design for river valley sites are provided by the research results.

大量的震害表明，由于土层结构和地形的影响，河谷场地的地震动具有显著的特点，而我国基础性资料不足，导致现行相关规范未针对这一特殊场地规定设计地震动调整方法。针对这一问题，拟采用理论分析、动态离心模型试验、强震记录分析和数值模拟相结合的研究手段，围绕河谷场地内的地震动特点开展研究。设计典型的梯形河谷场地动态离心模型试验，模拟强震台站，获取完整的加速度记录，通过试验结果对比分析研究地震动河谷场地效应；改进现有的分析方法，结合透射边界理论，研究河谷场地的二维地震反应分析方法，计算原型河谷场地，对比数值计算和模型试验的结果，验证二维地震反应分析方法可靠性；以安宁河河谷为验证河谷，基于汶川地震强震记录分析对二维地震反应分析方法进行可靠性验证；采用所得计算方法系统研究河谷场地放大效应，结合现行相关规范提出这一特殊场地设计地震动参数的修正方法。成果将为规范的修订与河谷场地抗震设计提供科学依据。

历次震害调查表明，由于土层结构和地形影响，河谷场地的地震动具有显著的特点，而我国基础性资料不足，导致现行相关规范未针对这一特殊场地规定设计地震动调整方法。针对这一问题，采用理论分析、动态离心模型试验和数值模拟相结合的研究手段，围绕河谷场地内的地震动特点开展研究。主要成果和工作有如下方面：开展了两组土工离心机振动台试验，一组为基岩河谷场地，一组为有覆盖层的梯形河谷场地，基于试验结果，分析得到了梯形河谷场地地震动响应规律，并验证了数值模拟方法的可靠性；基于波动理论及Spring/Dashpots单元实现了ABAQUS软件中黏性边界条件的施加，进而对弹性半空间的波源问题和散射问题进行波动数值模拟，并通过与其他土层地震反应分析程序的对比，验证了黏性边界条件的有效性；采用PIMY、PDMY和PDMY02材料模型研究了OpenSees在河谷场地地震反应分析中的应用，结果表明OpenSees可模拟河谷场地地震反应分析，并完成了OpenSees多核并行计算程序的调试，极大的提高了数值计算的速度；研究了典型的河谷场地地震动效应，得到了汶川地震中流沙河河谷阶地对汉源县城高烈度异常的影响；以梯形河谷场地为研究对象，采用二维显式有限差分和透射人工边界理论，根据设计的正交表建立计算模型，计算分析了梯形河谷场地对地震动的影响因素，给出了河谷坡角、深宽比、覆盖层厚度、输入地震动强度对地震动影响的排名，并采用强震记录分析法对计算结果进行了初步验证；采用目前地震工程广泛使用的开源有限元程序OpenSees对深厚河谷地形场地进行数值模拟，探究了不同河谷坡角、深宽比、覆盖层厚度对地表地震动反应谱的影响程度，给出地表地震动反应谱平台值修正系数。该研究不仅对河谷地区发展具有重要的工程应用价值，而且为地震灾害的防御和河谷场地效应的深入研究提供珍贵的基础性资料，也将为抗震设计规范的修订与完善提供重要的科学依据。