基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法技术

本发明专利技术提出基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法。所述方法采用混合方法模拟地震动时程，分别采用基于断层物理模型的模拟方法模拟高频地震动，采用参数化的脉冲函数模拟低频分量，两者滤波后叠加得到地震动时程，最后由考虑地震动的空间变异性的转换矩阵，得到具有空间变异性特征的地震动作为跨断层桥梁非一致激励的输入地震动。本发明专利技术将基于断层物理模型的模拟方法与脉冲效应参数化的数学脉冲函数相结合，得到既体现场地高频特征又兼顾断层区域脉冲效应和永久位移特点的地震动时程，为跨断层桥梁输入地震动模拟提供一种简单易行的方法。输入地震动模拟提供一种简单易行的方法。输入地震动模拟提供一种简单易行的方法。

【技术实现步骤摘要】
基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法


[0001]本专利技术属于桥梁抗震设计
，特别是涉及基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法。本专利技术针对跨断层桥梁缺乏实际地震动输入的局限，为其抗震设计提供合理的输入地震动。

技术介绍

[0002]过去几十年的震害经验表明，在地震作用下，由于地面振动和地表破裂的联合作用，跨越断层破裂带的桥梁可能遭受重大的破坏。断层错动在两侧产生的位移差使桥梁上部结构产生相对位移甚至发生扭转，进而导致落梁、支座变形破坏，桥墩发生弯曲和剪切破坏，出现残余变形。断层两侧地面运动不同，跨断层桥梁在支承处产生不同的地面运动，主要表现为脉冲效应、永久位移和两侧的变异性。但目前在全球范围内没有观测到跨断层强震记录，相距最近的近断层地震动记录也有数公里，远超桥梁跨径，难以满足需求。
[0003]为了解决跨断层桥梁输入地震动的问题，一些学者采用确定性方法、随机方法以及混合方法进行模拟，这些方法虽然能模拟得到一定的结果，但有自身存在的一些问题，如确定性方法常用于模拟低频地震动，随机方法常用于模拟高频地震动，用这两种方法去模拟宽频带的跨断层脉冲型地震动值得商榷。混合方法是利用两种方法的优点，分别模拟高低频部分，最后叠加得到宽频带地震动，是目前主流的模拟方法。其中一些研究人员采用的混合方法选取实际的近断层记录并采用脉冲函数拟合滤波后的低频地震动，最后叠加到实际记录的滤波高频分量，这依赖于选取的记录，虽然能有脉冲效应和永久位移特征，但这种方法对于缺乏近断层记录匮乏的地区只能近似使用，模拟得到的两侧的地震动记录没有关联性，同时也不能体现出场地的高频特征，作为跨断层桥梁的输入地震动合理性不足。另一些学者通过建立断层物理模型模拟体现场地特征的高频地震动，并用确定性方法构建低频地震动，二者叠加。但这样不能体现出断层区域的脉冲效应和永久位移特征。
[0004]因此针对现有各种跨断层地震动模拟方法的不足，专利技术一种新的面向跨断层桥梁输入地震动的模拟方法，为其抗震设计研究提供参考。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决跨断层桥梁输入地震动模拟中存在的问题，提出了基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法。本专利技术所述方法解决了缺乏强震记录的断层区域模拟地震动的局限性，同时兼顾了场地高频特征，弥补直接选取近断层记录高频分量的不足。通过建立目标断层的物理模型和量化的脉冲函数得到具有断层区域脉冲效应和永久位移特征且具有空间变异性的地震动，为跨断层桥梁抗震分析提供合理的输入地震动。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法，具体包括以下步骤：
[0007]步骤S1，确定断层模型参数并建立断层模型；
[0008]步骤S2，应用EXSIM程序模拟得到目标区域的高频地震动，对其进行高通滤波得到叠加的高频时程；
[0009]步骤S3，采用不同脉冲模型分别模拟走滑断层法向方向性效应和平行向滑冲效应的低频脉冲，选取近断层脉冲记录拟合脉冲参数，统计回归分析得到拟合的脉冲参数与地震动参数的关系曲线，再根据已有的经验公式确定脉冲函数各参数的取值；
[0010]步骤S4，通过转换矩阵得到考虑空间变异性的一对断层地震动，为跨断层桥梁提供合理的输入地震动，所述转换矩阵的每个元素代表断层两侧某一方向的地震动分量。
[0011]进一步地，在步骤S1中，对拟建桥址处进行地质勘察，确定断层模型的输入参数。
[0012]进一步地，在步骤S2中，将断层划分为N个子断层，破裂从震源扩展，依次触发子断层的滑动，然后在时域中叠加得到整个断层产生的地震动时程：
[0013][0014]式中，a(t)为地震动时程，i为子断层横向位置，j为子断层纵向位置，N
l
为横向子断层数，N
w
为纵向子断层数，a
ij
为第ij个子断层的地震动时程，t为时间，Δt
ij
表示断层破裂从震源传递到子断层的间隔时间。
[0015]进一步地，在断层法向采用法向脉冲函数进行模拟，所述法向脉冲函数具体为：
[0016][0017]式中，v(t)为法向速度脉冲，A为脉冲幅值，f
p
为脉冲频率，为相位，γ为脉冲特征的参数，t0为脉冲的峰值时刻。
[0018]进一步地，断层平行方向采用含永久位移项的脉冲函数，永久位移的经验预测模型得到永久位移项PDS或D
site
，永久位移项的值根据矩震级M
w
、断层距R
rup
和倾角δ得到，平行方向滑冲效应速度脉冲函数的具体表达式为：
[0019][0020][0021]式中，v
f
(t)为平行方向速度脉冲，D
site
和PDS表示地表永久位移，T
f
为脉冲周期，t1为滑冲效应开始的时刻，a0为偏移量，HW为指定场地位于上盘还是下盘的虚拟变量，NF和TF为确定断层类型的虚拟变量，dB
e
和dW
es
为事件间残差和事件内残差，h为深度，其余参数为模型修正系数。
[0022]进一步地，法向脉冲的波形由参数γ和确定，γ值为2，值的大小决定主脉冲的
形状。
[0023]进一步地，对桥址处土层简化为均质土层得到等效简化土层的视波速，进而求得行波效应的滞后时间，将模拟得到的高频地震动经过4阶Butterworth滤波器进行高通滤波，将滤波后的时程与脉冲参数得到的低频脉冲进行叠加得到宽频带断层地震动；滤波截止频率的确定依照以下公式进行计算：
[0024][0025]式中，f
c
为滤波截止频率，T
p
为脉冲周期，dt为时间间隔，α为系数，α的取值根据脉冲效应的类型确定。
[0026]进一步地，转换矩阵Z为2
×
2的矩阵，每个元素代表断层一侧法向或平行方向的地震动分量，其具体形式为：
[0027][0028]本专利技术提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法的步骤。
[0029]一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法的步骤。
[0030]本专利技术的有益效果为：
[0031]本专利技术将基于断层物理模型的模拟方法与脉冲效应参数化的数学脉冲函数相结合，得到既体现场地高频特征又兼顾断层区域地震动脉冲效应和永久位移特点的地震动时程，为跨断层桥梁输入地震动模拟提供一种简单易行的方法。
附图说明
[0032]图1为构建目标区域断层模型并采用EXSIM程序模拟得到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于断层物理模型和脉冲函数的跨断层桥梁空间变异性输入地震动模拟方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1，确定断层模型参数并建立断层模型；步骤S2，应用EXSIM程序模拟得到目标区域的高频地震动，对其进行高通滤波得到叠加的高频时程；步骤S3，采用不同脉冲模型分别模拟走滑断层法向方向性效应和平行向滑冲效应的低频脉冲，选取近断层脉冲记录拟合脉冲参数，统计回归分析得到拟合的脉冲参数与地震动参数的关系曲线，再根据已有的经验公式确定脉冲函数各参数的取值；步骤S4，通过转换矩阵得到考虑空间变异性的一对断层地震动，为跨断层桥梁提供合理的输入地震动，所述转换矩阵的每个元素代表断层两侧某一方向的地震动分量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，对拟建桥址处进行地质勘察，确定断层模型的输入参数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，将断层划分为N个子断层，破裂从震源扩展，依次触发子断层的滑动，然后在时域中叠加得到整个断层产生的地震动时程：式中，a(t)为地震动时程，i为子断层横向位置，j为子断层纵向位置，N
l
为横向子断层数，N
w
为纵向子断层数，a
ij
为第ij个子断层的地震动时程，t为时间，Δt
ij
表示断层破裂从震源传递到子断层的间隔时间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在断层法向采用法向脉冲函数进行模拟，所述法向脉冲函数具体为：式中，v(t)为法向速度脉冲，A为脉冲幅值，f
p
为脉冲频率，为相位，γ为脉冲特征的参数，t0为脉冲的峰值时刻。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，断层平行方向采用含永久位移项的脉冲函数，永久位移的经验预测模型得到永久位移项PDS或D
site
，永久位移项的值根据矩震级M
w
、...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡进军，盛兆琦，谢礼立，
申请(专利权)人：中国地震局工程力学研究所，
类型：发明
国别省市：