汶川地震的主余震统计特性及其对结构反应的影响
|
摘要
对于地震地面运动预测的一个很重要的方面就是余震(从时间方面考虑)以及主震所诱发的周边区域的地震(空间方面考虑)。一般来说,一个地震发生之后的一段时期,会伴随着大量余震的发生。从另一个角度来看,主震本身就是一种相对于小烈度的余震未被识别的前震,只是选取的时间参照系的不同罢了。
一、2008年5月12日发生在四川省汶川的大地震是我国自1976年唐山大地震以来造成人员伤亡和经济损失最为严重的一次破坏性地震。这次地震具有影响范围大、强度高、震害分布广、地质情况复杂、地质灾害重等特点。在512汶川地震中,国家数字强震动台网中心在全国范围内共有420个台站获得了相应的地震动信息,获得了相对比较完整的强震动加速度记录。同时,在这次地震的主震过后,由77个固定台站和86个流动台站所获取的余震记录也为研究提供了大量的数据。
二、中美两国的抗震规范在抗震设防与计算方法方面包含着一定的差异性。对两国抗震规范的差异性进行研究有着重大意义。本文对于依照中美两国抗震规范所设计出来的两栋结构,利用静力及动力方法对结构的抗震性能进行分析,得到了一些有用的结论,可初步用于对两国规范所设计的低层结构进行评价。
基于上述研究背景和研究需要,本文的研究内容主要包括以下三部分内容：
(1)对汶川8.0级地震的主震及余震的衰减规律进行了研究,得到了主震随断层距的衰减规律及余震随断层距的衰减规律,并得出了主余震加速度峰值之间的相关规律；
(2)针对都江堰一栋实际的钢筋混凝土结构,利用汶川地震的一组实际地震动记录,按照文章中得出的主余震统计规律对地震动加速度峰值进行调幅之后,得到了只考虑主震作用,以及考虑主余震共同作用对结构的耗能、失效模式的影响；
(3)针对一组分别依据中美抗震规范设计的结构进行IDA和PUSHOVER分析,从实例分析的角度对比了两国规范的异同。
The aftershock often happens after the main-shock, and it has a considerate impact on the structures. The main-shock can also be considered a kind of foreshock relative to the aftershocks.
On May12th2008the Wenchuan earthquake happens, which is the most serious earthquake in the history of China, making a lot of death and loss. This earthquake is worth being focused because it has some distinctive characteristics including the high intensity, the broad range of impact etc. We get lots of recordings in Wenchuan earthquake, including main-shocks recorded by420seismographs and aftershocks recorded by77fixed seismographs and86unfixed seismographs.
There are some differences between the Chinese seismic code and the U.S. code. In chapter four of this thesis, two structures which were designed in conformance with the seismic codes respectively are analyzed, and some useful conclusions have been reached.
Based on the background above, the thesis includes the following contents:
(1) Research on the attenuation rules of PGA in the Wenchuan earthquake along with the fault distance and the peak ground acceleration relationship between the main shock and the aftershock;
(2) Research on the impact of the aftershock on the structural response;
(3) Using IDA and PUSHOVER methods to analyze two structures in order to compare the Chinese and U.S. seismic code.
一、2008年5月12日发生在四川省汶川的大地震是我国自1976年唐山大地震以来造成人员伤亡和经济损失最为严重的一次破坏性地震。这次地震具有影响范围大、强度高、震害分布广、地质情况复杂、地质灾害重等特点。在512汶川地震中,国家数字强震动台网中心在全国范围内共有420个台站获得了相应的地震动信息,获得了相对比较完整的强震动加速度记录。同时,在这次地震的主震过后,由77个固定台站和86个流动台站所获取的余震记录也为研究提供了大量的数据。
二、中美两国的抗震规范在抗震设防与计算方法方面包含着一定的差异性。对两国抗震规范的差异性进行研究有着重大意义。本文对于依照中美两国抗震规范所设计出来的两栋结构,利用静力及动力方法对结构的抗震性能进行分析,得到了一些有用的结论,可初步用于对两国规范所设计的低层结构进行评价。
基于上述研究背景和研究需要,本文的研究内容主要包括以下三部分内容：
(1)对汶川8.0级地震的主震及余震的衰减规律进行了研究,得到了主震随断层距的衰减规律及余震随断层距的衰减规律,并得出了主余震加速度峰值之间的相关规律；
(2)针对都江堰一栋实际的钢筋混凝土结构,利用汶川地震的一组实际地震动记录,按照文章中得出的主余震统计规律对地震动加速度峰值进行调幅之后,得到了只考虑主震作用,以及考虑主余震共同作用对结构的耗能、失效模式的影响；
(3)针对一组分别依据中美抗震规范设计的结构进行IDA和PUSHOVER分析,从实例分析的角度对比了两国规范的异同。
The aftershock often happens after the main-shock, and it has a considerate impact on the structures. The main-shock can also be considered a kind of foreshock relative to the aftershocks.
On May12th2008the Wenchuan earthquake happens, which is the most serious earthquake in the history of China, making a lot of death and loss. This earthquake is worth being focused because it has some distinctive characteristics including the high intensity, the broad range of impact etc. We get lots of recordings in Wenchuan earthquake, including main-shocks recorded by420seismographs and aftershocks recorded by77fixed seismographs and86unfixed seismographs.
There are some differences between the Chinese seismic code and the U.S. code. In chapter four of this thesis, two structures which were designed in conformance with the seismic codes respectively are analyzed, and some useful conclusions have been reached.
Based on the background above, the thesis includes the following contents:
(1) Research on the attenuation rules of PGA in the Wenchuan earthquake along with the fault distance and the peak ground acceleration relationship between the main shock and the aftershock;
(2) Research on the impact of the aftershock on the structural response;
(3) Using IDA and PUSHOVER methods to analyze two structures in order to compare the Chinese and U.S. seismic code.
引文
[1]朱伯龙,董振祥.钢筋混凝土非线性分析[M].同济大学出版社,1985.
[2]马千里.钢筋混凝土框架结构基于能量抗震设计方法研究[D].清华大学,2009.
[3]侯爽,欧进萍.结构Pushover分析的侧向力分布及高阶振型影响[J].地震工程与工程振动.2004,24(003)：89-97.
[4]Chopra A K, Goel R K. A modal pushover analysis procedure for estimating seismic demands for buildings[J]. Earthquake Engineering \& Structural Dynamics.2002, 31(3):561-582.
[5]Krawinkler H, Seneviratna G. Pros and cons of a pushover analysis of seismic performance evaluation[J]. Engineering structures.1998,20(4):452-464.
[6]叶燎原,潘文.结构静力弹塑性分析(push—over)的原理和计算实例[J].建筑结构学报.2000,21(1)：37-43.
[7]侯爱波,汪梦甫,周锡元Pushover分析方法中各种不同的侧向荷载分布方式的影响[J].世界地震工程.2007,23(3)：120-128.
[8]汪梦甫,周锡元.高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究[J][J].土木工程学报.2003,36(11)：44-49.
[9]孙爱伏,侯爽,林迟.汶川地震中都江堰市房屋建筑失效模式分析[J].大连理工大学学报.2009(005)：731-738.
[10]Vamvatsikos D, Cornell C A. Incremental dynamic analysis[J]. Earthquake Engineering \& Structural Dynamics.2002,31(3):491-514.
[11]Vamvatsikos D, Cornell C A. Applied incremental dynamic analysis [J]. Earthquake Spectra.2004,20:523.
[12]吕大刚,于晓辉,王光远.基于单地震动记录IDA方法的结构倒塌分析[J].地震工程与工程振动.2009,29(006)：33-39.
[13]陆新征,叶列平.基于IDA分析的结构抗地震倒塌能力研究[J].工程抗震与加固改造.2010,32(1)：13-18.
[14]史航标.地震作用下的钢筋混凝土结构能量法研究[D].武汉理工大学,2010.
[15]肖明葵.基于性能的抗震结构位移及能量反应分析方法研究[D].重庆大学,2004.
[16]于海英,王栋,杨永强,等.汶川8.0级地震强震动加速度记录的初步分析[J].地震工程与工程振动.2009(1)：1-13.
[17]于海英,王栋,杨永强,等.汶川8.0级地震强震动特征初步分析[J].震灾防御技术.2008(4)：321-336.
[18]周荣军,赖敏,余桦,等.汶川Ms8.0地震四川及邻区数字强震台网记录[J].岩石力学与工程学报.2010(9)：1850-1858.
[19]温瑞智,周正华,任叶飞,等.汶川强余震流动观测与典型余震记录分析[J].地震工程 与工程振动.2009(5)：13-19.
[20]杨永强,谢礼立,李明,等.汶川余震加速度记录的反应谱特征研究[J].土木工程学报.2010(S1)：37-41.
[21]周锡元,王国权,杨润林.1999年9月21日台湾集集地震中不同场地上峰值加速度的衰减特征[A][D].2001.
[22]彭小波.汶川地震强震动记录分析及应用[D].中国地震局工程力学研究所,2011.
[23]霍俊荣,胡聿贤.地震动峰值参数衰减规律的研究[J].地震工程与工程振动.1992(2)：1-11.
[24]雷建成,高孟潭,俞言祥.四川及邻区地震动衰减关系[J].地震学报.2007(5)：500-511.
[25]Mcguire R K. Seismic ground motion parameter relations[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division.1978,104(4):481-490.
[26]卢大伟,李小军,崔建文.汶川中强余震地震动峰值衰减关系[J].应用基础与工程科学学报.2010(S1)：138-151.
[27]欧进萍,吴波.钢筋混凝土结构在主余震作用下的概率累积损伤分析[J].上海力学.1993(4)：63-70.
[28]欧进萍,吴波.考虑余震影响的结构抗震设计实用方法[J].哈尔滨建筑工程学院学报.1994(4)：9-16.
[29]欧进萍,吴波.压弯构件在主余震作用下的累积损伤试验研究[J].地震工程与工程振动.1994(3)：20-29.
[30]Luco N, Bazzurro P, Cornell C A. Dynamic versus static computation of the residual capacity of a mainshock-damaged building to withstand an aftershock[C].2004.
[31]Li Q, Ellingwood B R. Performance evaluation and damage assessment of steel frame buildings under main shock--aftershock earthquake sequences[J]. Earthquake engineering \& structural dynamics.2007,36(3):405-427.
[32]Amadio C, Fragiacomo M, Rajgelj S. The effects of repeated earthquake ground motions on the non-linear response of SDOF systems[J]. Earthquake engineering \& structural dynamics.2003,32(2):291-308.
[33]田启强.地震动作用下结构能量反应研究及能量法应用初步[D].中国地震局工程力学研究所,2010.
[34]Elnashai A S, Di Sarno L. Fundamentals of earthquake engineering[M]. Wiley Online Library,2008.
[35]张鑫犇,张雷明,刘西拉.从钢筋混凝土框架抗倒塌能力看我国抗震规范的改进[J].四川建筑科学研究.2011(1)：128-132.
[36]孙新,王铁红.UBC规范与《建筑抗震设计规范》地震荷载转换方法[J].化工设计.2007,17(4)：66-68.
[37]Vamvatsikos D, Cornell C A. Developing efficient scalar and vector intensity measures for IDA capacity estimation by incorporating elastic spectral shape information[J]. Earthquake engineering \& structural dynamics.2005,34(13): 1573-1600.
[38]Jin J, El-Tawil S, Others. Evaluation of FEMA-350 seismic provisions for steel panel zones[J]. Journal of structural engineering.2005,131:250.
[39]Vamvatsikos D, Cornell C A, Others. Direct estimation of seismic demand and capacity of multidegree-of-freedom systems through incremental dynamic analysis of single degree of freedom approximation[J]. Journal of structural engineering. 2005,131:589.
[40]王玉珠,周慧芳.钢筋混凝土框架办公楼设计(按美国规范)[D].大连理工大学,2009.
[41]G.B.建筑抗震设计规范[S][S].2001.
[2]马千里.钢筋混凝土框架结构基于能量抗震设计方法研究[D].清华大学,2009.
[3]侯爽,欧进萍.结构Pushover分析的侧向力分布及高阶振型影响[J].地震工程与工程振动.2004,24(003)：89-97.
[4]Chopra A K, Goel R K. A modal pushover analysis procedure for estimating seismic demands for buildings[J]. Earthquake Engineering \& Structural Dynamics.2002, 31(3):561-582.
[5]Krawinkler H, Seneviratna G. Pros and cons of a pushover analysis of seismic performance evaluation[J]. Engineering structures.1998,20(4):452-464.
[6]叶燎原,潘文.结构静力弹塑性分析(push—over)的原理和计算实例[J].建筑结构学报.2000,21(1)：37-43.
[7]侯爱波,汪梦甫,周锡元Pushover分析方法中各种不同的侧向荷载分布方式的影响[J].世界地震工程.2007,23(3)：120-128.
[8]汪梦甫,周锡元.高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究[J][J].土木工程学报.2003,36(11)：44-49.
[9]孙爱伏,侯爽,林迟.汶川地震中都江堰市房屋建筑失效模式分析[J].大连理工大学学报.2009(005)：731-738.
[10]Vamvatsikos D, Cornell C A. Incremental dynamic analysis[J]. Earthquake Engineering \& Structural Dynamics.2002,31(3):491-514.
[11]Vamvatsikos D, Cornell C A. Applied incremental dynamic analysis [J]. Earthquake Spectra.2004,20:523.
[12]吕大刚,于晓辉,王光远.基于单地震动记录IDA方法的结构倒塌分析[J].地震工程与工程振动.2009,29(006)：33-39.
[13]陆新征,叶列平.基于IDA分析的结构抗地震倒塌能力研究[J].工程抗震与加固改造.2010,32(1)：13-18.
[14]史航标.地震作用下的钢筋混凝土结构能量法研究[D].武汉理工大学,2010.
[15]肖明葵.基于性能的抗震结构位移及能量反应分析方法研究[D].重庆大学,2004.
[16]于海英,王栋,杨永强,等.汶川8.0级地震强震动加速度记录的初步分析[J].地震工程与工程振动.2009(1)：1-13.
[17]于海英,王栋,杨永强,等.汶川8.0级地震强震动特征初步分析[J].震灾防御技术.2008(4)：321-336.
[18]周荣军,赖敏,余桦,等.汶川Ms8.0地震四川及邻区数字强震台网记录[J].岩石力学与工程学报.2010(9)：1850-1858.
[19]温瑞智,周正华,任叶飞,等.汶川强余震流动观测与典型余震记录分析[J].地震工程 与工程振动.2009(5)：13-19.
[20]杨永强,谢礼立,李明,等.汶川余震加速度记录的反应谱特征研究[J].土木工程学报.2010(S1)：37-41.
[21]周锡元,王国权,杨润林.1999年9月21日台湾集集地震中不同场地上峰值加速度的衰减特征[A][D].2001.
[22]彭小波.汶川地震强震动记录分析及应用[D].中国地震局工程力学研究所,2011.
[23]霍俊荣,胡聿贤.地震动峰值参数衰减规律的研究[J].地震工程与工程振动.1992(2)：1-11.
[24]雷建成,高孟潭,俞言祥.四川及邻区地震动衰减关系[J].地震学报.2007(5)：500-511.
[25]Mcguire R K. Seismic ground motion parameter relations[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division.1978,104(4):481-490.
[26]卢大伟,李小军,崔建文.汶川中强余震地震动峰值衰减关系[J].应用基础与工程科学学报.2010(S1)：138-151.
[27]欧进萍,吴波.钢筋混凝土结构在主余震作用下的概率累积损伤分析[J].上海力学.1993(4)：63-70.
[28]欧进萍,吴波.考虑余震影响的结构抗震设计实用方法[J].哈尔滨建筑工程学院学报.1994(4)：9-16.
[29]欧进萍,吴波.压弯构件在主余震作用下的累积损伤试验研究[J].地震工程与工程振动.1994(3)：20-29.
[30]Luco N, Bazzurro P, Cornell C A. Dynamic versus static computation of the residual capacity of a mainshock-damaged building to withstand an aftershock[C].2004.
[31]Li Q, Ellingwood B R. Performance evaluation and damage assessment of steel frame buildings under main shock--aftershock earthquake sequences[J]. Earthquake engineering \& structural dynamics.2007,36(3):405-427.
[32]Amadio C, Fragiacomo M, Rajgelj S. The effects of repeated earthquake ground motions on the non-linear response of SDOF systems[J]. Earthquake engineering \& structural dynamics.2003,32(2):291-308.
[33]田启强.地震动作用下结构能量反应研究及能量法应用初步[D].中国地震局工程力学研究所,2010.
[34]Elnashai A S, Di Sarno L. Fundamentals of earthquake engineering[M]. Wiley Online Library,2008.
[35]张鑫犇,张雷明,刘西拉.从钢筋混凝土框架抗倒塌能力看我国抗震规范的改进[J].四川建筑科学研究.2011(1)：128-132.
[36]孙新,王铁红.UBC规范与《建筑抗震设计规范》地震荷载转换方法[J].化工设计.2007,17(4)：66-68.
[37]Vamvatsikos D, Cornell C A. Developing efficient scalar and vector intensity measures for IDA capacity estimation by incorporating elastic spectral shape information[J]. Earthquake engineering \& structural dynamics.2005,34(13): 1573-1600.
[38]Jin J, El-Tawil S, Others. Evaluation of FEMA-350 seismic provisions for steel panel zones[J]. Journal of structural engineering.2005,131:250.
[39]Vamvatsikos D, Cornell C A, Others. Direct estimation of seismic demand and capacity of multidegree-of-freedom systems through incremental dynamic analysis of single degree of freedom approximation[J]. Journal of structural engineering. 2005,131:589.
[40]王玉珠,周慧芳.钢筋混凝土框架办公楼设计(按美国规范)[D].大连理工大学,2009.
[41]G.B.建筑抗震设计规范[S][S].2001.