層狀彈性場地基巖斜入射地震動二維反演

梁建文, 張愛娟, 何 穎

(1.天津大學(xué)土木工程系， 天津 300072； 2.天津市土木工程結(jié)構(gòu)及新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072；3.天津大學(xué)仁愛學(xué)院， 天津 301636)

引 言

基巖地震動求解是進(jìn)行場地地震響應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的必要步驟，基巖地震動反演是由場地參數(shù)和地表地震記錄推求基巖輸入運(yùn)動。20世紀(jì)80年代初胡聿賢、謝君斐等就開展了基巖地震動非線性反演的研究[1，2]。陳厚群等通過自由場地表運(yùn)動的反演分析和正演計(jì)算[3]，確定壩址河谷自由場地震運(yùn)動。蔡袁強(qiáng)等采用非線性土層平穩(wěn)隨機(jī)地震反應(yīng)分析的等價(jià)線性化方法反演分析了非線性成層地基基巖的地震動[4]。陳清軍和劉拓對地震波反演的波動法和有限元法進(jìn)行了比較[5]，并對頻率截?cái)鄦栴}進(jìn)行了探討。

值得指出的是，上述基巖地震動反演均是僅根據(jù)地表水平地震動加速度記錄來推求基巖面水平地震動，是一維反演問題；而實(shí)際上，地表某點(diǎn)的水平加速度記錄只是該地表點(diǎn)地震記錄的一個方向，在該點(diǎn)同時(shí)還有豎向加速度記錄和另外一條水平加速度記錄，或者說該地表點(diǎn)的實(shí)際地面運(yùn)動是三維的；雖然地震記錄通常均是以三個正交方向的地震動來表示，但三個方向的地震動自基巖到地表的傳播過程中卻是耦合的，或者說，斜入射的波自基巖向地表傳播過程中，每遇到一個土層界面均存在波型轉(zhuǎn)換，因此可以設(shè)想，僅根據(jù)地表水平加速度記錄來推求該方向的基巖面水平地震動無疑存在一定的誤差。

不失一般性，以二維反演問題為例，本文提出了層狀彈性場地基巖斜入射地震動反演的一個方法，方法根據(jù)地表一點(diǎn)的水平和豎向的兩個加速度記錄，進(jìn)行基巖輸入地震動和入射角的反演，并以剪切波斜入射為例對方法進(jìn)行了驗(yàn)證。最后對文獻(xiàn)中一維反演的誤差進(jìn)行了分析。

1 斜入射地震動反演方法

圖1所示層狀彈性半空間場地，由基巖半空間和其上的N個土層組成。本文的目的是根據(jù)地面水平加速度記錄uL和豎直加速度記錄wL來反演基巖斜入射地震動aSV和斜入射角φ。圖中，uR和wR分別表示基巖面運(yùn)動，uR0和wR0則分別表示基巖露頭運(yùn)動。

圖1 斜入射地震動二維反演模型

利用土層動力剛度矩陣和半空間動力剛度矩陣[6]，第m(m=1,2,…,N)個土層和基巖半空間在頻域內(nèi)的動力平衡方程可以分別寫為

(1)

(2)

將各土層和半空間的動力剛度矩陣集整，得到場地的動力剛度矩陣K，自由場的動力平衡方程可寫為

(3)

上式兩邊同時(shí)左乘K的逆矩陣(柔度矩陣)Δ，得到

(4)

式中 矩陣Δ只與場地動力特性和波入射角度φ有關(guān)，右邊位移向量中的U1，W1可由地表加速度記錄uL和wL的Fourier變換并積分求得。

式(4)展開后得

(5)

方程兩邊分別相除，并將等號右邊項(xiàng)左移，可得如下方程

(6)

反演的目的在于求解基巖入射地震動和入射角，使得地表加速度時(shí)程響應(yīng)等于地表加速度記錄。由于場地動力特性已知，則式(6)為僅含未知量φ的方程，最優(yōu)求解即可得到基巖入射角φ，進(jìn)而求得基巖斜入射地震動。

2 斜入射地震動二維反演步驟

以基巖半空間上N個土層場地為例進(jìn)行反演分析，其主要步驟如下。

(2)求解方程(6)，得出地震波入射角φ。求解的關(guān)鍵在于尋找一個合適的角φ，在所有頻率上滿足式(6)，可采用最小二乘法最優(yōu)尋解。即考慮M個頻率點(diǎn)的殘差均方根

(7)

求取使e取得最小值的角度值φ作為方程的解。值得指出的是，當(dāng)入射角為0°時(shí)方程(6)無意義，自然也無需最優(yōu)尋解。

(3)將求得的入射角φ代入整體柔度矩陣Δ，求解方程組(5)得到半空間荷載幅值P0和R0。

(5)頻域內(nèi)基巖處入射波由下式可得

(8)

3 方法驗(yàn)證與算例分析

首先，通過模擬產(chǎn)生地表水平和豎向加速度記錄。在層狀彈性場地(場地土參數(shù)資料見表1)基巖處斜入射幅值為0.1g的El Centro波(圖2)，斜入射角分別為0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°和40°，求得地表水平和豎向加速度響應(yīng)作為地表水平加速度記錄和豎向加速度記錄，圖3給出了斜入射角φ=0°，10°，20°，30°和40°情況下地表水平加速度記錄uL和豎向加速度記錄wL。

圖2 輸入地震波加速度時(shí)程

3.1 基巖斜入射地震動二維反演

圖4給出了基巖斜入射地震動時(shí)程二維反演結(jié)果和入射角最優(yōu)尋解結(jié)果。值得指出的是，對于入射角為0°的情況，入射角無需最優(yōu)尋解，僅憑地表無豎向運(yùn)動即可判斷地震波的入射角度(圖4(a))?？梢钥闯?，在不同(斜入射角情況)地表水平加速度記錄和豎向加速度記錄情況下(圖4(b))，均可以準(zhǔn)確反演出基巖斜入射地震動的入射角和時(shí)程。說明本文方法是正確的，計(jì)算精度是非常高的。

表1 場地基本資料

3.2 基巖垂直入射地震動(一維)反演

圖5給出了入射角為0°，10°，20°，30°和40°情況下，一維反演得到的基巖面運(yùn)動和基巖露頭運(yùn)動分別與實(shí)際基巖面運(yùn)動和基巖露頭運(yùn)動的比較，表2和3則分別給出了入射角為0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°和40°情況下，基巖面運(yùn)動和基巖露頭運(yùn)動時(shí)程的峰值及峰值出現(xiàn)時(shí)刻的反演值和實(shí)際值的比較?？梢钥闯?，斜入射角φ=0°時(shí)，反演的基巖面運(yùn)動和基巖露頭運(yùn)動與實(shí)際基巖面運(yùn)動和基巖露頭運(yùn)動完全重合；隨著斜入射角的增大，差別(誤差)逐漸增大?？梢钥闯?，當(dāng)入射角φ=25°時(shí)，基巖面運(yùn)動反演誤差為9.71%，基巖露頭運(yùn)動反演誤差為7.35%，而φ>25°時(shí)誤差將顯著增加。原因在于，雖然地震記錄均采用相互正交的地震動來表示，但斜入射地震動自基巖到地表的傳播過程中卻是耦合的，每遇到一個土層界面均存在波型轉(zhuǎn)換，因此，僅根據(jù)地表一條水平加速度記錄來推求該方向的基巖面水平運(yùn)動必然存在一定的誤差，且該誤差隨著實(shí)際地震動斜入射角的增大而增大，誤差的本質(zhì)在于忽略了豎向地震動的影響。由于實(shí)際地震動無疑是三維的，或者說豎向地震動不可忽視(有時(shí)豎向地震加速度峰值甚至大于水平地震加速度峰值)，因此，文獻(xiàn)中的一維反演可能存在較大的誤差，值得重視。

為了進(jìn)一步說明誤差的影響，圖6分別給出了入射角為0°，10°，20°，30°和40°情況下，基巖面運(yùn)動反應(yīng)譜和基巖露頭運(yùn)動反應(yīng)譜分別與實(shí)際基巖面運(yùn)動反應(yīng)譜和基巖露頭運(yùn)動反應(yīng)譜的比較。可以看出，當(dāng)入射角φ≥30°時(shí)，基巖面運(yùn)動反應(yīng)譜和基巖露頭運(yùn)動反應(yīng)譜均與實(shí)際相差已非常明顯，此時(shí)采用一維反演將造成較大的誤差。

圖3 模擬的地表水平和豎向加速度記錄

圖4 基巖斜入射地震動二維反演結(jié)果

圖5 一維反演的基巖面水平運(yùn)動和基巖露頭運(yùn)動(左圖)與實(shí)際二維基巖面水平運(yùn)動uR和基巖露頭水平運(yùn)動uR0(右圖)的比較

表2 基巖面運(yùn)動水平加速度時(shí)程反演誤差

表3 基巖露頭運(yùn)動水平加速度時(shí)程反演誤差

圖6 按垂直入射(一維)反演加速度反應(yīng)譜對比圖

4 結(jié) 論

本文提出了層狀彈性場地基巖斜入射地震動二維反演的一個方法，方法利用半空間和土層的精確動力剛度矩陣，根據(jù)地表某一點(diǎn)的水平和豎向的兩個地震加速度記錄，進(jìn)行基巖斜入射地震動和入射角的反演，并以SV波斜入射為例對方法進(jìn)行了驗(yàn)證。研究表明，根據(jù)水平和豎向兩個地震加速度記錄可以準(zhǔn)確進(jìn)行基巖地震加速度時(shí)程和入射角的反演。論文并分析指出了文獻(xiàn)中一維反演存在的誤差及出現(xiàn)誤差的原因。

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