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原文传递活断层区域宽频强震模拟及桥梁地震灾害分析

论文题名：	活断层区域宽频强震模拟及桥梁地震灾害分析
关键词：	桥梁网络;地震响应;风险评估;活断层区域
摘要：	受破裂方向性效应、滑冲效应、上下盘效应的影响，活断层区域地震动具有强速度脉冲和大地面位移等特征，其作用下近/跨断层桥梁结构具有显著不利影响。实测近断层地震记录的匮乏一直制约着活断层区域地震动场分布和近/跨断层工程结构地震响应规律的系统研究。将基于地球物理方法的地震动模拟应用于地震工程领域，是解决实测记录不足的有效途径，也是当前跨越理论地震学和地震工程学的研究热点。基于此，本文围绕活断层区域宽频地震动模拟和近/跨断层桥梁震灾分析 2 个关键问题，依次开展了基于断层破裂过程的宽频地震动模拟方法研究、活断层区域宽频地震动场及区域尺度桥梁地震响应分布特征研究、跨断层桥梁地震响应研究、区域尺度桥梁网络地震风险评估理论与方法研究。主要研究内容和结论如下：　　（1）基于断层破裂过程的宽频地震动混合模拟方法　　通过对比4种地震动模拟方法的模拟精确度和模拟效率，提出一种基于断层破裂过程的宽频地震动混合模拟方法，分别采用 Hisada 离散波数法和随机有限断层法模拟地震动的低频和高频成分，再将两种成分在合适的交叉频率处叠加生成宽频地震动。以2008年汶川地震为背景，将宽频地震动模拟结果与实测强震记录、地理测量同震位移数据以及地震动经验模型进行比较分析，验证了模拟方法的准确性。本文提出的基于断层破裂过程的地震动宽频模拟方法具有高效准确的特点，可以考虑近断层地震动的强速度脉冲和永久地面位移特征以及高频成分，且同时兼顾场地非线性响应，可应用于地震工程领域解决实际问题。　　（2）活断层区域宽频地震动场分布规律研究　　采用本文提出的宽频地震动模拟方法，对断层类型、断层滑动分布、破裂传播速度等 12 个地震动模拟参数进行敏感性分析，研究不同模拟参数对活断层区域宽频地震动空间分布特征的影响规律。研究结果表明断层类型是影响近断层地震动破裂方向效应分布区域和发生方向的主要因素，而断层破裂速度和地壳介质波速的变化会影响活断层区域破裂方向性效应的强弱；断层倾角是引起近断层地震动上下盘效应主要因素，断层倾角越小，上下盘效应越显著；断层滑动分布、断层滑动速度、断层埋深、应力降、高频衰减因子、震级和场地类型等参数均会影响地震动的强度，但对破裂方向效应和上下盘效应影响较小；而品质因子和几何衰减参数对地震动的空间分布影响有限。　　（3）考虑地震动场空间效应的近断层桥梁地震响应研究　　采用本文提出的宽频地震动模拟方法，生成走滑和倾滑断层发生Mw7.0级地震的活断层区域尺度地震动，采用非线性有限元分析方法，研究了断层类型对两座具有不同振动周期桥梁地震响应空间分布规律的影响。研究结果表明，受到破裂方向性效应和上盘效应的影响，沿断层走向具有相同距离的地震动存在较大的变异性，且距离断层越近地震动的空间变异性越强；不同类型断层的地震动作用下桥梁地震响应的空间分布迥异，走滑断层地震动作用下桥梁主要受到破裂方向效应的作用，倾滑断层地震动作用下桥梁受到上下盘效应和破裂方向性效应的综合影响。对于振动周期较短的桥梁，上盘效应对其地震响应起到主导作用，而对于振动周期较长的桥梁，破裂方向性效应起到主导作用。　　（4）跨断层简支梁桥地震响应及减震设计方法研究　　①提出了适用于跨断层桥梁抗震分析的地震动调幅方法，对6条走滑断层的永久地面位移地震动实测记录进行调幅，分析了不同断层跨越角度下跨走滑断层简支梁桥的地震响应规律，并采用多准则决策法研究了断层合理跨越角度，研究结果表明断层跨越角度在60°~90°之间时桥梁的综合地震响应最小。②提出了永久地面位移地震动合成方法，生成了随脉冲幅值、脉冲周期变化的永久地面位移地震动时程，研究了永久地面位移对跨断层简支梁桥地震响应的影响，研究结果表明脉冲幅值和脉冲周期的增大均会引起永久地面位移的增大，两者增长对桥梁地震响应的影响规律相似。③采用基于断层破裂过程的宽频地震动模拟方法，生成了倾滑正断层的永久地面位移地震动时程，研究了地震动频率范围、桥梁与断层相对位置、竖向地震动等对倾滑正断层简支梁桥的地震响应的影响规律，研究结果表明跨断层桥梁地震响应分析需采用宽频地震动作为地震动输入，不考虑竖向地震动会低估跨倾滑断层纵桥向的地震响应。④提出了跨断层简支梁桥的限位拉索设计方法，并采用非线性有限元分析方法评估了限位拉索设计方法的有效性，研究结果表明SMA材料的大变形能力可显著减小限位拉索的设计长度，更加适用于跨断层桥梁的限位拉索设计。　　（5）活断层区域桥梁网络地震风险评估理论与方法研究　　提出了考虑地震动场空间效应的区域尺度桥梁网络地震风险评估理论与方法，该方法采用本文提出的基于断层破裂过程的宽频地震动模拟方法生成区域尺度地震动，采用非线性时程分析方法计算桥梁网络的抗震需求，根据桥梁损伤概率和经济损失之间的关系评估桥梁网络的抗震需求。以2008年汶川地震206座桥梁为研究背景，对震后近断层区域桥梁网络的震害和地震风险进行评估，发现采用本文方法模拟的区域尺度桥梁网络震害和震害调查结果拟合程度较好，可考虑破裂方向性效应对桥梁震害的影响，亦可考虑跨断层桥梁的极端震害，而采用易损性分析方法会低估破裂前方区域的桥梁震害。同时以龙门山断裂带500km尺度范围为例，结合概率地震危险性分析方法，研究了震前龙门山断裂带附近区域的桥梁网络可能发生的震害等级，给出了该区域桥梁网络的地震风险曲线。本文提出的区域尺度桥梁网络地震风险评估可为震前规划和震后应急救援提供科学指导意见。
作者：	张凡
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	王景全
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022