黄土与高层建筑相互作用体系地震反应特性研究

In the background of being prone to strong earthquake in Loess Plateau and the sturcure characteristic of porous and weekly conslidated of loess, based on hotspot of seismic disasters researches at home and abroad in loess areas and actual demand of the urban development seismic safety, the seismic response characteristics of loess-tall buildings interaction in view of far-field ground motion characteristics and loess characteristics will be studied in this project. Through investigating earthquake disaster characteristics of tall buildings in Loess Plateau, the relationship will be discussed between earthquake disaster of tall buildings in Loess Plateau and other factors such as the far-field ground motion characteristics, local site conditions, loess structure characteristic, geological environment and the hydrogeology conditions. Combining with dynamic characteristics tests of loess and scanning electron microscopy experiments, the influencing rule of micro-structure characteristic parameters of loess on its dynamic constitutive relation will be illustrated. Moreover, large-scale shaking table model tests and finite element numerical simulation of seismic response in typical loess-tall buildings interaction will be carried out to explain the regularity and characteristics of loess-tall buildings interaction under earthquake. The results of this project will provide scientific foundation for tall buildings earthquake disasters prevention and construction engineering sites planning in Loess Plateau where strong earthquakes are very active.

本项目拟结合目前国内外黄土地震灾害研究的热点问题和黄土高原地区城市发展地震安全的实际需求，针对黄土高原强震多发背景和黄土多孔隙、弱胶结结构特性，开展考虑大震远场地震动特性与黄土土层特性的黄土—高层建筑相互作用体系的地震反应特性研究。通过对汶川地震黄土地区高层建筑地震灾害特征的调查，探讨远场地震动特性、局部场地条件、黄土结构特性、工程地质和水文地质条件等因素与黄土地区高层建筑地震灾害之间的联系；结合黄土动三轴和微结构电镜实验，揭示黄土微结构特性参数与其宏观动力本构的指标关联；开展典型黄土—高层建筑相互作用体系地震模拟振动台试验，并利用有限元数值仿真方法剖析黄土—高层建筑相互作用体系地震反应规律与特性，提出黄土地区高层建筑考虑放大效应的抗震设计方法。研究成果可为我国地震活动强烈的黄土高原地区的高层建筑地震灾害预防和建设工程场地规划选址提供科学依据。

2008年汶川地震对远离震中的黄土地区造成了较为严重的破坏，局部场地的震害和地震动放大效应显著。项目在总结历史震害资料的基础上，以现场考察、测试与室内试验为手段，采用数值模拟计算与振动台试验相结合的方法，系统开展了汶川地震黄土场地地震反应特性研究。旨在了解大震远震区建筑破坏原因、规律与特征；对影响远震区震害的地震动特性、地形地貌特征、覆盖土层厚度、水文地质条件等主要因素，给出了一些定性或定量的分析；并结合实际震害特点，提出黄土地区建筑结构抗震及地震安全对策中一些值得注意的问题。具体工作如下：.（1）收集整理了近年发生的著名大地震的震害资料，对远震区高层建筑震害进行对比，探讨远场高层建筑的震害特征、分析破坏原因、总结经验教训，找出影响远震区高层建筑破坏的关键因素，抓住这些关键因素，也即明确了项目的研究内容。.（2）研究了汶川地震近、远场地震记录峰值、反应谱及持时随传播距离及场地条件的变化规律，并将统计谱与设计谱进行对比，发现了远场黄土场地对地震动的放大效应，及统计谱特征周期值比设计谱明显向右偏移等问题。.（3）以典型黄土斜坡场地为例，采用现场强震动台阵观测与数值模拟计算方法，分析了黄土地区斜坡地形对地表地震动的影响，明确了不同角度斜坡动力响应随高程的变化规律。.（4）以汶川地震为背景，应用振动台模拟试验和数值计算方法，分析了黄土塬场地地表加速度响应随覆盖层厚度及地震动强度的变化规律，一定程度上解释和验证了汶川地震黄土塬场地动力响应特征。.（5）从地表地震反应的角度，以实际场地为例，进行土层地震反应分析，对黄土地区地下水位上升以后的地表地震动设计参数进行了重新评估，对黄土高阶地地表水下渗造成的地表地震动反应进行了预测。.研究对于更加科学和合理地确定黄土地区建设工程场地的设计地震动参数具有重要的参考意义，对于提高该地区的抗震设防能力起到了积极的科学指导作用。