速度大脉冲的方向性特性及其对结构的影响研究

The current seismic instruments record horizontal ground motion by two orthogonal components, the study of earthquake ground motion is usually limited to the actual record in both directions, lacking of in-depth research on the variation of ground motion with the direction. Due to the near-fault directivity effects, observed ground velocity pulses actually vary a lot with orientation, the region and direction of showing large pulses, and intensity of pulses has obvious advantages on principal orientation, which significantly affects macroscopic earthquake damage and seismic engineering reactions. Therefore, this project intends to study the directional characteristics of near-fault pulses and its impact on the engineering structure. Considering significant change of near-fault ground motions with the direction, a new scheme is proposed for quantitatively identifying velocity pulses. Based on extensive quantitative analysis of actual recordings, we obtain the main characteristics and laws of variation of velocity pulses with orientation. On the other hand, we investigate the impact of directivity of velocity pulses on engineering structures using both response spectrum theoretical analysis and numerical simulation method, to make clear the direction of maximum spectra demand, and reveal the influences on the reaction of engineering structures, which can provide an important reference for the seismic design of engineering structures in the near-fault region.

目前的地震仪器对水平向的地震动通过两个正交分量来进行记录，针对地震动的相关研究，往往局限于实际记录到的这两个方向，缺少针对地震动特性随方向变化的深入研究。受近断层方向性效应影响，实际观测的速度脉冲会随记录方向显著变化，大脉冲出现的区域、方向和强度具有明显的优势方向，这种方向性特点对宏观震害和工程结构地震反应有重要影响。为此，本项目拟研究速度大脉冲的方向性特性及其对结构的影响。针对速度大脉冲随记录方向显著变化的特点，提出一种考虑地震动方向性的脉冲定量识别方法，应用于速度脉冲及其方向性特性的研究，基于大量实际观测记录的定量分析，获取速度大脉冲随方向变化的主要特点和规律。另一方面，基于反应谱理论分析和数值模拟方法研究速度大脉冲的方向性对工程结构的影响，明确速度脉冲作用的最大需求方向，揭示速度大脉冲的方向性对典型工程结构影响的特征规律，为近断层场地工程结构的抗震设防提供重要参考。

本项目针对近断层地震动在不同观测方向上显著差异，提出一种考虑脉冲出现方向不确定性的脉冲识别方法，实现典型脉冲记录的准确高效识别。基于二维弹性自由振子模型的投影包络算法，准确捕捉不同周期地震动强度随观测方向的变化，实现脉冲型地震动卓越方向的快速可视化分析，揭示了速度脉冲的最大抗震需求方向及地震动强度随观测方向变化的极性强弱特征。基于地震动强度参数的定量分析结果揭示了脉冲和非脉冲记录的在不同周期的极性特征，探讨了断层机制、破裂方向、地面永久变形等因素对速度脉冲的极性特征的影响，揭示了脉冲型地震动极性强弱和卓越方向形成机理。另一方面，基于速度脉冲作用下典型框架结构的地震反应的数值模拟研究，揭示了速度脉冲的卓越方向对工程结构的地震反应的重要影响。由于建筑结构往往在不同方向具有不同的刚度，通过在工程结构设计时避开最不利地震动方向（即脉冲影响的卓越方向），可以有效地避免最不利结构反应的发生，研究成果对于近断层场地工程结构的抗震设防具有借鉴意义。