三维近断层地震作用下城市-场地相互作用研究

It is a new research direction for the problem of site-city interaction in recent years. However the laws of three-dimensional site-city interaction caused by near-fault earthquake have not yet come into. Based on the two-dimensional investigated lump method for modeling near-fault seismic ground motion and site-city interaction caused by near-fault earthquake, three important problems are studied in this project. The first one is that the investigated lump is constructed from three-dimensional continuous medium for implementing the simulation of near-fault seismic ground motion combining finite-fault source; the second one is that the investigated lump is constructed from the connection between structure and earth medium for implementing mutual wave propagation in structure and earth medium; and the third one is that the three-dimensional calculating model including finite-fault source, earth medium and city (or structure cluster) is established for explaining the earthquake disaster phenomena of building structures and studying the laws of site-city interaction caused by near-fault earthquake. The project has two innovative investigations: one is that an investigated lump method combining finite-fault source model is proposed for modeling seismic wave propagations in earth medium and to provide a new calculating method for simulation and prediction of near-fault seismic ground motions; the other is that the investigated lump method is proposed for modeling mutual wave propagation between structure and earth medium, and for exploring the new laws of site-city interaction caused by near-fault earthquake.

城市-场地相互作用问题是近年来出现的一个新的研究方向，而三维近断层地震作用下城市-场地相互作用规律尚未获得。本项目基于近断层地震动模拟以及近断层地震作用下城市-场地相互作用模拟的二维被研究块体方法重点研究：（1）在三维连续介质中建立被研究块体，结合有限断层震源实现近断层地震动的模拟；（2）在三维结构与地球介质连接处建立被研究块体，实现波动在结构和地球介质中的相互传播；（3）建立包括有限断层震源、地球介质以及城市（或结构群）的三维计算模型，解释近断层地震导致的城市建筑结构的震害现象，研究近断层地震作用下城市-场地相互作用规律。本项研究创新为：（1）结合有限断层震源模型提出一种模拟地震波在三维地球介质中传播的被研究块体方法，为近断层地震动模拟和预测提供一种新的计算手段；（2）提出一种模拟波在三维结构和地球介质中相互传播的被研究块体方法，探索近断层地震作用下城市-场地相互作用的新规律。

近断层地震对其周围的城市会造成严重的震害。目前，数值方法仍是研究近断层结构地震响应的一种有效手段，因此，进一步深入开展能够将结构群、地球介质和发震断层同时考虑到同一个计算模型中的近断层结构群地震响应的波动数值方法研究是一项有意义的工作。项目主要完成以下研究工作：.基于两机制微分型、L机制记忆变量型和L机制历史变量型GZB粘弹性模型，分别提出了三种用于模拟地球介质中粘弹性波传播的被研究块体方法。针对提出的每一种方法，都采用以下三个算例验证其正确性和有效性。对比结果验证了提出的三种粘弹性波传播的被研究块体方法在计算粘弹性波传播、模拟断层破裂引起的近断层地面运动和处理不规则地表起伏的波动问题方面的正确性和有效性。.基于两机制微分型GZB模型和有限断层震源模型的粘弹性地震波传播的被研究块体方法研究了映秀-北川断层破裂引起的北川近断层地面运动，数值模拟中考虑了汶川地震的断层破裂过程、地球介质的粘弹性衰减、地球介质的非均性以及实际的地表起伏。研究结果表明，上盘的地震动明显强于下盘的地震动，上下盘效应明显。此方法提供了一种可以有效模拟近断层地震地面运动的实用工具。.提出了一种同时考虑框架结构群、粘弹性地球介质和发震断层的一体化模型。基于一体化模型，提出一种实现断层破裂产生的地震波在粘弹性地球介质和框架结构群中传播的集成模拟方法。地球介质中粘弹性波传播的方法采用的是L机制记忆变量型GZB粘弹性模型。为了实现框架结构中弯曲波的传播，建立了框架结构中的被研究块体的控制方程并给出了框架结构中弯曲波传播方法的时域递推过程；为了实现地球介质中的体波与框架结构中的弯曲波的双向传播，建立了一种新的连接土体与结构的被研究块体的控制方程并给出土体与结构连接处波动双向传播的时域递推过程。通过算例，验证了本文提出的框架结构中弯曲波传播方法的有效性。