复杂场地地震动数值模拟方法及应用研究

为了解决地球近地表局部复杂地质和地形条件下（断层，覆盖土层及山谷等）场地地震动的有效模拟，需考虑非线性特征及动应力集中等诸多因素造成的计算困难。本项目拟对目前用于非线性及动应力集中特征的数值分析方法进行研究，探索可考虑上述因素且工程适用的复杂场地地震动分析的实用数值新方法，并研究其对地震动规律的影响。首先对存在应力集中的复杂场地，拟借鉴课题组以往机电耦合应力集中场分析思想，构造新的模拟动奇异应力场的高性能有限单元，力图解决现有常应力有限单元模拟应力集中问题的不合理性及因加密网格造成计算量过大的困难,并研究动应力集中对地震动产生的影响。进一步对非线性特征实现工程适用的等效线性化模型和高维动力有限元分析方法的有机结合，提出复杂工程场地地震动计算的数值分析方法及应用简化技术。研究方法除可以充分考虑存在应力集中的复杂场地、人工边界和土体非线性等因素影响外，可达到计算简单、高效和应用方便等效果。

为了解决地球进地表局部复杂地质和地形条件下场地地震动的有效模拟问题，需解决介质非线性特征及介质不均匀产生的应力集中造成的模拟困难。本项目主要的研究目标就是建立可考虑介质非线性特征且具有复杂地质条件（如断层，覆盖土层及地形变化等）的二、三维工程场地地震动合理模拟的数值方法，且依据所建立的方法，更合理的预测复杂工程场地地震动特征，研究地震动及地震反应规律。.本项目主要完成的研究内容包括：（１）可考虑应力集中的高阶精度实用算法；（２）可考虑非线性特征的实用分析方法及工程应用方法；（３）各类分析方法与现有理论解的对比及校验；（４）数值方法应用于典型试验场地的模拟研究，计算结果与观测结果的对比研究；（５）我国典型场地的建立及模拟；（６）地震动工程应用模型的建立及地震反应规律特征的研究等。.本项目主要的研究成果包括：.（１）提出了模拟一、二维无限域波动过程的高阶精度的时域时空元算法，且成功实现时空解耦，并与典型的解析解对比，初步论证了方法的合理性及有效性。本方法克服传统的低阶时域显式算法模拟断层、夹杂，介质波速变化大等情况在交界点处的误差较大的问题，同时提高了整个计算过程的计算精度及计算效率，建立波动数值模拟的新思路；.（２）借鉴等效线性化思想，建立二维时域显式等效线性分析过程考虑非线性特征分析，模型计算结果同其它文献结果进行了对比，验证本模型。二维时域等效线性模型的实现可考虑土层的二维非线性特征，将有助于提高复杂场地土层地震反应分析水平，更合理的预测复杂场地地震动特征；.（３）对基于谱比法考虑非线性特征的工程简化方法进行了讨论及分析，并与其它典型模型结果进行对比，给出工程简化方法的合理应用范围，有助于提高我国地震安全评价水平。.（４）收集并整理了目前世界上几个典型场地的观测及场地勘查数据，建立了复杂场地分析的实际分析模型，为校验数值模拟方法提供了有利的标准，并采用本课题提出的方法及模型对其进行模拟，进一步研究方法的有效性。基于强震数据的真实模型的建立，不仅有利于对本课题研究思路的改进提供依据，对同类型研究也提供了可靠的参考标准，为提高现有的数值模拟水平具有重要意义。.（５）在我国建立了一个小的沉积盆地试验场地，对复杂场地特别是盆地效应的研究提供有利的数据，也为本研究方法应用于此类研究提供依据。.总之，本研究无论从理论上还是应用上均具有重要价值。