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基于数值格林函数方法的近场长周期强地震动模拟

作　者: 张冬丽
导　师: 陶夏新；周正华
学　校: 中国地震局工程力学研究所
专　业: 岩土工程
关键词: 近场长周期强地震动数值格林函数矩张量源滑动时间函数三维地壳波速结构盆地效应
分类号: P315
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 6次
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内容摘要

强地震动研究洞察地震中地表及近地表振动发生、发展特征和规律性,涉及对震源的了解和认识、地震波在地壳中的传播和介质的影响、局部场地条件影响等三个方面若干关键科学问题。近场地震动受震源的影响最显著,研究的难度最大,工程抗震也最为关注。我国“城市活断层探测与地震危险性评价”项目迫切需要一套具体可行的近场强地震动模拟技术方法,本文在强地震动随机合成、近场强地震动模拟的随机震源模型研究的基础上,研究基于数值格林函数方法的近场长周期强地震动模拟方法,全面实现近场强地震动模拟总体思路。强地震动观测数据显示,高频段突出表现出随机性,低频段主要受传播途径和局部场地条件的影响。后者的模拟主要靠数值方法,能够处理三维地壳波速结构及复杂的局部场地条件,受计算机资源的限制,目前只能在1.0 秒以上的长周期段比较准确地模拟强地震动。为了提高计算效率和精度,对计算模型和方法进行了合理的简化,在省局计算中心设备条件下可以实现全部计算的近场强地震动模拟方法。1.分两步计算,简化数值格林函数的计算方法将有限断层震源、断层深度范围内的地壳均匀介质、盖层地壳三维速度结构综合在一个计算模型中,分两大步完成三维近场长周期强地震动模拟。第一步,在包括震源的介质均匀区,采用解析方法,计算所有子源在盖层底面各点引起的位移反应,形成三维波动有限元数值模拟的输入场。第二步,在盖层介质不均匀区,采用时、空解耦的显式波动有限元模拟方法,结合多次透射人工边界条件,计算盖层地表的长周期强地震动。这种简化方法有效扩大了计算区域,提高了计算速度,节省了数据存储空间。2.系统确定有限断层的子源滑动时间函数有限断层面上的滑动不均匀特征可以通过子源平均位错量的不均匀分布,破裂传播的时空不均匀性来表达。本文采用Brune模型,借助上升时间

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-12
目录  12-15
第一章绪论  15-23
  1.1 近场强地震动研究是工程地震学的核心和近期热点  15-19
    1.1.1 近场强地震动是近十几年中的研究热点  15-17
    1.1.2 数值模拟是近场强地震动研究的重要手段  17-19
  1.2 本文研究的主要内容和章节安排  19-23
    1.2.1 主要研究内容  19-20
    1.2.2 论文的章节安排  20-23
第二章基于数值格林函数法的近场强地震动模拟的主要环节和主要方法  23-31
  2.1 近场强地震动模拟的主要环节  23-27
    2.1.1 点源与有限断层模型  23-25
    2.1.2 波的传播  25
    2.1.3 局部场地条件的影响  25-27
  2.2 近场强地震动数值模拟的主要方法  27-30
    2.2.1 近场强地震动数值模拟的主要途径  27-28
    2.2.2 数值模拟方法的发展  28-29
    2.2.3 本文发展的近场强地震动模拟简化方法的思路  29-30
  2.3 本章小结  30-31
第三章矩张量源有限断层模型和数值格林函数的计算  31-55
  3.1 确定有限断层震源模型  31-36
    3.1.1 震源参数的确定  32
    3.1.2 有限断层子源的划分  32-33
    3.1.3 滑动的时、空不均匀分布  33
    3.1.4 滑动时间函数  33-34
    3.1.5 上升时间  34-35
    3.1.6 破裂时间延迟  35
    3.1.7 归一化的滑动时间函数  35-36
  3.2 矩张量源引起的位移反应的解析解  36-47
    3.2.1 简单源引起的格林函数  37-38
    3.2.2 位错源的等效地震矩张量  38-40
    3.2.3 矩张量源引起的的位移反应解析解的推导  40-41
    3.2.4 算例:无限均匀介质中位移反应的解析解  41-47
  3.3 时、空解耦的显式波动有限元计算方法  47-54
    3.3.1 有限单元网格的划分  48
    3.3.2 内节点运动方程的解耦逐步递推解  48-51
    3.3.3 多次透射边界的稳定实施  51-54
  3.4 本章小结  54-55
第四章近场强地震动模拟简化方法的可靠性论证  55-67
  4.1 格林函数的数值解与解析解的等价性  55-59
    4.1.1 数值实验  55-56
    4.1.2 试验结果说明的等价性  56-59
  4.2 北岭地震近场基岩地表长周期强地震动模拟与实际观测记录的比较  59-62
    4.2.1 计算模型  59-60
    4.2.2 四个基岩台站的模拟结果  60-62
  4.3 本章小结  62-67
第五章模拟的近场长周期强地震动特征  67-101
  5.1 垂直和倾斜断层的近场长周期地震动峰值分布特征  68-76
    5.1.1 垂直走滑断层的近场长周期地震动峰值分布特征  68-72
    5.1.2 倾斜断层的近场长周期地震动峰值分布特征  72-76
  5.2 近场长周期地震动波形表现的破裂方向性和上盘效应  76-94
    5.2.1 垂直断层破裂引起的长周期地震动波形中的破裂方向性效应  77-84
    5.2.2 倾斜断层破裂引起的长周期地震动波形中的上盘效应  84-94
  5.3 近场长周期地震动衰减特征的表达  94-100
    5.3.1 垂直断层破裂引起的近场长周期地震动衰减  94-95
    5.3.2 倾斜断层破裂引起的近场长周期地震动衰减  95-100
  5.4 本章小结  100-101
第六章近场长周期强地震动模拟中的盆地效应  101-114
  6.1 云南施甸Ms5.9 级地震简介  101-105
    6.1.1 地震基本参数和发震构造背景  101-102
    6.1.2 震区的强震观测  102-104
    6.1.3 震源机制  104-105
  6.2 施甸盆地的二维计算模型  105-106
  6.3 数值模拟方案及输入波  106-107
  6.4 施甸盆地的模拟结果表达的盆地效应  107-111
    6.4.1 模拟近场长周期强地震动幅值和持时特征表达的盆地效应  107-111
    6.4.2 模拟近场长周期强地震动谱特征表达的盆地效应  111
  6.5 本章小结  111-114
第七章结语  114-118
  7.1 本文完成的工作总结  114-116
  7.2 有待进一步深入拓展研究的问题  116-118
参考文献  118-128
作者简介  128-130
致谢  130

基于数值格林函数方法的近场长周期强地震动模拟

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