國內(nèi)兩種典型土層地震反應(yīng)分析程序?qū)Ρ妊芯?/h1>
2018-04-27 02:08:25楊洪搏
防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2018年1期
楊洪搏
（哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心，黑龍江哈爾濱 150021）
0 引言
土層作為地震發(fā)生時(shí)地震波的傳播媒介，會影響地震動的頻譜特征，具體影響為濾波、減震、隔震、共振、放大等［1-3］。在工程場地施工之前，為了解場地的抗震性能等，需要對場地進(jìn)行土層反應(yīng)分析，分析結(jié)果為場地安全性評價(jià)、抗震設(shè)計(jì)等服務(wù)。然而，土是一種非線性很強(qiáng)的介質(zhì)，地震動在土中的傳播很難用公式精確計(jì)算［4-5］。在多種假定的基礎(chǔ)上，發(fā)展較早的是一維土層反應(yīng)分析理論，隨后二維、三維土層反應(yīng)分析理論也逐步開展。目前應(yīng)用最廣泛的是一維土層反應(yīng)分析理論［6］。
地震動中的剪切波在傳播到地表時(shí)被近似為垂直土層向上傳播，而剪切波是造成地震動破壞的最主要部分。一維土層反應(yīng)分析的研究正是建立在這一假設(shè)基礎(chǔ)上，分析的結(jié)果可以代表占能量大多數(shù)的剪切波對土層的破壞或影響結(jié)果。這一方法中，有兩種較為主流的方法：等效線性化方法和時(shí)域非線性方法。這兩種方法的區(qū)別在于對地震動的處理方法上。這兩種方法都有代表性的分析程序，其中等效線性化方法的代表性程序?yàn)镾HAKE2000與LSSRLI-1，這兩個(gè)程序分別在國外和國內(nèi)得到廣泛的推廣，被業(yè)界普遍認(rèn)可［2］。時(shí)域非線性方法中比較有代表性的程序是UIUC開發(fā)的DEEPSOIL，這一程序界面友好，操作簡單，結(jié)果可靠。在近期科研成果中，袁曉銘團(tuán)隊(duì)公布了其開發(fā)的新一代土層反應(yīng)分析程序SOILQUAKE，這一程序有單機(jī)版與網(wǎng)頁版兩個(gè)模式。其研究結(jié)果表明，該程序在計(jì)算深軟場地時(shí)與實(shí)測結(jié)果更為接近［7-8］。在國內(nèi)，LSSRLI-1與SOILQUAKE作為土層反應(yīng)分析方法的兩代程序，對兩者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析有助于認(rèn)識到兩個(gè)程序處理結(jié)果的異同。
本文在對比過程中，選用了硬、中硬與軟場地三種場地類別的6個(gè)場地，分別輸入三條地震動進(jìn)行對比計(jì)算，以上組合共得到53組工況。分別用SOILQUAKE與LSSRLI-1對這些工況進(jìn)行計(jì)算，將得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，為今后工程應(yīng)用與程序改進(jìn)提供參考。
1 SOILQUAKE簡介
SOILQUAKE程序是袁曉銘團(tuán)隊(duì)近年攻關(guān)研發(fā)的新一代一維土層地震反應(yīng)分析程序，仍采用等效線性化方法模擬土體的非線性，創(chuàng)新之處在于提出直頻法，即動剪模量阻尼比采用直接頻率計(jì)算的方法，且前期與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，給出了直接考慮荷載頻率特征的土體動剪模量與阻尼比計(jì)算方法，依靠目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，使更為復(fù)雜的直頻法得到應(yīng)用，提高SOILQUAKE程序的計(jì)算值的理論精度［6］。
該程序目前推出了網(wǎng)頁試用版版與單機(jī)試用版兩個(gè)版本。本文選擇其網(wǎng)頁版作為研究對象。以下簡述SOILQUAKE網(wǎng)絡(luò)版使用過程。用戶首先需在 SOILQUAKE 的官方網(wǎng)站（http：／／www.soilquake.org.cn／）上注冊用戶，之后上傳計(jì)算的工況將被保存在這一賬號里。計(jì)算操作步驟如下：
（1）建立工況：在左側(cè)Information欄目中，用戶點(diǎn)擊 Add Project建立項(xiàng)目，在項(xiàng)目中點(diǎn)擊Addsite建立工況，并在工況中點(diǎn)擊EditData開始輸入工況的各項(xiàng)參數(shù)。
（2）輸入土的非線性參數(shù)文件：在上一步驟完成后，網(wǎng)頁直接跳到Material欄目。此處可以選擇直接導(dǎo)入文件或手動輸入數(shù)值兩種方式。在數(shù)據(jù)讀取后，點(diǎn)擊Plot鍵，可在網(wǎng)頁右側(cè)直接輸出土的非線性曲線。最后點(diǎn)擊Save保存。
（3）輸入土層剖面的物理學(xué)參數(shù)文件：點(diǎn)擊左側(cè)Soil Profile欄目，開始輸入每層土厚度、埋深、密度、土類等，輸入方式也有導(dǎo)入文件與手動輸入兩種。輸入成功后頁面上會直接顯示出剖面圖。最后點(diǎn)擊Save保存。
（4）上傳基巖輸入地震動時(shí)程文件：點(diǎn)擊左側(cè)Input Motion欄目，導(dǎo)入時(shí)程文件后，在本欄目選擇時(shí)程文件時(shí)間步長，單位、調(diào)幅等。輸入后頁面會直接繪制以上條件下的地震動時(shí)程曲線，供用戶校對。最后點(diǎn)擊Save保存。
（5）選擇需要輸出的參數(shù)：點(diǎn)擊左側(cè)Output Option欄目，勾選需要計(jì)算的土層與輸出的結(jié)果即可。最后點(diǎn)擊Save保存。
（6）上傳計(jì)算：點(diǎn)擊左側(cè)Result欄目，在計(jì)算工況欄目的 Operation列中點(diǎn)擊 Resquest Calculation，即時(shí)開始計(jì)算。約一分鐘后刷新頁面，在工況的State列下選擇download，即可下載計(jì)算結(jié)果到本地。
2 計(jì)算工況
為盡量全面的比較場地條件對結(jié)果的影響，本文依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）（2016版）構(gòu)造了硬、中硬與軟場地三種場地類型下的6個(gè)理想場地，場地模型如表1所示，選取理想場地的原因。其中每個(gè)類型分為單層模型與雙層模型，剪切波速從90～800m／s不等，卓越周期在0.034～3.91s，厚度分布范圍為3～120m，輸入地震動強(qiáng)度分別為 0.1g、0.2g和0.4g，以代表三個(gè)烈度。計(jì)算工況總計(jì)53組。
表1 各場地土層模型Tab.1 The models of soil in different site
續(xù)表1
為研究SOILQUAKE與LSSRLI-1在對不同頻率地震動的處理差異，本文選擇了三種頻率分布特點(diǎn)的地震動輸入，頻率分布均勻的El Centro地震動記錄來自1940年美國帝王谷地震，低頻豐富的AKTH19地震動記錄與高頻豐富的KSRH地震動記錄取自日本Kik-Net臺網(wǎng)公布的實(shí)測記錄。這三個(gè)地震動輸入在強(qiáng)度為0.2g時(shí)的加速度時(shí)程如圖1所示。
圖1 地震動輸入的時(shí)程與反應(yīng)譜Fig.1 Time history curves of inputting ground motion and the corresponding response spectrums
在選取土的非線性參數(shù)時(shí)，參考孫銳等對國內(nèi)各類土的非線性研究成果［9-10］，以其中的粘土平均非線性參數(shù)作為研究參數(shù)。如表2所示。
表2 土的非線性計(jì)算參數(shù)Tab.2 Nonlinear parameters of soil
3 計(jì)算結(jié)果分析
3.1 硬場地
硬場地中的兩個(gè)場地厚度均為3m，分別為單層場地與雙層場地，卓越周期分別是0.034s與0.053s?？紤]所有工況，SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算出的地表加速度峰值PGA結(jié)果與場地類別的關(guān)系如表3所示。
表3 硬場地下兩程序PGA相對差對比Tab.3 Contrast of relative difference of PGA by two programs in hard field
由表3可知，在硬場地下，SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算的PGA結(jié)果相差極小，18個(gè)工況的PGA相對差最大為1%，平均值為0，每個(gè)工況的PGA放大系數(shù)相同。這在一定程度上說明，這兩個(gè)程序在計(jì)算硬場地時(shí)，不管輸入地震動的頻譜分布如何，輸出的PGA結(jié)果基本沒有差異。
對不同強(qiáng)度、頻譜特征的地震動輸入后的地表反應(yīng)譜進(jìn)行對比，如圖2～4所示。同一條地震動在不同的強(qiáng)度輸入下，輸出的反應(yīng)譜形狀較為一致。
頻率分布較為均勻的EL Centro波輸入下，兩個(gè)程序輸出的反應(yīng)譜整體走向一致，但在高頻部分反應(yīng)譜形狀差異較大，LSSRLI-1最大峰值更大，SOILQUAKE 的數(shù)值更為詳細(xì)，因?yàn)镾OILQUAKE輸出的反應(yīng)譜周期步長更小。二者 在周期大于0.3s之后反應(yīng)譜基本重合。
圖2 El Centro波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.2 Contrast of response spectrums by two programs in hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under El Centro wave
圖3 AKTH19波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.3 Contrast of response spectrums by two programs in hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under AKTH19 wave
圖4 KSRH波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.4 Contrast of response spectrums by two programs in hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under KSRH wave
在低頻成分較為豐富的AKTH19波輸入下，三種輸入強(qiáng)度下兩個(gè)程序輸出的反應(yīng)譜重合度很高，不同之處在于，三種輸入強(qiáng)度下，SOILQUAKE輸出的反應(yīng)譜最大值是LSSRLI-1的1.5倍左右。
在高頻成分較為豐富的KSRH波輸入下，三種輸入強(qiáng)度下兩者輸出的反應(yīng)譜重合度很高，SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值稍大于LSSRLI-1。
3.2 中硬場地
中硬場地中的兩個(gè)場地的厚度都為24m，分別為單層場地與雙層場地，卓越周期分別是0.48s與0.47s。 將SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算得到的地表反應(yīng)譜進(jìn)行比較，得到表4。
兩個(gè)程序分別計(jì)算中硬場地時(shí)，PGA的結(jié)果差異開始顯現(xiàn)，SOILQUAKE的結(jié)果普遍大于LSSRLI-1的，18個(gè)工況的平均值為21%。PGA放大系數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，SOILQUAKE的PGA放大系數(shù)結(jié)果普遍大于LSSRLI-1，6個(gè)工況的PGA放大系數(shù)平均值為2.27，是LSSRLI-1的PGA放大系數(shù)平均值1.54的1.5倍左右。在頻率成分分布均勻的El Centro波輸入下，這一差異有隨輸入強(qiáng)度的增大而增大的趨勢，其他兩個(gè)輸入這一規(guī)律不明顯。
如圖5～7所示，當(dāng) El Centro波輸入時(shí)，兩者輸出的反應(yīng)譜形狀一致，在0.1g輸入時(shí)兩者基本重合，0.2g輸入時(shí)差異開始顯現(xiàn)，周期0.5s之前的反應(yīng)譜值，SOILQUAKE明顯大于LSSRLI-1，但二者的反應(yīng)譜最大值一致。在0.4g輸入時(shí)，反應(yīng)譜差異變大，且二者的反應(yīng)譜最大值的對應(yīng)周期不一致。SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值對應(yīng)的周期與與0.1g和0.2g輸入時(shí)的結(jié)果相一致，為0.5s左右，但LSSRLI-1此時(shí)的反應(yīng)譜最大值出現(xiàn)在1s左右。此外，SOILQUAKE在高頻部分的數(shù)值式中大于LSSRLI-1的結(jié)果，且差異隨著地震動輸入的加強(qiáng)而加強(qiáng)。
表4 中硬場地下兩程序PGA相對差對比Tab.4 Contrast of relative difference of PGA by two softwares in medium hard field
圖5 El Centro波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g中硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.5 Contrast of response spectrums by two programs in medium hard field of 0.1g／0.2g ／0.4g under El Centro wave
圖6 AKTH19波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g中硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.6 Contrast of response spectrums by two programs in medium hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under AKTH19 wave
圖7 KSRH波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g中硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.7 Contrast of response spectrums by two programs in medium hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under KSRH wave
當(dāng)AKTH19波輸入時(shí)，兩者輸出的反應(yīng)譜形狀大致相同，其差異隨地震動輸入的增大而增大，在高頻部分SOILQUAKE的輸出反應(yīng)譜值大于LSSRLI-1的，這一差異也隨地震動輸入增大而增大，但在低頻部分兩者結(jié)果始終較為重合，僅與2s左右的反應(yīng)譜峰值有所差異，LSSRLI-1的值略小。
當(dāng)KSRH波輸入時(shí)，兩者輸出的反應(yīng)譜形狀有較大差異，主要體現(xiàn)在高頻部分。LSSRLI-1的反應(yīng)譜中，反應(yīng)譜最大值出現(xiàn)在周期0.5s到1s之間，而SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值出現(xiàn)在較為高頻的0.2s處。SOILQUAKE的反應(yīng)譜值在高頻部分明顯大于LSSRLI-1的，在最后一個(gè)明顯峰值之后，兩條曲線才較為一致。
3.3 軟場地
軟場地中兩個(gè)場地厚度都為80m，分別為單層場地與雙層場地，卓越周期分別是1.6s與1.24s。將SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算得到的地表輸出PGA與PGA放大系數(shù)進(jìn)行比較，得到表5。
隨著場地變得深厚，在軟場地時(shí)，兩程序得到的PGA結(jié)果出現(xiàn)了明顯差異，SOILQUAKE的結(jié)果的PGA放大系數(shù)的平均值是1.72，而LSSRLI-1的平均值是0.84，即地表輸出PGA小于基巖輸入。根據(jù)日本強(qiáng)震臺網(wǎng)Kik-Net實(shí)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，軟場地下PGA放大系數(shù)平均值為4.21［11-12］，而SOILQUAKE的PGA放大系數(shù)在軟場地6個(gè)工況中的平均值為1.72，LSSRLI-1的PGA放大系數(shù)的平均值為0.84，SOILQUAKE的放大系數(shù)約為LSSRLI-1的2倍。對比表明，SOILQUAKE更體現(xiàn)了場地放大效應(yīng)，LSSRLI-1計(jì)算結(jié)果失真較大。
場地從硬到軟，SOILQUAKE與LSSRLI-1輸出結(jié)果的差異變大。SOILQUAKE在計(jì)算高頻部分時(shí)，得到的反應(yīng)譜譜值結(jié)果大于LSSRLI-1。所有場地下，SOILQUAKE的PGA與反應(yīng)譜峰值普遍大于 LSSRLI-1；隨著輸入強(qiáng)度變大，SOILQUAKE的結(jié)果中的PGA放大系數(shù)基本不變，但 LSSRLI-1的PGA放大系數(shù)明顯變小，SOILQUAKE更能體現(xiàn)出輸入強(qiáng)度改變對結(jié)果帶來的影響。
表5 軟場地下兩程序PGA相對差對比Tab.5 Contrast of relative difference of PGA by two softwares in soft field
4 結(jié)論
SOILQUAKE與LSSRLI-1是目前國內(nèi)有代表性的兩個(gè)一維土層反應(yīng)分析程序。通過對硬場地、中硬場地、軟場地在不同頻率成分地震動作用下的對比，得到以下結(jié)論：
（1）輸出結(jié)果差異的大小主要與場地類別、輸入地震動強(qiáng)度和輸入地震動的頻率分布有關(guān)，場地越軟，SOILQUAKE結(jié)果的穩(wěn)定性越明顯。
（2）兩程序輸出的PGA結(jié)果差異在硬場地時(shí)極小，中硬場地和軟場地類場地時(shí)存在較大差異，但SOILQUAKE很好的反映了場地放大效應(yīng)，結(jié)果較之LSSRLI-1更貼近實(shí)際場地記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
（3）地表反應(yīng)譜差異在硬場地時(shí)極小，中硬場地和軟場地時(shí)存在較大差異。SOILQUAKE在高頻部分的結(jié)果大大優(yōu)于LSSRLI-1，在低頻部分還能體現(xiàn)軟土場地的放大作用。
（4）在軟場地下，SOILQUAKE計(jì)算得的PGA放大系數(shù)遠(yuǎn)高于LSSRLI-1，更符合客觀統(tǒng)計(jì)事實(shí)。
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本文在對比過程中，選用了硬、中硬與軟場地三種場地類別的6個(gè)場地，分別輸入三條地震動進(jìn)行對比計(jì)算，以上組合共得到53組工況。分別用SOILQUAKE與LSSRLI-1對這些工況進(jìn)行計(jì)算，將得到的結(jié)果進(jìn)行對比分析，為今后工程應(yīng)用與程序改進(jìn)提供參考。
1 SOILQUAKE簡介
SOILQUAKE程序是袁曉銘團(tuán)隊(duì)近年攻關(guān)研發(fā)的新一代一維土層地震反應(yīng)分析程序，仍采用等效線性化方法模擬土體的非線性，創(chuàng)新之處在于提出直頻法，即動剪模量阻尼比采用直接頻率計(jì)算的方法，且前期與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，給出了直接考慮荷載頻率特征的土體動剪模量與阻尼比計(jì)算方法，依靠目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，使更為復(fù)雜的直頻法得到應(yīng)用，提高SOILQUAKE程序的計(jì)算值的理論精度［6］。
該程序目前推出了網(wǎng)頁試用版版與單機(jī)試用版兩個(gè)版本。本文選擇其網(wǎng)頁版作為研究對象。以下簡述SOILQUAKE網(wǎng)絡(luò)版使用過程。用戶首先需在 SOILQUAKE 的官方網(wǎng)站（http：／／www.soilquake.org.cn／）上注冊用戶，之后上傳計(jì)算的工況將被保存在這一賬號里。計(jì)算操作步驟如下：
（1）建立工況：在左側(cè)Information欄目中，用戶點(diǎn)擊 Add Project建立項(xiàng)目，在項(xiàng)目中點(diǎn)擊Addsite建立工況，并在工況中點(diǎn)擊EditData開始輸入工況的各項(xiàng)參數(shù)。
（2）輸入土的非線性參數(shù)文件：在上一步驟完成后，網(wǎng)頁直接跳到Material欄目。此處可以選擇直接導(dǎo)入文件或手動輸入數(shù)值兩種方式。在數(shù)據(jù)讀取后，點(diǎn)擊Plot鍵，可在網(wǎng)頁右側(cè)直接輸出土的非線性曲線。最后點(diǎn)擊Save保存。
（3）輸入土層剖面的物理學(xué)參數(shù)文件：點(diǎn)擊左側(cè)Soil Profile欄目，開始輸入每層土厚度、埋深、密度、土類等，輸入方式也有導(dǎo)入文件與手動輸入兩種。輸入成功后頁面上會直接顯示出剖面圖。最后點(diǎn)擊Save保存。
（4）上傳基巖輸入地震動時(shí)程文件：點(diǎn)擊左側(cè)Input Motion欄目，導(dǎo)入時(shí)程文件后，在本欄目選擇時(shí)程文件時(shí)間步長，單位、調(diào)幅等。輸入后頁面會直接繪制以上條件下的地震動時(shí)程曲線，供用戶校對。最后點(diǎn)擊Save保存。
（5）選擇需要輸出的參數(shù)：點(diǎn)擊左側(cè)Output Option欄目，勾選需要計(jì)算的土層與輸出的結(jié)果即可。最后點(diǎn)擊Save保存。
（6）上傳計(jì)算：點(diǎn)擊左側(cè)Result欄目，在計(jì)算工況欄目的 Operation列中點(diǎn)擊 Resquest Calculation，即時(shí)開始計(jì)算。約一分鐘后刷新頁面，在工況的State列下選擇download，即可下載計(jì)算結(jié)果到本地。
2 計(jì)算工況
為盡量全面的比較場地條件對結(jié)果的影響，本文依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）（2016版）構(gòu)造了硬、中硬與軟場地三種場地類型下的6個(gè)理想場地，場地模型如表1所示，選取理想場地的原因。其中每個(gè)類型分為單層模型與雙層模型，剪切波速從90～800m／s不等，卓越周期在0.034～3.91s，厚度分布范圍為3～120m，輸入地震動強(qiáng)度分別為 0.1g、0.2g和0.4g，以代表三個(gè)烈度。計(jì)算工況總計(jì)53組。
表1 各場地土層模型Tab.1 The models of soil in different site
續(xù)表1
為研究SOILQUAKE與LSSRLI-1在對不同頻率地震動的處理差異，本文選擇了三種頻率分布特點(diǎn)的地震動輸入，頻率分布均勻的El Centro地震動記錄來自1940年美國帝王谷地震，低頻豐富的AKTH19地震動記錄與高頻豐富的KSRH地震動記錄取自日本Kik-Net臺網(wǎng)公布的實(shí)測記錄。這三個(gè)地震動輸入在強(qiáng)度為0.2g時(shí)的加速度時(shí)程如圖1所示。
圖1 地震動輸入的時(shí)程與反應(yīng)譜Fig.1 Time history curves of inputting ground motion and the corresponding response spectrums
在選取土的非線性參數(shù)時(shí)，參考孫銳等對國內(nèi)各類土的非線性研究成果［9-10］，以其中的粘土平均非線性參數(shù)作為研究參數(shù)。如表2所示。
表2 土的非線性計(jì)算參數(shù)Tab.2 Nonlinear parameters of soil
3 計(jì)算結(jié)果分析
3.1 硬場地
硬場地中的兩個(gè)場地厚度均為3m，分別為單層場地與雙層場地，卓越周期分別是0.034s與0.053s?？紤]所有工況，SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算出的地表加速度峰值PGA結(jié)果與場地類別的關(guān)系如表3所示。
表3 硬場地下兩程序PGA相對差對比Tab.3 Contrast of relative difference of PGA by two programs in hard field
由表3可知，在硬場地下，SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算的PGA結(jié)果相差極小，18個(gè)工況的PGA相對差最大為1%，平均值為0，每個(gè)工況的PGA放大系數(shù)相同。這在一定程度上說明，這兩個(gè)程序在計(jì)算硬場地時(shí)，不管輸入地震動的頻譜分布如何，輸出的PGA結(jié)果基本沒有差異。
對不同強(qiáng)度、頻譜特征的地震動輸入后的地表反應(yīng)譜進(jìn)行對比，如圖2～4所示。同一條地震動在不同的強(qiáng)度輸入下，輸出的反應(yīng)譜形狀較為一致。
頻率分布較為均勻的EL Centro波輸入下，兩個(gè)程序輸出的反應(yīng)譜整體走向一致，但在高頻部分反應(yīng)譜形狀差異較大，LSSRLI-1最大峰值更大，SOILQUAKE 的數(shù)值更為詳細(xì)，因?yàn)镾OILQUAKE輸出的反應(yīng)譜周期步長更小。二者 在周期大于0.3s之后反應(yīng)譜基本重合。
圖2 El Centro波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.2 Contrast of response spectrums by two programs in hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under El Centro wave
圖3 AKTH19波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.3 Contrast of response spectrums by two programs in hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under AKTH19 wave
圖4 KSRH波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.4 Contrast of response spectrums by two programs in hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under KSRH wave
在低頻成分較為豐富的AKTH19波輸入下，三種輸入強(qiáng)度下兩個(gè)程序輸出的反應(yīng)譜重合度很高，不同之處在于，三種輸入強(qiáng)度下，SOILQUAKE輸出的反應(yīng)譜最大值是LSSRLI-1的1.5倍左右。
在高頻成分較為豐富的KSRH波輸入下，三種輸入強(qiáng)度下兩者輸出的反應(yīng)譜重合度很高，SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值稍大于LSSRLI-1。
3.2 中硬場地
中硬場地中的兩個(gè)場地的厚度都為24m，分別為單層場地與雙層場地，卓越周期分別是0.48s與0.47s。 將SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算得到的地表反應(yīng)譜進(jìn)行比較，得到表4。
兩個(gè)程序分別計(jì)算中硬場地時(shí)，PGA的結(jié)果差異開始顯現(xiàn)，SOILQUAKE的結(jié)果普遍大于LSSRLI-1的，18個(gè)工況的平均值為21%。PGA放大系數(shù)對比發(fā)現(xiàn)，SOILQUAKE的PGA放大系數(shù)結(jié)果普遍大于LSSRLI-1，6個(gè)工況的PGA放大系數(shù)平均值為2.27，是LSSRLI-1的PGA放大系數(shù)平均值1.54的1.5倍左右。在頻率成分分布均勻的El Centro波輸入下，這一差異有隨輸入強(qiáng)度的增大而增大的趨勢，其他兩個(gè)輸入這一規(guī)律不明顯。
如圖5～7所示，當(dāng) El Centro波輸入時(shí)，兩者輸出的反應(yīng)譜形狀一致，在0.1g輸入時(shí)兩者基本重合，0.2g輸入時(shí)差異開始顯現(xiàn)，周期0.5s之前的反應(yīng)譜值，SOILQUAKE明顯大于LSSRLI-1，但二者的反應(yīng)譜最大值一致。在0.4g輸入時(shí)，反應(yīng)譜差異變大，且二者的反應(yīng)譜最大值的對應(yīng)周期不一致。SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值對應(yīng)的周期與與0.1g和0.2g輸入時(shí)的結(jié)果相一致，為0.5s左右，但LSSRLI-1此時(shí)的反應(yīng)譜最大值出現(xiàn)在1s左右。此外，SOILQUAKE在高頻部分的數(shù)值式中大于LSSRLI-1的結(jié)果，且差異隨著地震動輸入的加強(qiáng)而加強(qiáng)。
表4 中硬場地下兩程序PGA相對差對比Tab.4 Contrast of relative difference of PGA by two softwares in medium hard field
圖5 El Centro波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g中硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.5 Contrast of response spectrums by two programs in medium hard field of 0.1g／0.2g ／0.4g under El Centro wave
圖6 AKTH19波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g中硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.6 Contrast of response spectrums by two programs in medium hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under AKTH19 wave
圖7 KSRH波輸入下0.1g＼0.2g＼0.4g中硬場地下兩程序地表反應(yīng)譜對比Fig.7 Contrast of response spectrums by two programs in medium hard field of 0.1g ／0.2g ／0.4g under KSRH wave
當(dāng)AKTH19波輸入時(shí)，兩者輸出的反應(yīng)譜形狀大致相同，其差異隨地震動輸入的增大而增大，在高頻部分SOILQUAKE的輸出反應(yīng)譜值大于LSSRLI-1的，這一差異也隨地震動輸入增大而增大，但在低頻部分兩者結(jié)果始終較為重合，僅與2s左右的反應(yīng)譜峰值有所差異，LSSRLI-1的值略小。
當(dāng)KSRH波輸入時(shí)，兩者輸出的反應(yīng)譜形狀有較大差異，主要體現(xiàn)在高頻部分。LSSRLI-1的反應(yīng)譜中，反應(yīng)譜最大值出現(xiàn)在周期0.5s到1s之間，而SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值出現(xiàn)在較為高頻的0.2s處。SOILQUAKE的反應(yīng)譜值在高頻部分明顯大于LSSRLI-1的，在最后一個(gè)明顯峰值之后，兩條曲線才較為一致。
3.3 軟場地
軟場地中兩個(gè)場地厚度都為80m，分別為單層場地與雙層場地，卓越周期分別是1.6s與1.24s。將SOILQUAKE與LSSRLI-1計(jì)算得到的地表輸出PGA與PGA放大系數(shù)進(jìn)行比較，得到表5。
隨著場地變得深厚，在軟場地時(shí)，兩程序得到的PGA結(jié)果出現(xiàn)了明顯差異，SOILQUAKE的結(jié)果的PGA放大系數(shù)的平均值是1.72，而LSSRLI-1的平均值是0.84，即地表輸出PGA小于基巖輸入。根據(jù)日本強(qiáng)震臺網(wǎng)Kik-Net實(shí)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，軟場地下PGA放大系數(shù)平均值為4.21［11-12］，而SOILQUAKE的PGA放大系數(shù)在軟場地6個(gè)工況中的平均值為1.72，LSSRLI-1的PGA放大系數(shù)的平均值為0.84，SOILQUAKE的放大系數(shù)約為LSSRLI-1的2倍。對比表明，SOILQUAKE更體現(xiàn)了場地放大效應(yīng)，LSSRLI-1計(jì)算結(jié)果失真較大。
場地從硬到軟，SOILQUAKE與LSSRLI-1輸出結(jié)果的差異變大。SOILQUAKE在計(jì)算高頻部分時(shí)，得到的反應(yīng)譜譜值結(jié)果大于LSSRLI-1。所有場地下，SOILQUAKE的PGA與反應(yīng)譜峰值普遍大于 LSSRLI-1；隨著輸入強(qiáng)度變大，SOILQUAKE的結(jié)果中的PGA放大系數(shù)基本不變，但 LSSRLI-1的PGA放大系數(shù)明顯變小，SOILQUAKE更能體現(xiàn)出輸入強(qiáng)度改變對結(jié)果帶來的影響。
表5 軟場地下兩程序PGA相對差對比Tab.5 Contrast of relative difference of PGA by two softwares in soft field
4 結(jié)論
SOILQUAKE與LSSRLI-1是目前國內(nèi)有代表性的兩個(gè)一維土層反應(yīng)分析程序。通過對硬場地、中硬場地、軟場地在不同頻率成分地震動作用下的對比，得到以下結(jié)論：
（1）輸出結(jié)果差異的大小主要與場地類別、輸入地震動強(qiáng)度和輸入地震動的頻率分布有關(guān)，場地越軟，SOILQUAKE結(jié)果的穩(wěn)定性越明顯。
（2）兩程序輸出的PGA結(jié)果差異在硬場地時(shí)極小，中硬場地和軟場地類場地時(shí)存在較大差異，但SOILQUAKE很好的反映了場地放大效應(yīng)，結(jié)果較之LSSRLI-1更貼近實(shí)際場地記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
（3）地表反應(yīng)譜差異在硬場地時(shí)極小，中硬場地和軟場地時(shí)存在較大差異。SOILQUAKE在高頻部分的結(jié)果大大優(yōu)于LSSRLI-1，在低頻部分還能體現(xiàn)軟土場地的放大作用。
（4）在軟場地下，SOILQUAKE計(jì)算得的PGA放大系數(shù)遠(yuǎn)高于LSSRLI-1，更符合客觀統(tǒng)計(jì)事實(shí)。
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