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基于模型试验的场地地震动反应特性评价方法

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场地效应对地震灾害严重程度可产生直接影响，强震作用下黄土场地的非线性特征和放大效应是场地地震动反应特性的主要表现形式，在黄土地区开展场地地震动反应特性研究是工程科学抗震相关研究领域和工程应用中备受关注的热点问题。场地地震动反应特性评价方法的探讨，对于明确认识场地在地震作用下的自身特性，进行场地条件对地震动影响的快速评估和提高黄土地区地震灾害的防御能力具有理论意义和实用价值。地震模拟振动台试验和数值模拟仿真技术的大力发展和广泛应用，提高了强震动记录的利用率，推动了强震动领域研究工作的快速发展，为场地地震动反应特性的研究提供良好的基本手段。 本文基于地震模拟振动台试验，结合数值仿真模拟技术，建立了单一黄土场地和复杂土层结构黄土场地两种模型，采用经验谱比法（HVSR法）和传统谱比法（TF法）,利用汶川地震汤峪和文县强震台站记录的加速度时程作为输入地震动，进行了黄土场地地震动反应特性研究，揭示了强震作用下黄土场地的非线性特征，验证了黄土场地在地震作用下的放大效应。通过对比两种方法所得曲线的相关性，探讨了基于模型试验的HVSR法在强震作用下评价黄土场地效应的适用性。论文的主要研究工作和结论如下： （1）通过回顾不同场地条件对地震动效应影响的研究现状，阐述了经验谱比法（HVSR法）和传统谱比法（TF法）在场地效应研究中的发展历程、研究进展和原理，开展了两种方法之间的对比，从理论上分析TF法用于研究场地效应的局限性。 （2）开展了大型地震模拟振动台试验，分析了黄土场地地震动反应特性，结果表明：地震动增大时，黄土场地PGA放大系数减小，卓越频率向低频方向移动；黄土场地覆盖层厚度对场地的PGA放大系数和卓越频率影响较大，PGA放大系数与黄土场地覆盖层厚度呈现正相关性，随着覆盖层厚度的增大，卓越频率向低频方向移动；两种黄土场地在不同地震波的两分量荷载作用下，PGA放大系数和频谱特性的变化略有差异，但整体变化趋势相近；PGA在地震荷载作用下随高程的变化趋势与PGA放大系数类似。 （3）基于大型地震模拟振动台试验和室内实验获取了单一黄土场地和复杂土层结构黄土场地两种模型材料配置、基本物性参数和力学参数，构建了两种场地模型，并依据试验进行了FLAC 3D数值仿真模拟计算。分析两种模型的计算结果可得：在自重应力作用下，两种模型的竖向应力云图和位移云图呈层状分布，最大竖向应力出现在模型最底层，最大竖向位移在地表；复杂土层结构黄土场地的最大竖向应力较单一黄土场地增大约300kPa，竖向位移增大0.2m。在动力作用下，两种模型位移云图呈层状分布，最大位移均出现在黄土场地的浅表层部位，黄土场地上部最大水平位移接近下部最大水平位移的2倍，两者之间存在明显的过渡带，底部未发生明显位移。 （4）数值模拟动力计算结果与试验结果所得曲线的变化趋势一致，HVSR曲线和TF曲线差异性较小，均可准确给出场地的卓越频率，并能反应场地的非线性特征；基于模型试验将HVSR方法用于评价地震工程问题中的场地条件具有可行性，且强地面运动剪切波的HVSR曲线可很好的描述场地土层的非线性。 本文所采用的研究方法可拓宽强震记录的深入研究和应用范围，取得的成果对于探索有关黄土场地效应评价的地震模拟振动台试验理论和方法有所裨益，并可丰富和发展黄土动力学理论，完善黄土场地地震动效应评价方法，为建筑场址选择和设计提供理论依据，达到震灾防御和减少地震损失的目的。

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