（工程地震学毕业论文） 余震地震动参数及潜在破坏势研究
1.1 课题研究的背景和意义
1.1.1 课题研究背景
通过大量的震害历史资料可查明，大部分的主震发生之后会伴随有一次或多次的余震的发生。例如：2012年印度尼西亚遭受8.6级地震，仅仅在两小时之后便又遭受了数次余震，其中最大震级达到8.2级。2010年智利8.8级地震后，仅在24小时之内又发生了90余条超过5.0级的余震，这种级别的余震在两个月内一共被记录到三百余次?。2008年汶川8.0级地震后，72小时之内共发生一百余次4.0级到6.1级之间的余震，截止到同年10月6日，共有42719次余震被记录，其中包括较多超过6.0级的强震。1999年台湾7.6级Chi-Chi地震后，在4小时之内发生了3次6.0级以上的余震。由于主余震之间间隔时间较短，同时余震震级可能很大，因此在强震发生后几乎没有时间来对结构进行修复甚至给人们逃生，从而余震对受损结构的影响成为了人们在进行抗震设计时必需要考虑的问题，越来越多的科研工作者在这方面进行了深入研究。主震损伤后的结构有很大可能产生明显的增量损伤，在接下来的余震中发生倒塌破坏或更大的人员经济损失。例如，1999年台湾Chi-Chi地震，一座加气站经历主震损伤后在接下来的余震中发生倒塌；2010年9月3日在新西兰克赖斯特彻奇市附近发生了7.1级强震，但并未造成人员伤亡。而在2011年2月21日，该地区发生了6.3级余震，却造成了146人遇难，300人失踪，市中心许多建筑物倒塌的严重后果；1999年土耳其Kocaeli地区发生了7.4级强震，一个月后该地区又发生了5.9级余震，此次余震使7人死亡，至少239人受伤，同时震中区域的大量建筑物发生倒塌?。图1-1为Kocaeli地震中，同一建筑物在主震和余震后的破坏情况。2012年5月20日，意大利Emilia Romagna地区遭受了6.0级地震，造成7人死亡，50人受伤图，4500余人无家可归；在同年5月29日，该地区遭遇5.8级余震，造成16人死亡，350人受伤，14000人无家可归。图1-2为该地区一建筑在遭遇主余震时结构的破坏情况。图1-3为一钢结构建筑在遭受主震和主余震序列后其峰值层间位移角的对比?。由图可见，余震对结构的破坏程度有着显著地加剧作用，有时甚至会导致结构的完全倒塌。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.1.1 课题研究背景 1
1.1.2 课题研究意义 3
2. 国内外研究现状及分析 3
2.1 地震动破坏势的研究现状 3
2.2余震对单自由度体系影响的研究现状 4
2.3余震对多自由度体系影响的研究现状 5
2.4国内外文献综述的简析………………………………………………………6
3 主要研究内容 6
3.1 余震地震动强度参数研究 7
3.2 SDOF体系的余震增量损伤分析 8
3.3 余震的一元破坏势研究 8
3.4 基于PCA和CCA的余震多元破坏势研究 9
3.5 基于破坏势的余震参数优选 9
4 已完成的研究工作 10
4.1 搜集相关文献 10
4.2 初步确定了主要研究内容 10
5 研究方案及进度安排，预期达到的目标和取得的研究成果 10
5.1 研究方案 10
5.2 预期达到的目标和取得的研究成果 10
5.3 进度安排 11
6 为完成课题已具备和所需的条件和经费 11
7 预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施 11
参考文献 12
上述震害提醒我们：1) 一次强震的发生可能是另外一次强震发生的前奏；2) 主震造成断层破裂后可能会使余震发生时距离震中的距离更短，对震中地区结构的破坏潜力也更大；3) 在一次强震发生后常常会接连发生强度较大的余震，而此时救援工作一般尚未完全展开，被主震损伤的房屋也得不到修缮，因此余震对结构和人员的安全往往形成比主震更大的威胁。然而令人遗憾的是，在地震工程研究中，研究人员往往更关注工程结构在一次地震作用下的安全性。国内外现行抗震规范中也均只考虑了一次地震的作用，而忽略了余震的影响。由于对余震对工程结构抗震性能的影响研究不足，造成了工程人员对结构的“二次抗震能力”认识不清，因此无法正确地评估余震对结构安全的潜在威胁。鉴于此，有必要对工程结构在主余震序列作用下的安全性进行更为全面和细致的评估。
1.1.2 课题研究意义
从上面的例子可以看出余震对于主震损伤结构的影响是不可忽视的. 余震一定会给结构带来增量损伤，本课题要考虑如何描述余震强度与结构增量损伤之间的相关性。
因此本课题利用有限元分析平台OpenSees，考虑余震参数对结构的损伤，并客观评估余震的潜在破坏势，有利于评估结构在真实地震作用下的安全水平。
本课题要考虑分别从单参数（一元）和多参数（多元）的角度，评估余震的破坏势可以较为全面的评估结构在主余震序列作用下的安全水平。
2. 国内外研究现状及分析
结构在遭受较强主震之后通常会发生较大变形以及产生损伤，如果继续遭受余震，则具有初始损伤的结构是否能抵抗接下来的余震以及接下来的余震对结构的影响情况究竟是怎样，成为了中国内外工程研究人员所迫切关心的问题。基于上述问题，在过去的几十年中，许多科研工作者对于余震及余震对结构的影响进行了大量研究，为土木工程在抗震领域做出了巨大贡献。现将中国内外研究情况总结如下：
2.1 地震动破坏势的研究现状
人们对地震破坏作用的兴趣和研究要远比地震预报早，历史上人们对地震破坏势的研究可以分为几乎平行的两条技术途径：第一条途径主要是围绕以宏观烈度为中心的对地震破坏势的研究。这方面的研究最早可回溯到1564 年，Jacopo Gastaldi 曾对发生在当年7 月20 日的滨海阿尔卑斯地震，在地图上用不同颜色标出各地区所受的地震影响。虽然这种对地震破坏作用的描述很粗糙，但它是人类第一次把地震破坏从简单含混的文字描述形象化了，成为研究地震破坏势的第一个历史里程碑。1627 年，G.V. de Poardi 根据地震中地表和地面建筑物破坏状况制订了世界上第一个宏观地震烈度表，并第一次提出了地震烈度这个概念。时至今日，烈度已由简单的描述地震破坏后果的代名词发展成为今天应用于地震学和地震工程学中的不可或缺的重要概念。尽管从地震的破坏作用的观点来看，烈度还是一个十分粗糙的定性的概念，距离真正的地震破坏作用还相距甚远，可是由于对地震破坏势的研究十分缓慢，乃至这样粗糙的定性化的概念仍然一直被沿用至今。后来各国研究者陆续编制或修订了约60 多种地震烈度表。用烈度来描述地震破坏势在没有现代观测仪器出现之前也不失是一种好办法，它的优点是简单直观，易于理解和评估，可为救灾和设防提供一定的依据，它的缺点是：它是一个主观的度量标准，不同的人会得到不同的结果；它度量的只是一个定性的量，难以应用于科学、技术以及工程中；烈度的一个最致命的弱点是它只是一个反映地震后果的量，而不是反映地震破坏作用的物理量。人类对地震破坏势的研究第二条途径可追溯到十九世纪末和二十世纪初叶，它主要是对地震破坏势进行客观的定量的研究。关于这方面的研究前文已提到很多，在此不再赘述，需要指出的是：地震动潜在破坏势的研究和烈度物理标准有很大的关联，但也有不同之处。虽然二者都需要确定对结构最具破坏力的地震动参数，但前者更倾向于研究地震动对不同结构的破坏机理，结构破坏时的标志以及地震动参数的临界值；后者的核心是研究烈度物理标准，所研究的地震动参数不仅要和结构破坏有关联，最重要的是要和烈度有很好的相性，因为烈度是一个综合的、平均的概念，那么烈度物理标准也要和大部分结构的破坏有关联，而不是针对某一个结构而言，因此研究不应过细或过窄，局限于单一化和片面化。
2.2余震对单自由度体系影响的研究现状
工程结构在一次地震作用下的抗震性能评估已经得到了较为全面和深入的研究。相比于此，工程结构在余震作用下的抗震性能研究还较为薄弱。根据已查阅的相关文献，Mahin在1980年最早研究了余震对结构反应的影响。他在研究中以非线性单自由度体系为研究对象，选择了一组含有两条余震记录的主余震序列作为输入，研究发现，在第二条余震作用后，结构的位移延性和累积能量均有了较大幅度的提升。其后，许多学者以非线性单自由度体系为研究对象，对余震对结构抗震性能的影响进行了更为深入的研究。Amadio等以加速度反应谱、位移系数（q-factor）、延性系数以及Park-Ang损伤指数为反应参数，考虑了不同恢复力模型的影响，讨论了余震对结构反应的影响，研究发现：余震会使结构产生较为显著的结构累积损伤，并使得结构的位移系数发生明显的减小，且余震对结构性能影响的大小受结构自身的周期和延性以及主余震序列的类型的影响。Hatzigeorgiou和Beskos首先以结构位移系数为参数，考虑了场地类别，结构延性、结构屈服后刚度以及结构阻尼比等因素的影响，通过输入多组主余震序列，获得了结构的在主余震联合作用下的非线性位移系数谱，并给出了谱的简化表达式。其后，Hatzigeorgiou采用类似的研究方法又获得了位移系数谱和延性需求谱，同时在输入的主余震序列中考虑了速度脉冲型（近场）地震动的影响。中国学者翟长海和温卫平等进一步将Hatzigeorgiou的研究方法进行了拓展，获得了主余震序列作用下基于Park-Ang损伤指数的损伤谱。由于上述研究采用的主余震序列均是通过已有的地震动记录构造而成，为此Sarno?[10]，Goda ,Taylor和Goda?[12]分别采用真实的主余震序列作为输入开展了相关研究，也得到了与已有研究类似的研究结论。此外，Moustafa和Takewaki应用随机振动理论，通过人工模拟地震动模型，考虑随机主余震序列对结构反应的影响，并应用可靠度理论给出了结构的概率安全水平。
2.3 余震对多自由度体系影响的研究现状
研究余震对单自由度体系影响的方法较为简单，但由于单自由度体系不能很好地反应真实结构在主余震序列作用下的非线性反应，因此中国内外许多学者开始对多自由度体系在余震作用下的反应进行研究。
冯世平在上世纪90年代初发表了一篇研究结构在多次地震作用下的反应分析的文章，定性地说明了主震和余震不同组合对结构破坏程度的影响。
近年来，随着中国在地震工程领域研究的逐步深入，结构在主余震序列作用下的性能评估逐渐得到了研究人员的重视。李洪泉等人通过振动台实验，研究了钢筋混凝土框架结构和钢框架结构在反复地震作用下性能退化特点。赵金宝考察了钢筋混凝土框架结构在余震作用下的楼层耗能与破坏指数的增长情况，并根据大量的分析结果统计回归了结构在主余震联合作用下的破坏预测模型，同时比较了不同主余震序列作用下的结构破坏程度。边冠博对汶川地震的主震及余震的衰减规律进行了统计研究，得到了余震加速度峰值之间的相关规律，并针对都江堰一栋实际的钢筋混凝土结构进行了考虑余震影响的结构耗能和失效模式的研究。刘爱荣等通过引入加速因子对传统Park-Ang损伤指标进行修正以考虑强余震对结构损伤的累积放大作用。刘耀龙研究了具有不同超越概率的余震作用下对钢筋混凝土框架结构的失效模式的影响，并基于概率地震需求分析对结构在余震作用下的附加损伤进行了概率评估。
中国外对多自由度结构体系在余震作用下的性能研究也始于上世纪90年代初。Sunasaka和Kiremidjian提出了一种方法来构造主余震序列，并且在生成时程曲线时用了人造地震波的方法。Lindt从实验的角度，通过输入含有六个地震动的地震动序列对木框架结构的抗震性能进行了评估。Yin和Li采用Monte Carlo模拟法，考虑维修损伤以及停工损失，进行了考虑余震作用下的木结构的经济损失分析，研究发现，余震使经济损失的预估要增加40%-61%。Goda和Salami分别采用云图法（cloud-method）和IDA方法进行了考虑余震影响的木框架结构的概率地震需求分析，研究表明，余震使地震需求的中位值增加了5%-20%?。Alessandri等基于Bayes技术，提出了一种概率余震风险分析方法，研究表明，余震显著提高了结构的地震风险水平。Ruiz-Garcia针对墨西哥既有高架桥结构进行了主余震作用下的反应分析，研究表明，随着主震强度的增加，余震对结构的附加损伤也逐渐增加。
2.4 中国内外文献综述的简析
通过大量中国内外科研工作者近几十年在相关方面的努力和贡献，目前对于余震的研究取得了很大的发展以及积累了宝贵的经验。但通过总结国内外科研成果可以发现目前仍然存在部分问题亟待解决：
问题1：对余震强度参数的研究稍显不足。
地震动强度的定义和参数选择作为地震工程领域一个重要的研究问题，近年来得到了广泛的研究。到底选择什么参数来评价余震强度，到底选择哪些和余震增量损伤相关性最强的参数来描述余震？这方面研究较少，那么这就直接影响到结构损伤与余震强度参数之间定量关系的建立，不利于工程人员准确了解余震对工程结构抗震性能的影响。
问题2：对余震地震动破坏势的研究稍显不足。
根据工程人员的经验和已有的研究结果，余震会使震损结构发生增量损伤，进而对结构的安全造成危害。但现有研究对于余震对结构破坏势究竟有多大，地震动破坏究竟如何变化以及定量分析尚不完善。
3 主要研究内容
本课题利用有限元分析软件OpenSees对余震地震动参数进行时程分析，考虑多条余震、余震强度参数等因素对结构的增量损伤进行研究。
3.1余震地震动强度参数研究
地震动参数按其特性可分为峰值参数、频谱参数和持时参数，它们是地震动的三要素。近年来随着能量参数研究的开展，它对结构破坏的影响也逐渐受到重视。峰值参数按定义就是地震动峰值加速（ PeakGroundAcceleration）PGA，一些文献认为峰值速度和峰值位移也是峰值参数。其实这两个参数都是由加速度记录积分得来，在积分过程中体现了加速度记录的频谱特性，因此严格来说它们并不能完全、典型的代表地震动峰值特性，因此本文未把它们列入峰值参数行列。频谱参数是能够体现地震动频率特性的参数，主要有以下几个常见参数：
地震动峰值速度PGV（Peak Ground Velocity）：由加速度记录积分得来；地震动峰值位移PGD（Peak Ground Displacement）：由速度记录积分得来；峰值加速度与峰值速度的比值：PGA/PGV，它与地震动频率有密切关系；谱峰值加速度、谱峰值速度和谱峰值位移： PSA（ Peak Spectra Acceleration ）、PSV（ Peak Spectra Velocity ）、PSD（ Peak Spectra Displacement），加速度反应谱、速度反应谱和位移反应谱的峰值；为了分清哪些参数对结构破坏起主导作用，就必须在研究中对各种不同参数进行一个一个的研究. 也就是说要在研究中，只让一种参数进行变化，而同时要保持其它参数的相对不。为此目的将变峰值加速度的地震动记录为一组,如表3-1所示，其中这一组只保持一个参数发生变化，而其它参数基本不变.
表3-1对峰值加速度进行调幅的记录
表3-1中的4 条记录选自不同场地类别，并且都是近场记录，在计算时将对每条记录从0.05g 到1.2g进行调幅分别计,将表3-1中的四条记录分别从0.05g 到1.2g进行调幅输入到2座砌体结构和5座混凝土结构中,计算出的峰值加速度和延性系数及破坏指数间的相关系数，结果见表3-2。
表3-2峰值加速度和结构反应相关性统计
由表3-2可以发现，PGA几乎和所有的结构反应都有很好的相关性，相比之下PGA 和RC 框架结构反应的相关性要高于砌体结构，场地类别对相关性似乎没有什么影响。
3.2 SDOF体系的余震增量损伤分析
在主震中受损的建筑结构往往要经历余震的“二次伤害”,余震对结构所造成的增量损伤使得结构存在较大的发生倒塌的可能性,从而造成巨大的人员伤亡及经济损失。因此,有必要对结构在主余震序列作用下的增量损伤及抗倒塌能力进行评价。为此,本文以非线性单自由度(SDOF)体系为研究对象,开展了主余震序列作用下的增量损伤和抗倒塌能力研究,力求从增量损伤和抗倒塌能力两个角度揭示余震对结构的潜在破坏势。
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