[发明专利]基于有限元模型的近场强地面运动估计方法

说明书

本发明涉及一种基于有限元模型的近场强地面运动估计方法，包括：构建二维断层破裂面有限元模型，在所述静态有限元模型中初始化构造应力场，触发一地震事件；设置具有等效边界单元的人工边界，提取地震动参数，实现基岩地震动模拟；在静态有限元模型中，获取地震事件发生时断层面临界破裂状态下的初始应力状态，将得到的静态有限元模型中的初始应力状态转移至所述动态有限元模型中进行非线性分析，得到地震动加速度时程估计值。本发明使用二维有限元模型取代传统的三维格林函数模型，从而减小了运算量，同时缩短运算时间；同时提供地震事件强地面运动的快速估计结果，对于震后地震应急救援的指挥及决策具有重要指导意义。

技术领域

本发明属于地震工程和岩土工程领域，具体涉及一种基于有限元模型的近场强地面运动估计方法，可以给出工程及地震救援所需的地震动参数。

背景技术

现有的地震强地面运动估计方法主要以理论和经验格林函数方法为主。该类方法以弹性动力学表示定理为基础，将整个断层面上的滑动位错产生的地表某一点的位移可以表示为断层上的滑动时间函数(震源效应)和表示传播介质脉冲反应(传播路径效应)的格林函数的时空卷积。该类方法可以非常清晰的给出震源特性对于强地面运动过程中地震动参数特性的影响作用。

但是现有方法仍然存在不少问题，首先，理论格林函数方法通常适合于水平成层介质，但实际上地球的介质并不都是水平成层的，这就需要计算具有三维非均匀结构介质的理论格林函数，从而模拟地面运动时计算量太大。其次，由于缺乏准确的地震波传播路径的三维速度结构信息和局部场地信息，实际上很难计算出理论格林函数。而区域防灾减灾规划和重大工程的可行性分析阶段更是难以产出充足的构造数据信息，因此在以上应用中该方法在震源特性和传播路径合理刻画的问题上遭到了难以逾越的困难。经验格林函数方法使用小震记录作为格林函数可以使模拟的结果能更较好地与记录符合，在一定程度上解决了上述问题。但用经验格林函数方法模拟的结果也存在两个明显的问题，一个是模拟的结果在高频部分不稳定，另一个是模拟的结果存在着一个人造周期。因此，直接将格林函数方法应用于防灾减灾的工程实际时存在着三维速度结构信息获取以及各类参数设置复杂的困难。

为此，需要一种能够以快速准确获得地表地震动加速度时程及幅值频谱等强地面运动参数的近场强地面运动估计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于有限元模型的近场强地面运动估计方法，该方法提供一种可以包含震源特性的基岩强地地面运动生成方法。通过接触单元进行理论断层面的构建，使用动力有限元方法模拟地震动在弹性介质中的传播，进而获得地表地震动加速度时程及幅值频谱等强地面运动参数，从而提高强地面运动估计精度，由于不需要复杂的计算，该方法大大缩短了运算的时间。

为解决上述技术问题，本发明所述的一种基于有限元模型的近场强地面运动估计方法包括如下步骤：

步骤1：构建二维断层破裂面有限元模型，所述有限元模型包括用于求解破裂前的临界应力状态的静态有限元模型和用于获得地表的地震动参数的动态有限元模型；在所述静态有限元模型中初始化构造应力场，触发一地震事件；

其中，所述的有限元模型是指利用现有的计算机技术构建的一个断层破裂面有限元二维模型，其中，所述静态有限元模型和动态有限元模型分别包括固体单元，多个所述固体单元组成的接触单元和预设的介质参数，所述接触单元用于模拟断层的运动，固体单元用于模拟地震动的传播；所述介质参数取自现有的岩石物理学实验数据，包括粘聚力和动应力降。

步骤2：设置具有等效边界单元的人工边界，提取地震动参数，实现基岩地震动模拟。

其中所述人工边界采用等效一致粘弹性人工边界单元用于表示能量传播及能量的传递，采用与刚度成正比的阻尼形成等效边界单元的阻尼矩阵，设置各向同性的材料阻尼系数；所述地震动参数至少包括速度，位移，加速度等参数信息。