國(guó)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(huì)影響地震動(dòng)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(chǎng)地施工之前，為了解場(chǎng)地的抗震性能等，需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行土層反應(yīng)分析，分析結(jié)果為場(chǎng)地安全性評(píng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)地震動(dòng)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(guó)外和國(guó)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(jiǎn)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(yè)版兩個(gè)模式。其研究結(jié)果表明，該程序在計(jì)算深軟場(chǎng)地時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近［7-8］。在國(guó)內(nèi)，LSSRLI-1與SOILQUAKE作為土層反應(yīng)分析方法的兩代程序，對(duì)兩者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析有助于認(rèn)識(shí)到兩個(gè)程序處理結(jié)果的異同。
本文在對(duì)比過(guò)程中，選用了硬、中硬與軟場(chǎng)地三種場(chǎng)地類別的6個(gè)場(chǎng)地，分別輸入三條地震動(dòng)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，以上組合共得到53組工況。分別用SOILQUAKE與LSSRLI-1對(duì)這些工況進(jìn)行計(jì)算，將得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為今后工程應(yīng)用與程序改進(jìn)提供參考。
1 SOILQUAKE簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(yè)試用版版與單機(jī)試用版兩個(gè)版本。本文選擇其網(wǎng)頁(yè)版作為研究對(duì)象。以下簡(jiǎn)述SOILQUAKE網(wǎng)絡(luò)版使用過(guò)程。用戶首先需在 SOILQUAKE 的官方網(wǎng)站（http：／／www.soilquake.org.cn／）上注冊(cè)用戶，之后上傳計(jì)算的工況將被保存在這一賬號(hào)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(yè)直接跳到Material欄目。此處可以選擇直接導(dǎo)入文件或手動(dòng)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(yè)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(dòng)輸入兩種。輸入成功后頁(yè)面上會(huì)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(dòng)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(zhǎng)，單位、調(diào)幅等。輸入后頁(yè)面會(huì)直接繪制以上條件下的地震動(dòng)時(shí)程曲線，供用戶校對(duì)。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(yè)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(chǎng)地條件對(duì)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(chǎng)地三種場(chǎng)地類型下的6個(gè)理想場(chǎng)地，場(chǎng)地模型如表1所示，選取理想場(chǎng)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?gòu)?0～800m／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(dòng)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(chǎng)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(duì)不同頻率地震動(dòng)的處理差異，本文選擇了三種頻率分布特點(diǎn)的地震動(dòng)輸入，頻率分布均勻的El Centro地震動(dòng)記錄來(lái)自1940年美國(guó)帝王谷地震，低頻豐富的AKTH19地震動(dòng)記錄與高頻豐富的KSRH地震動(dòng)記錄取自日本Kik-Net臺(tái)網(wǎng)公布的實(shí)測(cè)記錄。這三個(gè)地震動(dòng)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(dòng)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(duì)國(guó)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(chǎng)地
硬場(chǎng)地中的兩個(gè)場(chǎng)地厚度均為3m，分別為單層場(chǎng)地與雙層場(chǎng)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(chǎng)地類別的關(guān)系如表3所示。
表3 硬場(chǎng)地下兩程序PGA相對(duì)差對(duì)比Tab.3 Contrast of relative difference of PGA by two programs in hard field
由表3可知，在硬場(chǎng)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(duì)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(shuō)明，這兩個(gè)程序在計(jì)算硬場(chǎng)地時(shí)，不管輸入地震動(dòng)的頻譜分布如何，輸出的PGA結(jié)果基本沒(méi)有差異。
對(duì)不同強(qiáng)度、頻譜特征的地震動(dòng)輸入后的地表反應(yīng)譜進(jìn)行對(duì)比，如圖2～4所示。同一條地震動(dòng)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(zhǎng)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地
中硬場(chǎng)地中的兩個(gè)場(chǎng)地的厚度都為24m，分別為單層場(chǎng)地與雙層場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(shì)，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(duì)應(yīng)周期不一致。SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值對(duì)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(dòng)輸入的加強(qiáng)而加強(qiáng)。
表4 中硬場(chǎng)地下兩程序PGA相對(duì)差對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)地
軟場(chǎng)地中兩個(gè)場(chǎng)地厚度都為80m，分別為單層場(chǎng)地與雙層場(chǎng)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(chǎng)地變得深厚，在軟場(chǎng)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(tái)網(wǎng)Kik-Net實(shí)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，軟場(chǎng)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(chǎng)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L(zhǎng)SSRLI-1的2倍。對(duì)比表明，SOILQUAKE更體現(xiàn)了場(chǎng)地放大效應(yīng)，LSSRLI-1計(jì)算結(jié)果失真較大。
場(chǎng)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(chǎng)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(duì)結(jié)果帶來(lái)的影響。
表5 軟場(chǎng)地下兩程序PGA相對(duì)差對(duì)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(guó)內(nèi)有代表性的兩個(gè)一維土層反應(yīng)分析程序。通過(guò)對(duì)硬場(chǎng)地、中硬場(chǎng)地、軟場(chǎng)地在不同頻率成分地震動(dòng)作用下的對(duì)比，得到以下結(jié)論：
（1）輸出結(jié)果差異的大小主要與場(chǎng)地類別、輸入地震動(dòng)強(qiáng)度和輸入地震動(dòng)的頻率分布有關(guān)，場(chǎng)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(chǎng)地時(shí)極小，中硬場(chǎng)地和軟場(chǎng)地類場(chǎng)地時(shí)存在較大差異，但SOILQUAKE很好的反映了場(chǎng)地放大效應(yīng)，結(jié)果較之LSSRLI-1更貼近實(shí)際場(chǎng)地記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
（3）地表反應(yīng)譜差異在硬場(chǎng)地時(shí)極小，中硬場(chǎng)地和軟場(chǎng)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(chǎng)地的放大作用。
（4）在軟場(chǎng)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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（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(huì)影響地震動(dòng)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(chǎng)地施工之前，為了解場(chǎng)地的抗震性能等，需要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行土層反應(yīng)分析，分析結(jié)果為場(chǎng)地安全性評(píng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)地震動(dòng)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(guó)外和國(guó)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(jiǎn)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(yè)版兩個(gè)模式。其研究結(jié)果表明，該程序在計(jì)算深軟場(chǎng)地時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近［7-8］。在國(guó)內(nèi)，LSSRLI-1與SOILQUAKE作為土層反應(yīng)分析方法的兩代程序，對(duì)兩者的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析有助于認(rèn)識(shí)到兩個(gè)程序處理結(jié)果的異同。
本文在對(duì)比過(guò)程中，選用了硬、中硬與軟場(chǎng)地三種場(chǎng)地類別的6個(gè)場(chǎng)地，分別輸入三條地震動(dòng)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，以上組合共得到53組工況。分別用SOILQUAKE與LSSRLI-1對(duì)這些工況進(jìn)行計(jì)算，將得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為今后工程應(yīng)用與程序改進(jìn)提供參考。
1 SOILQUAKE簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(yè)試用版版與單機(jī)試用版兩個(gè)版本。本文選擇其網(wǎng)頁(yè)版作為研究對(duì)象。以下簡(jiǎn)述SOILQUAKE網(wǎng)絡(luò)版使用過(guò)程。用戶首先需在 SOILQUAKE 的官方網(wǎng)站（http：／／www.soilquake.org.cn／）上注冊(cè)用戶，之后上傳計(jì)算的工況將被保存在這一賬號(hào)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(yè)直接跳到Material欄目。此處可以選擇直接導(dǎo)入文件或手動(dòng)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(yè)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(dòng)輸入兩種。輸入成功后頁(yè)面上會(huì)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(dòng)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(zhǎng)，單位、調(diào)幅等。輸入后頁(yè)面會(huì)直接繪制以上條件下的地震動(dòng)時(shí)程曲線，供用戶校對(duì)。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(yè)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(chǎng)地條件對(duì)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(chǎng)地三種場(chǎng)地類型下的6個(gè)理想場(chǎng)地，場(chǎng)地模型如表1所示，選取理想場(chǎng)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?gòu)?0～800m／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(dòng)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(chǎng)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(duì)不同頻率地震動(dòng)的處理差異，本文選擇了三種頻率分布特點(diǎn)的地震動(dòng)輸入，頻率分布均勻的El Centro地震動(dòng)記錄來(lái)自1940年美國(guó)帝王谷地震，低頻豐富的AKTH19地震動(dòng)記錄與高頻豐富的KSRH地震動(dòng)記錄取自日本Kik-Net臺(tái)網(wǎng)公布的實(shí)測(cè)記錄。這三個(gè)地震動(dòng)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(dòng)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(duì)國(guó)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(chǎng)地
硬場(chǎng)地中的兩個(gè)場(chǎng)地厚度均為3m，分別為單層場(chǎng)地與雙層場(chǎng)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(chǎng)地類別的關(guān)系如表3所示。
表3 硬場(chǎng)地下兩程序PGA相對(duì)差對(duì)比Tab.3 Contrast of relative difference of PGA by two programs in hard field
由表3可知，在硬場(chǎng)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(duì)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(shuō)明，這兩個(gè)程序在計(jì)算硬場(chǎng)地時(shí)，不管輸入地震動(dòng)的頻譜分布如何，輸出的PGA結(jié)果基本沒(méi)有差異。
對(duì)不同強(qiáng)度、頻譜特征的地震動(dòng)輸入后的地表反應(yīng)譜進(jìn)行對(duì)比，如圖2～4所示。同一條地震動(dòng)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(zhǎng)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地
中硬場(chǎng)地中的兩個(gè)場(chǎng)地的厚度都為24m，分別為單層場(chǎng)地與雙層場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(shì)，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(duì)應(yīng)周期不一致。SOILQUAKE的反應(yīng)譜最大值對(duì)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(dòng)輸入的加強(qiáng)而加強(qiáng)。
表4 中硬場(chǎng)地下兩程序PGA相對(duì)差對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(chǎng)地下兩程序地表反應(yīng)譜對(duì)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)地
軟場(chǎng)地中兩個(gè)場(chǎng)地厚度都為80m，分別為單層場(chǎng)地與雙層場(chǎng)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(chǎng)地變得深厚，在軟場(chǎng)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(tái)網(wǎng)Kik-Net實(shí)測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，軟場(chǎng)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(chǎng)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L(zhǎng)SSRLI-1的2倍。對(duì)比表明，SOILQUAKE更體現(xiàn)了場(chǎng)地放大效應(yīng)，LSSRLI-1計(jì)算結(jié)果失真較大。
場(chǎng)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(chǎng)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(duì)結(jié)果帶來(lái)的影響。
表5 軟場(chǎng)地下兩程序PGA相對(duì)差對(duì)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(guó)內(nèi)有代表性的兩個(gè)一維土層反應(yīng)分析程序。通過(guò)對(duì)硬場(chǎng)地、中硬場(chǎng)地、軟場(chǎng)地在不同頻率成分地震動(dòng)作用下的對(duì)比，得到以下結(jié)論：
（1）輸出結(jié)果差異的大小主要與場(chǎng)地類別、輸入地震動(dòng)強(qiáng)度和輸入地震動(dòng)的頻率分布有關(guān)，場(chǎng)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(chǎng)地時(shí)極小，中硬場(chǎng)地和軟場(chǎng)地類場(chǎng)地時(shí)存在較大差異，但SOILQUAKE很好的反映了場(chǎng)地放大效應(yīng)，結(jié)果較之LSSRLI-1更貼近實(shí)際場(chǎng)地記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
（3）地表反應(yīng)譜差異在硬場(chǎng)地時(shí)極小，中硬場(chǎng)地和軟場(chǎng)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(chǎng)地的放大作用。
（4）在軟場(chǎng)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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