基于等效线性化方法的一维土层地震反应通用计算程序对比

马俊玲; 丁海平

doi:10.11899/zzfy20170401

基于等效线性化方法的一维土层地震反应通用计算程序对比

doi: 10.11899/zzfy20170401

马俊玲^1,,
丁海平^{1, 2, ,}

1.
苏州科技大学, 江苏省结构工程重点实验室, 江苏苏州 215011
2.
中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨 150080

基金项目:

国家自然科学基金项目 51278323

详细信息

作者简介:
马俊玲, 女, 生于1987年, 硕士, 主要从事地震工程。E-mail:majunling321@126.com

通讯作者:
丁海平, 男, 生于1966年, 教授, 主要从事地震工程和防灾减灾工程。E-mail:hpding@126.com

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出版历程
- 收稿日期: 2017-08-25
- 刊出日期: 2017-12-01

Comparison of General Calculation Programs for One-dimensional Site Seismic Response Based on Equivalent Linearization Method

Ma Junling^1
,,
Ding Haiping^{1, 2
, ,}

1.
Suzhou University of Science and Technology, Key Laboratory of Structure Engineering of Jiangsu Province, Suzhou 215011, Jiangsu, China
2.
Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China

摘要

摘要: 基于等效线性化的一维土层地震反应计算是目前国内外普遍采用的方法，国外的SHAKE91、DEEPSOIL和我国的LSSRLI-1即是根据这一方法编制的通用计算程序。本文采用这3个程序进行了不同地震波、不同输入地震动幅值下不同场地类型的土层地震反应计算，并对三者的结果进行了全面的比较分析。结果表明：①SHAKE91和DEEPSOIL程序的计算结果完全相同；②当土层最大剪应变均采用时域计算时，LSSRLI-1程序的计算结果与SHAKE91和DEEPSOIL程序基本相同，但有微小差别，其原因是：在基于等效剪应变通过离散形式的剪切模量和阻尼比随等效剪应变变化的关系曲线确定等效剪切模量和阻尼比时，DEEPSOIL和SHAKE91采用的插值方法与LSSRLI-1不同；③当LSSRLI-1程序采用频域经验关系计算土层最大剪应变时，特别是在强地震动输入下得到的土层地表加速度峰值和加速度反应谱与另外两个程序的计算结果有差别，且土层最大剪应变随着输入加速度的增大出现较大的差别。因此，本文建议：当采用LSSRLI-1程序计算土层地震响应时，应使用程序中的时域解方法代替以往默认的频域经验关系方法。
- 等效线性化 /
- 土层地震反应分析 /
- SHAKE91、DEEPSOIL和LSSRLI-1程序
Abstract: The method of one-dimensional site seismic response analysis based on equivalent linear analysis is widely used at home and abroad. For example, SHAKE91, DEEPSOIL and LSSRLI-1 are general calculation programs in abroad based on this method. In this paper, we compared and analyzed the results of site seismic response calculated by the three general calculation programs under different input earthquakes, different seismic amplitude values and different types of site layer. The results show that:① The SHAKE91 and DEEPSOIL basically produces the same results. ② When the maximum shear strain of layer is calculated in time domain, the calculation results of LSSRLI-1 are almost identical with those of SHAKE91 and DEEPSOIL, but with slight differences. The reason is that the interpolation method, based on the equivalent shear strain through the relationship of the discrete form of shear modulus and damping ratio with equivalent shear strain to determine the equivalent shear modulus and damping ratio, used in DEEPSOIL and SHAKE91 is different from that of LSSRLI-1. ③ When the frequency domain empirical relationship is used to calculate the maximum shear strain of soil in LSSRLI-1, under strong input ground motions, the calculation peak acceleration and ground acceleration response spectra of the soil are different from those of the other two programs, and the maximum shear strains of layers calculated by LSSRLI-1 and the other two programs are greatly different with the increase of input acceleration. Therefore, when soil seismic response analysis is performed using LSSRLI-1, we suggested that the method of time domain should be used instead of the method of the default frequency domain empirical relationship.
- Equivalent linear /
- Layer seismic response analysis /
- SHAKE91, DEEPSOIL and LSSRLI-1

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图 1 成层介质地震响应分析的计算模型

Figure 1. Calculation model of stratifield media seismic response analysis

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图 2 假定的土层计算模型

Figure 2. Assumed layer calculation model

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图 3 输入地震波加速度时程、傅里叶振幅谱及加速度反应谱

Figure 3. Acceleration time history, Fourier amplitude spectra and acceleration response spectra of input motions

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图 4 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.025g）

Figure 4. Computed surface acceleration response spectra of surface by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.025g)

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图 5 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.05g）

Figure 5. Computed surface acceleration response spectra by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.05g)

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图 6 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.1g）

Figure 6. Computed surface acceleration response spectra by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.1g)

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图 7 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.2g）

Figure 7. Computed surface acceleration response spectra by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.2g)

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图 8 3种不同程序计算得到土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.025g）

Figure 8. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions are 0.025g)

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图 9 3种不同程序计算得到的土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.05g）

Figure 9. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.05g)

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图 10 3种不同程序计算得到的土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.1g）

Figure 10. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.1g)

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图 11 3种不同程序计算得到的土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.2g）

Figure 11. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.2g)

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图 12 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.025g）

Figure 12. Computed surface acceleration response spectra by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.025g)

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图 13 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.05g）

Figure 13. Computed surface acceleration response spectra by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.05g)

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图 14 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.1g）

Figure 14. Computed surface acceleration response spectra by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.1g)

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图 15 3种不同程序计算得到的地表加速度反应谱（基底输入峰值加速度为0.2g）

Figure 15. Computed surface acceleration response spectra by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.2g)

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图 16 3种不同程序计算得到的土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.025g）

Figure 16. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.025g)

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图 17 3种不同程序计算得到的土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.05g）

Figure 17. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.05g)

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图 18 3种不同程序计算得到的土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.1g）

Figure 18. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.1g)

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图 19 3种不同程序计算得到的土层最大剪应变分布（基底输入峰值加速度为0.2g）

Figure 19. Computed maximum shear strain of layer by three different calculation programs

(the peak ground acceleration of input motions is 0.2g)

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表 1 土层计算模型参数

Table 1. The parameters of layer calculation model

场地类别	h₁/m	h₂/m
Ⅱ	15	25
Ⅲ	30	30
Ⅳ	50	40

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表 2 土的G/G_max-γ和ξ-γ关系

Table 2. The relationship between G/G_max-γ and the relationship between ξ-γ

土类	γ/%	0.0001	0.0003	0.001	0.003	0.010	0.030	0.100	0.300	1.000	3.000	10.00
粘土	G/G_max	1.000	1.000	1.000	0.981	0.941	0.847	0.656	0.438	0.238	0.144	0.110
粘土	ξ/%	0.240	0.420	0.800	1.400	2.800	5.100	9.800	15.50	21.00	25.00	28.00
砂粘土	G/G_max	1.000	1.000	0.990	0.960	0.850	0.640	0.370	0.180	0.080	0.050	0.035
砂粘土	ξ/%	0.240	0.420	0.800	1.400	2.800	5.100	9.800	15.50	21.00	25.00	28.00
基岩	G/G_max	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000
基岩	ξ/%	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000

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表 3 Ⅱ类场地地表响应加速度峰值a_max（单位：g）

Table 3. Computed peak ground acceleration of site class Ⅱ a_max (unit: g)

地震波	El-Centro波				宁河波				人工波
输入加速度峰值/g	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2
DEEPSOIL	0.085	0.125	0.190	0.214	0.076	0.123	0.187	0.256	0.069	0.119	0.159	0.204
SHAKE91	0.084	0.123	0.185	0.210	0.079	0.122	0.184	0.250	0.070	0.118	0.155	0.202
LSSRLI-1	0.085	0.130	0.191	0.218	0.079	0.124	0.186	0.302	0.071	0.123	0.171	0.211
δ/%	1.13	4.84	1.87	2.98	2.40	1.22	0.27	5.45	2.01	3.80	8.92	3.89

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表 4 Ⅲ类场地地表响应加速度峰值a_max（单位：g）

Table 4. Computed peak ground acceleration of site class Ⅲ a_max (unit: g)

地震波	El-Centro波				宁河波				人工波
输入加速度峰值/g	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2
DEEPSOIL	0.055	0.079	0.116	0.160	0.073	0.121	0.170	0.243	0.056	0.084	0.110	0.113
SHAKE91	0.055	0.077	0.115	0.158	0.072	0.119	0.168	0.242	0.057	0.086	0.110	0.114
LSSRLI-1	0.057	0.079	0.121	0.168	0.073	0.122	0.175	0.253	0.061	0.090	0.124	0.118
δ/%	3.83	1.28	4.76	5.73	0.76	1.67	3.55	4.42	8.06	5.88	12.73	4.29

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表 5 Ⅳ类场地地表响应加速度峰值a_max（单位：g）

Table 5. Computed peak ground acceleration of site class Ⅳ a_max (unit: g)

地震波	El-Centro波				宁河波				人工波
输入加速度峰值/g	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2
DEEPSOIL	0.043	0.068	0.085	0.110	0.063	0.099	0.146	0.199	0.041	0.056	0.069	0.078
SHAKE91	0.043	0.069	0.086	0.110	0.063	0.099	0.146	0.199	0.041	0.056	0.069	0.078
LSSRLI-1	0.046	0.072	0.089	0.114	0.064	0.102	0.151	0.210	0.045	0.060	0.072	0.082
δ/%	6.60	5.11	4.09	3.59	1.19	3.03	3.42	5.55	9.89	7.14	4.35	4.79

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表 6 Ⅱ类场地地表响应加速度峰值a_max（单位：g）

Table 6. Computed surface peak acceleration of site class Ⅱ a_max (unit: g)

地震波	El-Centro波				宁河波				人工波
输入加速度峰值/g	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2
DEEPSOIL	0.085	0.125	0.190	0.160	0.076	0.123	0.187	0.256	0.069	0.119	0.159	0.204
SHAKE91	0.084	0.123	0.185	0.158	0.079	0.122	0.184	0.250	0.070	0.118	0.155	0.202
LSSRLI-1	0.079	0.112	0.140	0.132	0.076	0.116	0.164	0.215	0.067	0.115	0.144	0.173
δ/%	-6.25	-9.68	-25.33	-16.93	-1.36	-5.31	-11.59	-15.10	-3.74	-2.95	-8.28	-14.62

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表 7 Ⅲ类场地地表响应加速度峰值a_max（单位：g）

Table 7. Computed surface peak acceleration of site class Ⅲ a_max (unit: g)

地震波	El-Centro波				宁河波				人工波
输入加速度峰值/g	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2
DEEPSOIL	0.055	0.079	0.116	0.160	0.073	0.121	0.170	0.243	0.056	0.084	0.110	0.113
SHAKE91	0.055	0.077	0.115	0.158	0.072	0.119	0.168	0.242	0.057	0.086	0.110	0.114
LSSRLI-1	0.053	0.077	0.098	0.132	0.069	0.104	0.160	0.242	0.054	0.081	0.093	0.107
δ/%	-4.19	-1.28	-15.15	-16.93	-5.18	-13.33	-5.33	-0.17	-3.81	-4.71	-15.45	-5.35

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表 8 Ⅳ类场地地表响应加速度峰值a_max（单位：g）

Table 8. Computed surface peak acceleration of site class Ⅳ a_max (unit: g)

地震波	El-Centro波				宁河波				人工波
输入加速度峰值/g	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2	0.025	0.05	0.1	0.2
DEEPSOIL	0.043	0.068	0.085	0.110	0.063	0.099	0.146	0.199	0.041	0.056	0.069	0.078
SHAKE91	0.043	0.069	0.086	0.110	0.063	0.099	0.146	0.199	0.041	0.056	0.069	0.078
LSSRLI-1	0.042	0.059	0.073	0.089	0.061	0.095	0.138	0.202	0.042	0.055	0.065	0.060
δ/%	-2.20	-13.87	-14.62	-19.49	-3.40	-4.04	-5.48	1.68	1.59	-1.79	-5.80	-23.96

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