工程地震与结构抗震(03)-地震危险性分析

1地震危险性分析SeismicHazardAnalysis（SHA）(工程场地)地震安全性评价SeismicHazardAssessment2地震危险性分析地震危险性分析是对某一特定的工程场址，评定在工程有效使用期内遭遇一定地震动强度的危险性。目的：通过计算分析给出评价场点(site)未来一定时间内遭遇到的地震动(I,Y,S)超过给定值的概率，提供场地的地震动输入。为合成地震动提供参数。3地震危险性分析实质上是中长期地震预报向工程抗震设防方面的延伸与拓展。通过地震危险性分析，把对研究地区的地震活动规律性的认识、对场址周围地震活动和地震发生的地质条件的认识等地震预报的信息融入到预测工程场址的设计地震动参数中去。4评定某个地点的地震危险性，需要作以下三个方面的工作：一、确定该地点周围未来一定时间内可能发生破坏性地震的地点、强度和性质；二、通过地震观测资料和历史地震等震线的分析，了解地震波传播途径的地区特性，确定衰减关系；三、详细勘察场地条件，对场地土质条件进行分析测试，研究局部场地条件对地震动的影响。通过上述三方面的工作，便能在统一考虑地震环境和场地条件的基础上确定设计地震动参数，即地震危险性评定结果。5地震危险性分析途径框图地震危险性分析确定地震动衰减关系潜在震源区划分及地震活动性参数确定地震统计区划分及地震活动性参数确定工程场地地表设计地震动参数确定地震活动大地构造地球物理场基岩地震动时程合成场地工程地质条件勘探、波速测试和土样动力试验场地土层地震反应分析断层活动场地地震地质灾害及影响分析综合评价结论和建议交叉学科6震源地震波传播场地土层区（局部）基岩区（区域地质）地表及基岩地形目的：工程场地的地震动7影响地震动及地震地质灾害的因素•地震、地质环境：震源特性•区域地质条件：地壳介质对地震动的影响空间上缓慢变化•局部场地条件：地形，土层，（近地表）断层对地震动的影响空间上显著变化8地震危险性分析研究工作的发展地震危险性研究起自四十年代。随着科学技术的发展，为满足蓬勃发展的工程建设的需要，地震危险性评定工作大致经历了两个重要的发展阶段：第一阶段自50年代初期到70年代后期，所用的方法称之为确定性方法，即地震基本烈度鉴定方法。基本烈度确定后，其场地影响采用场地分类法，按照有关抗震设计规范对场地进行分类以确定设计地震动参数。9第二阶段自70年代后期至今,发展了一种地震危险性分析的新方法,即概率方法。新方法的特点是建立地震发生的概率模型,在统一考虑地震环境和场地条件的基础上确定与设防水平相应的地震动参数。10一、地震危险性分析确定性方法地震危险性分析的确定性方法有多种，如上个世纪70年代我国以地震活动性为主编制区划图所采用的方法。这里介绍的确定性方法与编制区划图时所采用的确定性方法有所不同，是针对地震安全性评价工作分级为I级的重要建设（例如核电厂中涉及核辐射外泄安全的部分结构，要求万无一失）。11下面分别介绍地震构造法和历史地震法两种确定性方法以及两者结合起来对地震动参数的综合评定方法。121.地震构造法1）根据对研究区域范围内发生大地震的地质构造条件的认识，评定工程场地最大地震动参数的方法。它是地震危险性分析的一种确定性方法，主要就是研究地震地质构造背景。需要有足够的地质勘查资料，构造与地震发生之间联系的判断。132）划分地震构造区单元划分；划分的判断：构造活动年代相同构造类型构造应力场地球物理场地震活动性实际就是在划分潜在震源区143）确定最大震级为尽量细地分析地震活动的非均匀性，将发震断层分段。用地震构造特征确定最大震级：断层长度，错动类型，历史活动，综合确定（需要经验）4）最大原则：综合考虑各潜在震源影响，取最大者152.历史地震法1）调查以往发生过的有影响的地震，取最大2）如何调查和分析历史地震资料，这是中国的特点详细收集；对比分析；去伪存真直接得到场地的烈度（历史地震烈度表）判断震中烈度，推断震级，再根据衰减关系判断它的基本假定是历史上曾经发生破坏性地震的地方,同样的地震有可能再次发生,这就是历史重演原则。163）历史地震衰减资料因为是有具体区域，所以要查尽相关资料，反映区域特点特殊的衰减关系考虑烈度异常以上确定性方法中都将震源看成点源，没有考虑大震发震断层长度影响，如果直接以历史地震资料为基础，有可能避免。173.综合评定基于核电厂这类重要工程设施，偏于保守。1）最大原则2）不确定性很大3）给出的值一般偏大，但对龙门山断裂带，给出偏小。18二、地震危险性分析概率方法19地震危险性分析的概率方法是1968年由美国学者Cornell首先提出来的，这种方法主要包括四个环节1.潜在震源划分。2．地震活动模型和参数统计。3．地震动衰减关系的确定。4．场地地震动的概率计算。其中前面两个环节主要是建立描述地震发生的地点、时间和大小的概率模型并估计模型参数，后一个环节是依据建立起来的地震发生的概率模型和地震动参数的衰减关系计算场地地震动参数在一定时间内的超越概率。20概率方法最基本的假定是，地震是一个随机事件，即未来地震发生的时间、地点和大小都是不确定的，并可以用一定的概率分布来描述。这是符合客观实际的。因为人们还不能准确的预知未来地震发生的时间、地点和大小，同时，由于受震源机制、地震波传播途径和局部场地条件等诸多因素的影响，工程师所关心的地震动参数也是有很大的不确定性。21在这个基本假定下，一般来说地震发生过程可以用一个三维随机过程｛｝来描述，其中i表示发生一次地震事件,表示地震i的震源位置,表示地震i的发生时间,是地震i的震级。地震发生过程的完整的统计分析需要考虑这3个参数的联合概率分布。iiiMTL,,iLiMiT22一般说来，这样的分布模型将会是非常复杂的，并且在缺少地震数据的情况下，建立这样的模型也是非常困难的。在实际应用中，通常将这3个参数独立开来而分别研究其统计特征。23在现在的地震危险性分析概率方法中，一般通过划分潜在震源区来描述地震发生的空间分布的非均匀性，而在同一个潜在震源区内，假定地震发生的空间分布是均匀的；用由古登堡—里希特(Gutenberg—Richter)震级—频度关系导出的震级分布来描述地震大小的不确定性；用泊松(Poisson)过程描述地震发生时间的不确定性。24将地震看成一个随机事件，是地震三要素（时、空、强）的联合概率分布。空间分布：划分潜在震源区处理非均匀性时间分布：假定是泊松模型强度分布：符合古登堡-里希特（G-R)公式的概率模型两个概率分布模型：时间、强度251区域地震构造评价工作范围a.一般情况下：取工程场地外延150kmb.≥8级的远场潜源：适当扩大c.弱地震活动区：适当扩大工作范围262近场区地震构造评价工作范围近场区范围的确定应以能够解决近场区主要断层活动性鉴定和发震构造判定等主要问题为原则，一般情况下，近场区范围可界定为场址及其外延25公里，但出现下列情况之一者，应适当扩大：a.工程场地及其外延25km范围内，断裂基本被第四系所覆盖，但在这个范围外缘有较明显的地质和地貌现象出露；27b.工程场地及其外延25km范围内，与地震构造条件评价密切相关的地质和地貌证据不充分，但在这个范围外缘有其典型的或有力的证据存在；c.I级工作中，工程场地及其外延25km范围外缘有指向近场区域的断裂存在；d.相关行业对近场区范围有大于25km的要求，如水电抗震设计规范要求近场区为半径30km的范围。28问题的提法设在场点周围一定范围内（半径为150km）划分出N个潜在震源区，各潜在震源区的地震活动性参数（年平均发生率，震级—频度关系中的b值，震级上限Mu，震极下限Mo，地震空间分布函数fimj，地震动衰减关系，等震线长轴取向等）经统计可以给出；假定各潜在震源区发生震级大于的地震这一随机事件符合泊松过程。求在未来一定时间内场点的地震动越过给定值的概率是多少？291、潜在震源区划分30潜在震源区（PotentialSeismicSourcePSS）是指未来具有发生破坏性地震潜在可能的地区。它划分为三种，即点源模型、线源模型和面源模型。第一种是C.A.Cornell1968年最初提出潜在震源区概念时使用的。后二种是洪华生经过对Cornell工作的发展而提出的。在实际工作中把PSS常划分为I型线源（有明确的发震断层方向，长度及位置），II型面源（有明确的发震断层的方向及长波，但位置不确定），III型面源（发震断层方向，长度及位置均不确定），衰减模型中采用圆衰减模型和椭圆衰减模型，前者是Cornell和洪华生采用了，后者是我国在编制三代图（1990）时采用的。311）潜在震源区定义未来–时间段随要求而变可能–与时间段相关破坏性–4级以上2）划分原则两个原则（是目前能够接受、局限、无奈的原则，可能有失误的原则）地震构造类比原则地震活动重复原则3）划分步骤：三步划分区、带；细分潜在震源区32332.震级-频度关系，b值表示地震发生次数与震级之间的统计关系。古登堡（B.Gudenberg）和里希特（C.F.Rechter）于1944年提出的，所以也称古登堡-里希特关系（G-R关系）。尽管这种关系的物理基础至今仍不是很清楚，但已证实可应用于全球或区域尺度上一个较宽的震级范围内。N为地震次数，M为震级，N为等于和大于某个震级的地震发生累计次数bMaNlg34G-R关系中的常数b值是一个重要参数，它代表着一个地震区带内大小地震发生频度的比例关系；b=1意味震级小1级、发生次数多10倍，b=0.7意味震级小1级、发生次数多5倍。它与该地震区带内的应力状态和地壳岩石破裂强度有关，随地区的不同而有所不同。35110100100056789新疆中部（1915～台湾（1952～1972）华北（1740～）震级M地震频度lgN36在地震危险性分析的概率方法中，需要用一个随机过程模型来描述地震发生时间的不确定性。到目前为止，在世界上许多国家得到广泛应用的仍是较为简单的泊松模型。3.泊松过程(地震的发生在时间和空间上都具有随机性)需满足1）独立性：事件可以在任一分段内独立地发生，不受其他无搭接分段内事件数的影响。2）平稳性：在一分段内，事件发生的概率与Δt的大小有关，而与此分段在全体中的位置无关。3）不重复性（普通性）：在一瞬间，事件或者发生，或者不发生，不可能有两个或两个以上的事件发生。37)(yYP用)(jEyYp表示第j个潜在震源区发生震级为omM的地震时，场点的地震动Y超过给定值y的概率，)(jEyYp可以利用强震地震学的有关理论（衰减关系），结合不同的震源类型来具体确定。用)(jEP表示第j个潜在震源区发生震级为omM的地震的概率，两事件)(jE和)(yY同时发生时，场点的地震动超过给定值的事件才能发生，由概率的乘法定理))()()((BPBAPABPjE和yY同时发生的概率jEyYP)(，即第j个震源引起的场点的地震动Y超过给定值y的概率)(yYPj可表达为：地震危险性分析要求给出一场地遭遇到超过地震动(加速度、速度、位移、反应谱等)给定值的概率，或称为超越概率38假定：各潜在震源区是相互独立的，即：相互之间无关系，任何两个潜在震源区不能同时发生地震，则由全概率公式)()()(1AiPAiBPBPni，对N个潜在震源区，场点地震动Y超过给定值y的概率为：)()(jjEyYPyYP)(jEP(1)NjjjEPEyYPyYP1)()()((2)设j为第j个潜在震源区发生omM的地震年平均次数，为所有潜在震源区发生omM的地震的年平均次数，则：njj1由此，依据古典概率，在第j个潜在震源区发生omM的地震的概率为：jjEP)((3)由(3)式，(2)式可以写成:39由(3)式，(2)式可以写成:NjjjEyYPyYP1)()(NjjjEyYP1)(1(4)依据问题提出的假定,未来地震的发生为一具有平均发生率为的泊松过程。即假定未来地震事件在时间和空间上是独立无关的。各潜在震源每发生一次omM的地震