[发明专利]一种盆山耦合场地地震动的三维数值模拟方法

说明书

本发明属于地震模拟技术领域，具体涉及一种盆山耦合场地地震动的三维数值模拟方法，包括S1、建立盆山耦合场地三维地震动计算模型图；S2、在模型图中引入虚拟的半椭球面，将地形划分为闭合域和开口域，同时，将总波场分解为自由波场和散射波场；S3、利用全空间格林函数模拟闭合域内的散射波场；S4、利用半空间动力格林函数模拟开口域内的散射波场；S5、利用直接刚度法对开口域的自由波场进行求解；S6、设置边界条件，建立原盆山耦合地形模型，并求解整体方程组。与现有技术相比，本发明充分使用全空间和半空间格林函数进行求解，在保证计算精度的同时显著地提高了求解效率，同时，在并行计算方面还能快速求得问题的解。

技术领域

本发明属于地震模拟技术领域，具体涉及一种盆山耦合场地地震动的三维数值模拟方法。

背景技术

近年来全球大地震频发，其高风险性加剧了工程中对场地条件复杂地区精确可靠地震动参数及其分布特征的需求，一方面，我国西南、西北、华北和东南沿海地区的众多城市位于地震背景发育的复杂场地，另一方面，众多超高复杂建筑、重大交通工程和大型水利设施等不断涌现，此类工程多位于场地条件复杂的高烈度地区且投资巨大。而多次地震观测和震害调查已证实了复杂场地条件对地震动有着显著的影响。1997年意大利中部城市Umbria-Marche地震对距震中以南15km的小镇造成了严重损害，该地区位于San Salvatore山脉与Verchiano盆地的过渡地带，对地震的放大作用明显，地震使得大量建筑物倒塌并造成人员伤亡。盆山耦合作为一种典型的复合地形，地震波在山体和盆地之间发生多次散射，其相干效应十分复杂，某些区域可能会成为能量汇聚的“焦点”，从而造成地震动的显著放大。

在复杂场地地震效应的理论计算中，盆山耦合地形可视为凸起地形和沉积谷地的组合。目前，对于复杂场地的研究主要集中在单一地形复杂场地反应方面，但是凸起(山体)和盆地(沉积)多以复合形式存在，且调查表明实际场地中相邻不规则地形之间的相互作用是不可忽略的，而针对盆山耦合复杂场地三维地震动数值模拟的方法还较为欠缺。

因此，为适应工程上对地震动参数及其分布特征的实际需求，有必要对三维盆山地形地震效应的数值模拟方法展开研究，从而指导场地条件复杂地区的震害预测、地震区划和重大工程的抗震设防等工作。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种盆山耦合场地地震动的三维数值模拟方法，通过该方法在保证计算精度的同时显著提高了求解效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种盆山耦合场地地震动的三维数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、建立盆山耦合场地三维地震动计算模型图；

步骤2、在模型图中的不规则散射体附近引入一个虚拟的半椭球面，使所有的不规则体包含在半椭圆球面内，将地形划分为两个凸起的闭合域、沉积闭合域、不规则边界与虚拟椭球面形成的附加闭合域以及开口域，同时，将总波场分解为自由波场和散射波场，其中，所述自由波场为从基岩界面入射P波、SV波和SH波时产生的动力响应，所述散射波为由于凸起、沉积谷地和附加区域的存在而产生的附加的波场；

步骤3、利用全空间格林函数模拟闭合域内的散射波场；

步骤4、利用半空间动力格林函数模拟开口域内的散射波场；

步骤5、利用直接刚度法对开口域的自由波场进行求解；

步骤6、设置边界条件，建立原盆山耦合地形模型，并求解整体方程组。