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在土木工程领域，场地地震效应以及地震动特性一直是工程抗震的热点研究课题。强震动记录及台站场地信息作为可靠的现场资料，为研究场地地震传播及地震动特性提供了依据。近年来的几次大地震动，如2008年汶川地震、2011年东日本大地震中均出现了相当数量含有形如“毛刺”的尖峰波形的强震记录，这类记录在之前的强震记录中从未如此普遍地出现过，其地面峰值加速度（PGA）通常由“毛刺”所致。此类强震动的形成原因如何、有何特点以及对结构有何影响等成为备受关注的问题。为此，论文针对此类地震动的形成机理、工程特性及其对结构的影响展开研究，主要工作和结论包括：
①以东日本大地震强震记录为数据基础，研究了广泛存在尖峰波形的强震动的幅值、PGA放大系数，频谱等方面特征，发现：此类记录PGA明显超过了按现有的衰减规律估计的数值，且“毛刺”部分的幅值表现为突然增大，“毛刺”中的高频或中高频成分放大效应显著；结合现有尖峰波形产生机理和东日本大地震广泛存在的尖峰波形强震动的特点，排除了其他可能产生尖峰波形的原因，发现砂土层的剪胀性及孔隙水压力作用是造成东日本大地震中广泛存在含有尖峰波形强非线性响应的地震动记录的主要原因。
②采用可同时考虑场地砂土层的剪胀性和孔隙水压力的非线性本构模型，对东日本大地震记录到典型尖峰强震记录的两个台站（MYGH04和小名滨港）的场地精细化建模，模拟了土层地震波传播，准确重现了地表记录的水平尖峰加速度、反应谱及其高频成分放大情况，并从土层内部揭示了加速度尖峰的产生机理是由砂土层发生剪胀而触发循环流动效应（剪胀性循环流动效应）所导致。
③基于土层地震波传播模拟的结论，利用水平尖峰加速度“毛刺”和砂土层剪胀性循环流动效应的关联性，提出了基于支持向量机的从大量地表记录中快速识别出场地发生了显著剪胀性循环流动效应记录的指标和方法，成功地将K-NET和KIK-net台网记录分成两类：受剪胀性循环流动效应影响显著的记录（DCM记录）和未发生剪胀性循环流动效应或者此效应不明显的记录（NDCM记录）。
④以DCM、NDCM两类强震记录为研究对象，重点研究地震动幅值、频谱和非平稳特性，探究剪胀性循环流动效应对地震动特性的影响。结果表明：幅值衰减特性方面，总体上DCM各类幅值都要大于NDCM记录，衰减也更缓慢，在断层距50～200公里范围，DCM与NDCM记录PGA比值为2.5～5.5，PGV比值为2～3.5，EPA比值为2.5～5.8，EPV比值为1.5～2.7,Arias强度比值为5～17；频谱特性方面，对比两类记录H/V谱比表明：DCM记录总体上比NDCM记录在频域的放大倍数大，对于Ⅱ类场地最显著的差异在0～5Hz范围，在3Hz左右前者最大是后者的1.7倍，对于Ⅲ类场地最明显的差异在0～3Hz范围，在1Hz左右前者最大是后者的1.8倍。DCM记录相比于NDCM记录Tg更小而βmax更大，两类记录的反应谱对比显示，DCM记录对周期小于1s的结构影响更明显，对周期大于2s的结构两类记录的影响没有明显差别；频率非平稳特性方面，DCM记录的高频成分频率更高，瞬时频率衰减更加缓慢。分析并对比两类记录以及液化场地记录的瞬时谱比表明：DCM、NDCM和液化场地记录的场地瞬时频率存在显著差异，场地瞬时频率的不同变化规律也可以作为识别此三类记录的参考指标。
⑤选择典型的DCM和NDCM强震记录作为地震动输入，设计了三种不同周期结构，以考察两类地震动对结构反应的影响。结构弹塑性时程分析表明：尖峰加速度对短、中长周期结构反应影响明显，DCM地震波输入下的结构最大层剪力层位移响应是NDCM输入情况的2倍左右，结构的损伤也更加严重；尖峰加速度对长周期结构整体反应无明显影响，DCM地震波输入下的结构最大层剪力层位移响应与NDCM记录输入情况基本一致，仅对结构顶部反应存在轻微放大的作用。
⑥分别将滤除“毛刺”前后的尖峰记录作为地震波输入，分析“毛刺”部分对结构时程反应的影响，结果显示：尖峰记录的“毛刺”对短周期结构时程反应影响较大，“毛刺”滤除前输入下的响应、损伤程度和能量都要大于滤除后，且最大时程反应与输入地震波“毛刺”出现时刻一致，表明结构的最大反应是由“毛刺”引起的。尖峰记录的“毛刺”对长周期结构的反应及损伤程度没有明显影响。
论文的创新点可归纳为：
①发现砂土层的剪胀性及超孔隙水压力作用是造成东日本大地震中广泛存在含有尖峰波形强非线性响应的地震动记录的主要原因。对两个典型的记录到含尖峰波形强震动的台站的场地进行精细化建模，模拟了土层地震波传播，准确重现了地表记录的尖峰加速度、反应谱及其高频显著放大情况，并从土层内部揭示了尖峰波形的产生机理是由砂土层的剪胀性循环流动效应所导致。
②提出了从大量地表加速度记录中快速识别出场地发生了显著剪胀性循环流动效应的记录的指标和方法，成功地将K-NET和KIK-net台网东日本大地震记录分成了DCM和NDCM记录两类。
③全面对比了DCM、NDCM两类记录的幅值、频谱及非平稳特性的差异，探究了场地发生剪胀性循环流动对地震动特性和不同周期结构地震反应的影响。
④基于非平稳特性研究成果，提出了利用地表地震记录的瞬时谱比来精准识别场地发生剪胀效应的方法，该方法还可同时识别场地液化及未发生剪胀的情况。
①以东日本大地震强震记录为数据基础，研究了广泛存在尖峰波形的强震动的幅值、PGA放大系数，频谱等方面特征，发现：此类记录PGA明显超过了按现有的衰减规律估计的数值，且“毛刺”部分的幅值表现为突然增大，“毛刺”中的高频或中高频成分放大效应显著；结合现有尖峰波形产生机理和东日本大地震广泛存在的尖峰波形强震动的特点，排除了其他可能产生尖峰波形的原因，发现砂土层的剪胀性及孔隙水压力作用是造成东日本大地震中广泛存在含有尖峰波形强非线性响应的地震动记录的主要原因。
②采用可同时考虑场地砂土层的剪胀性和孔隙水压力的非线性本构模型，对东日本大地震记录到典型尖峰强震记录的两个台站（MYGH04和小名滨港）的场地精细化建模，模拟了土层地震波传播，准确重现了地表记录的水平尖峰加速度、反应谱及其高频成分放大情况，并从土层内部揭示了加速度尖峰的产生机理是由砂土层发生剪胀而触发循环流动效应（剪胀性循环流动效应）所导致。
③基于土层地震波传播模拟的结论，利用水平尖峰加速度“毛刺”和砂土层剪胀性循环流动效应的关联性，提出了基于支持向量机的从大量地表记录中快速识别出场地发生了显著剪胀性循环流动效应记录的指标和方法，成功地将K-NET和KIK-net台网记录分成两类：受剪胀性循环流动效应影响显著的记录（DCM记录）和未发生剪胀性循环流动效应或者此效应不明显的记录（NDCM记录）。
④以DCM、NDCM两类强震记录为研究对象，重点研究地震动幅值、频谱和非平稳特性，探究剪胀性循环流动效应对地震动特性的影响。结果表明：幅值衰减特性方面，总体上DCM各类幅值都要大于NDCM记录，衰减也更缓慢，在断层距50～200公里范围，DCM与NDCM记录PGA比值为2.5～5.5，PGV比值为2～3.5，EPA比值为2.5～5.8，EPV比值为1.5～2.7,Arias强度比值为5～17；频谱特性方面，对比两类记录H/V谱比表明：DCM记录总体上比NDCM记录在频域的放大倍数大，对于Ⅱ类场地最显著的差异在0～5Hz范围，在3Hz左右前者最大是后者的1.7倍，对于Ⅲ类场地最明显的差异在0～3Hz范围，在1Hz左右前者最大是后者的1.8倍。DCM记录相比于NDCM记录Tg更小而βmax更大，两类记录的反应谱对比显示，DCM记录对周期小于1s的结构影响更明显，对周期大于2s的结构两类记录的影响没有明显差别；频率非平稳特性方面，DCM记录的高频成分频率更高，瞬时频率衰减更加缓慢。分析并对比两类记录以及液化场地记录的瞬时谱比表明：DCM、NDCM和液化场地记录的场地瞬时频率存在显著差异，场地瞬时频率的不同变化规律也可以作为识别此三类记录的参考指标。
⑤选择典型的DCM和NDCM强震记录作为地震动输入，设计了三种不同周期结构，以考察两类地震动对结构反应的影响。结构弹塑性时程分析表明：尖峰加速度对短、中长周期结构反应影响明显，DCM地震波输入下的结构最大层剪力层位移响应是NDCM输入情况的2倍左右，结构的损伤也更加严重；尖峰加速度对长周期结构整体反应无明显影响，DCM地震波输入下的结构最大层剪力层位移响应与NDCM记录输入情况基本一致，仅对结构顶部反应存在轻微放大的作用。
⑥分别将滤除“毛刺”前后的尖峰记录作为地震波输入，分析“毛刺”部分对结构时程反应的影响，结果显示：尖峰记录的“毛刺”对短周期结构时程反应影响较大，“毛刺”滤除前输入下的响应、损伤程度和能量都要大于滤除后，且最大时程反应与输入地震波“毛刺”出现时刻一致，表明结构的最大反应是由“毛刺”引起的。尖峰记录的“毛刺”对长周期结构的反应及损伤程度没有明显影响。
论文的创新点可归纳为：
①发现砂土层的剪胀性及超孔隙水压力作用是造成东日本大地震中广泛存在含有尖峰波形强非线性响应的地震动记录的主要原因。对两个典型的记录到含尖峰波形强震动的台站的场地进行精细化建模，模拟了土层地震波传播，准确重现了地表记录的尖峰加速度、反应谱及其高频显著放大情况，并从土层内部揭示了尖峰波形的产生机理是由砂土层的剪胀性循环流动效应所导致。
②提出了从大量地表加速度记录中快速识别出场地发生了显著剪胀性循环流动效应的记录的指标和方法，成功地将K-NET和KIK-net台网东日本大地震记录分成了DCM和NDCM记录两类。
③全面对比了DCM、NDCM两类记录的幅值、频谱及非平稳特性的差异，探究了场地发生剪胀性循环流动对地震动特性和不同周期结构地震反应的影响。
④基于非平稳特性研究成果，提出了利用地表地震记录的瞬时谱比来精准识别场地发生剪胀效应的方法，该方法还可同时识别场地液化及未发生剪胀的情况。