不同加速度输入信号选择下土坝在极限状态下的非线性分析

《Soil Biology and Biochemistry》：Nonlinear analyses of earth dams at the ultimate limit state with different selection of acceleration input signals

土石坝的地震性能评估需采用非线性时程分析，但天然加速度记录不足及谱兼容性要求限制了分析精度。本文通过敏感性分析比较天然记录与模拟非平稳随机地面运动对沥青覆盖土石坝的影响，发现两种方法对自由board损失等损伤指标的影响显著不同，为工程安全评估提供新方法。

　　本文探讨了不同输入地震动对土石坝抗震性能评估的影响，特别是针对沥青护面的土石坝。地震动作为影响坝体安全的关键因素，其准确性和适用性在评估过程中至关重要。当前，非线性时程分析（NLTH）被认为是基于性能的评估方法中最真实和有效的手段。然而，这一方法的实施依赖于对地震动的充分表征，而地震动的获取和处理在实际应用中存在诸多挑战。

地震动的表征通常涉及谱兼容性，即所选地震波的平均谱与参考规范谱之间的差异应在特定周期范围内不超过规定的容差。此外，所选地震波还必须满足区域构造背景和地震源环境的兼容性要求。在某些情况下，还需要对自然地震波的缩放因子进行限制，例如在意大利，现行技术标准（NTD14 和 NTC18）要求缩放因子在 0.5 到 2 的范围内。然而，对于高重现期（如数千年的地震）所对应的极限状态，满足这些条件可能变得尤为困难。尽管近年来全球范围内地震波数据库的数量有所增加，但并非所有地震场景都能找到符合要求的自然地震波记录。因此，使用模拟地震波成为一种可行的替代方案，以弥补自然记录的不足。

模拟地震波的使用在国际上已得到认可，包括美国联邦紧急管理局（FEMA）的 P-65 指南，用于大型土石坝的地震分析。此外，欧洲规范 8 的当前草案也允许使用物理建模得到的模拟地震波和纯随机生成的模拟地震波，以匹配目标谱。通过模拟地震波，可以实现谱兼容性，前提是其基本的地震学特征得到保留。近年来，模拟策略的发展为区域地震动模型的构建提供了重要支持，显示出其在地震工程中的重要价值。

本文的重点是通过敏感性分析，探讨不同输入地震动对沥青护面土石坝抗震性能评估的影响。具体而言，研究采用了两种不同的方法来选择用于地震分析的加速度信号。第一种方法是从工程强震数据库（ESM）中获取自然记录，第二种方法则是采用由 Sabetta 等人开发的最新非稳态随机地震动模拟方法，并结合由 Fiorentino 等人开发的软件工具。所采用的模拟方法尚未在土石坝的抗震验证中进行测试，因此其在土石坝领域的应用是一个重要的创新点。

在研究过程中，两种方法所得到的加速度信号均被缩放，并与建筑规范谱以及更新后的统一地震危险谱（UHS）进行了比较。UHS 考虑了过去二十年在地震动模型（GMMs）方面的显著进展，相较于 MPS04 危险图，这些模型提供了更为精确的地震动特征。通过比较两种方法的分析结果，本文旨在为工程师和坝体管理者提供关于如何选择合适的输入地震动以确保坝体安全的指导。

为了全面理解坝体所处区域的地震危险性，研究考虑了该区域的历史和仪器观测数据。参考坝位于意大利南部，这一地区以高地震活动性著称。如图 1 所示，坝体所在位置靠近两个重要的正断层，即 ITIS077（Colliano）和 ITIS079（Pescopagano），这些断层的信息来源于个体地震源数据库。这一背景为后续的地震动分析提供了重要的地质依据。

参考坝的描述表明，该坝高约 15 米，最初建于 1930 年代，用于工业和灌溉目的。然而，在 1980 年代，该坝经历了重要的修复工程，其中包括大量原始材料的拆除和使用粗粒材料的重建，改变了坝的类型。这一历史背景使得坝体的材料特性和结构特性在评估过程中具有重要意义。

为了识别坝体的自然振动频率，研究在有限元模型的底部施加低幅度的白噪声信号，并通过在坝顶和坝体底部两点计算的加速度信号之间的传递函数来确定坝体的水平和垂直基本频率。这一过程不仅适用于坝体在满库和空库条件下的分析，也为后续的地震动输入提供了依据。研究强调，所施加的输入激励具有特定的特征，这些特征在分析过程中必须得到准确的表征。

通过比较不同输入地震动的分析结果，研究揭示了输入信号的选择对坝体抗震性能评估的影响。特别是在考虑坝体在不同地震动条件下的响应时，自然记录和模拟地震波的差异可能对最终的安全评估产生显著影响。因此，选择合适的输入信号对于确保坝体在地震作用下的安全性和稳定性至关重要。

研究还指出，尽管近年来在地震动模型方面取得了显著进展，但在实际应用中，找到符合所有谱兼容性要求的自然地震波记录仍然具有挑战性。尤其是在高重现期的地震场景下，自然记录的稀缺性使得模拟地震波成为一种重要的补充手段。通过使用模拟地震波，不仅可以满足谱兼容性的要求，还能提供更全面的地震动输入，以支持更精确的抗震分析。

综上所述，本文通过敏感性分析探讨了不同输入地震动对土石坝抗震性能评估的影响，特别是在考虑高重现期地震场景下的应用。研究结果表明，自然记录和模拟地震波在评估过程中各有优劣，而选择合适的输入信号对于确保坝体的安全性和稳定性具有重要意义。通过这一研究，为工程师和坝体管理者提供了在实际工程中如何合理选择和使用地震动输入的参考依据。