考虑潟湖影响的岛礁场地地震反应分析

刘晶波 宝鑫 李述涛 赵启明 王菲 王东洋

摘要：建立简化的岛礁-潟湖-海水系统地震反应分析模型，重点分析考虑潟湖影响下岛礁场地的地震反应规律。研究结果表明，潟湖对岛礁临湖侧水平向地震反应的放大作用较为显著，考虑潟湖影响时临湖侧角点的峰值加速度是不考虑潟湖影响时该点峰值加速度的138.6%;随着潟湖水深的增加，临湖侧的地震反应进一步增大;入射波经岛礁-潟湖-海水系统传至礁坪时，中周期的频率成分被过滤，反应谱峰值有向短周期方向移动的趋势。本文研究结果可为进一步确定岛礁场地地震参数提供参考。

关键词：岛礁;潟湖;地震波输入;场地地震反应;人工边界

中图分类号：TP391.92;P315.31文献标志码：B

0 引言

南海岛礁位于环太平洋地震带西侧，岛上建筑面临严峻的地震灾害风险。作为岛礁工程抗震设计的基础，岛礁场地的地震反应问题逐渐受到重视。胡进军等探讨南海岛礁场地地震安全性研究涉及的关键问题，并分别利用一维土层反应分析模型和浅部岛礁工程地质二维剖面模型，进行地震波垂直入射下岛礁地震反应研究;陈国兴等考虑珊瑚砂的动力非线性特性和近场截断处的人工边界条件，利用珊瑚岛礁浅部二维地震反应分析模型，研究岛礁场地地震峰值加速度放大规律和地表加速度反应谱等。刘晶波等开发一种可模拟无限海水层波动辐射效应的流体介质人工边界，并提出适用于岛礁-海水系统地震波输入的人工边界子结构法，建立岛礁-海水系统地震反应分析模型，在验证其准确性的基础上研究P波和SV波垂直入射下典型岛礁场地的地震反应规律。但是，以往研究中均未考虑潟湖对岛礁场地地震反应的影响。根据文献，多数南海岛礁顶部均存在开放或封闭式的潟湖，潟湖水深一般为5-30m。在地震作用下，岛礁地震反应可能受潟湖地形和湖水动力耦合作用的影响，有必要对其进行系统研究。

鉴于此，在前人研究的基础上，建立简化的岛礁-潟湖-海水系统地震反应分析模型，分析其在SV波垂直入射下的地震反应，并评价潟湖对岛礁场地地震反应的影响。

1 模型与方法

1.1无限域流体和固体介质模拟

结合文献[10-13]，建立局部成层的岛礁-潟湖-海水系统近场有限元模型，见图1。岛礁礁体介质的材料和几何参数见表1，潟湖水深为15m，宽度为2400m。固体与流体介质分别采用通用有限元软件ANSYS中的SOLID45和FLUID80单元模拟，通过耦合流-固界面的法向自由度模拟岛礁-海水和岛礁-潟湖之间的相互作用。此外，作为一种外源激励下的开放系统，除流-固耦合效应外，岛礁场地的地震反应模拟还涉及2个关键环节：一是无限域流体和固体介质波动辐射效应的模拟，二是地震波输入。刘晶波等在前期研究中提出一种空间解耦的流体介质人工边界条件，并验证其在岛礁一海水系统地震反应分析中的适用性和计算精度。本文采用该流体介质人工边界模拟无限海水层的波动辐射效应，利用文献推荐的基于ANSYS的COMBIN40单元建立模型。同时，采用一致黏弹性人工边界单元模拟无限海床的波动辐射效应，流、固介质人工边界参数的确定原则与文献一致。

1.2 地震波输入方法

地震波是一种外源载荷，将其合理有效地输入计算系统是决定岛礁场地地震反应计算精度的关键环节。目前，地震波输入一般是将人射地震波转化为等效输入地震载荷，从而避免地震波输入过程影响人工边界条件对外行散射波的吸收作用。本文采用文献提出的人工边界子结构法进行岛礁-潟湖-海水系统的地震波输入，实施过程如下。

（1）参照文献，在岛礁-海水系统有限元模型中截取相对应的人工边界子结构模型，见图2。

（2）基于行波理论求解与人射波对应的自由波场。对人工边界子结构模型的节点分别施加相应的自由波场位移时程，并对该子结构模型进行动力分析，求得人工边界节点的反力，即为实现地震波输入的等效输入地震载荷。

（3）对岛礁-潟湖-海水系统有限元模型的人工边界节点施加由步骤（2）获得的等效输入地震载荷，完成岛礁场地的地震波输入，通过动力计算获得岛礁-潟湖-海水系统的地震反应。

选用Kobe波、Koceali波、Loma Prieta波和Northridge波（见图3）作为输入地震SV波，并将以上地震的峰值加速度调幅至1m/s²，此时与其相对应的平坦场地自由地表峰值加速度为2m/s²。采用人工边界子结构法将上述地震SV波垂直输入至岛礁-潟湖-海水系统有限元模型。

2 模拟结果与分析

2.1 加速度峰值放大效应

研究考虑潟湖影响的岛礁场地地震加速度峰值放大效应。建立几何和材料参数与原模型相同但不包含潟湖的岛礁-海水系统有限元模型作为对照，比较不同地震SV波垂直入射下島礁顶部的峰值加速度α_max计算模型和入射地震波均空间对称，因此仅需考察岛礁模型右端由临湖侧至临海侧地震波峰值加速度的空间分布情况，岛礁场地加速度的空间分布见图4。在地震SV波垂直入射下，岛礁顶部水平方向地震反应由临湖侧至临海侧呈先减小后增大的趋势，最大值出现在临湖侧或临海侧角点上，此时峰值加速度最大可达7.6m/s²;岛礁顶部竖向地震反应相对较小，分布也较为平缓，加速度峰值位于1.0m/s²附近。潟湖对岛礁临湖侧水平向地震反应的放大作用较为显著，考虑潟湖影响时临湖侧角点的峰值加速度是不考虑潟湖影响时该点峰值加速度的138.6%。

2.2 地表加速度反应谱分析

取测点A、B和C分别为岛礁顶部右侧礁坪的临湖角点、中点和临海角点。计算测点A、B和C的地表加速度反应谱，与相同地震波人射下平坦场地自由地表的加速度反应谱进行对比，结果见图5，其中β为动力因数。由此可见，岛礁顶部加速度反应谱均表现出单峰特征，由临湖侧至临海侧反应谱峰值呈增大趋势，且与平坦场地自由地表相比，反应谱峰值有向短周期方向移动的趋势，震动周期为0.2-0.3s时的谱加速度反应尤为显著，而当周期为0.4-1.7s时岛礁场地的谱加速度小于平坦场地自由地表，说明入射波经岛礁-海水系统传至礁坪时，中周期的频率成分有所减少。

2.3 潟湖深度对岛礁场地地震反应的影响

鉴于南海岛礁的潟湖水深存在较大差异，进一步研究潟湖水深对岛礁场地地震反应的影响。保持模型中其他参数不变，改变潟湖水深，令其分别为10、15、20和25m，比较不同模型计算得到的礁顶峰值加速度的空间分布，结果见图6。由此可见，潟湖水深对岛礁场地地震反应的影响仅限于临湖侧角点附近，影响区域的宽度一般不超过100m。随着潟湖水深的增加，临湖侧的地震反应增大，IOma Prieta波入射下该趋势尤为明显;当潟湖水深达25m时，临湖侧角点的加速度峰值最大可达9.0m/s²。

3 结论

基于前期的研究基础，建立简化的岛礁一潟湖一海水系统地震反应分析模型，重点研究考虑潟湖影响下岛礁场地的地震加速度放大效应和地表加速度反应谱特性，得到以下结论。

（1）在地震Sv波垂直入射下，岛礁顶部水平向地震反应由临湖侧至临海侧呈先减小后增大的趋势，潟湖对岛礁临湖侧水平向地震反应的放大作用较为显著，考虑潟湖影响时的临湖侧角点处的峰值加速度是不考虑潟湖影响时的138.6%。

（2）人射波经岛礁-海水系统传递至礁坪时，中周期的频率成分有所减少，礁坪处的反应谱峰值有向短周期方向移动的趋势。震动周期为0.2-0.3s时，谱加速度反应尤为显著。

（3）潟湖深度对岛礁场地地震反应的影响仅限于临湖侧角点附近，对于本文模型，影响区域的宽度一般不超过100m。随着潟湖水深的增加，临湖侧的地震反应增大。