近斷層長(zhǎng)周期地震動(dòng)前向性效應(yīng)對(duì)峰值影響研究

李新樂(lè)，竇慧娟，王豐

（大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連 116605）

近斷層長(zhǎng)周期地震動(dòng)前向性效應(yīng)對(duì)峰值影響研究

李新樂(lè)，竇慧娟，王豐

（大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連 116605）

篩選了斷層距不大于15 km的具有前向性效應(yīng)的長(zhǎng)周期近斷層地震記錄，分類匯總建立了統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)樣本庫(kù)，對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的豎向分量和水平向分量峰值比進(jìn)行了分析，研究了震級(jí)、脈沖周期、不同分量對(duì)峰值加速度比的影響。在此基礎(chǔ)上，采用前期建立的回歸分析模型，對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)豎向分量和水平向兩個(gè)分量的峰值加速度進(jìn)行了回歸分析，擬合給出了峰值參數(shù)與震級(jí)和斷層距的衰減關(guān)系式，通過(guò)擬合曲線與數(shù)據(jù)樣本的峰值實(shí)測(cè)值對(duì)比，說(shuō)明擬合關(guān)系式在一定的范圍內(nèi)可以用于近斷層長(zhǎng)周期地震峰值的預(yù)測(cè)。

近斷層地震動(dòng);長(zhǎng)周期脈沖;前向性效應(yīng);峰值加速度

中國(guó)幅員遼闊，地震帶眾多，地震運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性遠(yuǎn)超出我們想象。在近斷層區(qū)（斷層距不大于15 km），前向性效應(yīng)和大幅值豎向分量是近斷層地震動(dòng)顯著區(qū)別于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的特征。前向性效應(yīng)（Forward Directivity Effect）多見(jiàn)于走滑斷層機(jī)制的地震［1－2］，是指斷層破裂傳播指向場(chǎng)地，且斷層滑動(dòng)方向與場(chǎng)地在一條直線上，在“指向場(chǎng)地”觀測(cè)記錄中往往表現(xiàn)為大幅值、長(zhǎng)周期脈沖存在，而在背向場(chǎng)地方向記錄則出現(xiàn)低幅值特征。由于距離發(fā)震斷層較近，地震能量的傳播在各個(gè)方向并不相同，近斷層地震前向性效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)震害影響不容忽視。在建立長(zhǎng)周期脈沖近斷層數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，有必要對(duì)近斷層地震動(dòng)峰值特性進(jìn)行研究，分析其變化規(guī)律。

1 近斷層長(zhǎng)周期地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)及分析模型建立

近斷層長(zhǎng)周期地震記錄來(lái)自于http://peer.berkeley.edu/smcat，這些記錄均滿足以下特征:

①矩震級(jí)M≥4.5;

②斷層距R≤15 km;

③臺(tái)站的場(chǎng)地平均剪切波速＞180 m·s－1;

④記錄的至少一個(gè)水平向分量峰值加速度值≥20 m·s－2;

⑤脈沖周期TP≥1.0 s。

參照以上標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)選出了具有長(zhǎng)周期脈沖的82組記錄作為統(tǒng)計(jì)分析的樣本庫(kù)（見(jiàn)表1），本文采用UBC97給出斷層距來(lái)表示這一影響距離，參見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。

表1 近斷層地震動(dòng)長(zhǎng)周期記錄統(tǒng)計(jì)表組

由表1可見(jiàn)，近斷層地震動(dòng)由于前向性效應(yīng)存在，導(dǎo)致脈沖周期較長(zhǎng)。前向性效應(yīng)隨著地震震級(jí)的增大，近斷層脈沖效應(yīng)愈加明顯，特別是對(duì)于大震級(jí)破壞性地震而言，長(zhǎng)周期脈沖效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期大跨結(jié)構(gòu)破壞作用將呈放大趨勢(shì)。

結(jié)合工程常用模型，本文建立了如下形式的近斷層地震動(dòng)衰減模型來(lái)研究近斷層地震動(dòng)分量的峰值變化規(guī)律:式中，Y為地震動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù);M為矩震級(jí);R為斷層距，即臺(tái)站到斷層平面投影的距離，單位為km; σ為預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之間的殘差;c1，c2，c3為回歸系數(shù)。

統(tǒng)計(jì)分析方法采用一階段回歸方法（最小二乘法）進(jìn)行峰值參數(shù)特征的研究，最小二乘方法要求樣本滿足的條件為

2 豎向分量與水平向分量峰值比分析

由于前效應(yīng)性的影響，斷層破裂能量的擴(kuò)散方向呈不均勻狀，導(dǎo)致地震動(dòng)水平向兩個(gè)分量特性差異較大，加之近斷層豎向分量也區(qū)別于近場(chǎng)地震動(dòng)。豎向與水平向分量峰值加速度PGA （Peak Ground Acceleration）之比見(jiàn)表2。統(tǒng)計(jì)中采用按豎向與水平向極大分量V/HPGA極大值、豎向與水平向極小分量V/HPGA極小值、豎向與兩水平分量均值V/H分別進(jìn)行匯總。

表2 峰值加速度PGA比值

由表2可得:

（1）震級(jí)對(duì)豎向與水平向峰值加速度比影響不同。中小震級(jí)峰值加速度比達(dá)到0.856和0.83，遠(yuǎn)大于目前規(guī)范的一般取值（0.65）［4］，大震級(jí)則為0.663，接近現(xiàn)行規(guī)范取值。但是對(duì)于近斷層長(zhǎng)周期地震動(dòng)所有記錄的峰值加速度比（0.783）則較現(xiàn)行取值0.65大約17.4%，說(shuō)明長(zhǎng)周期近斷層地震動(dòng)豎向分量更顯著，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這種放大效應(yīng)。

（2）近斷層地震動(dòng)水平向兩個(gè)分量峰值加速度有顯著差異。從表2中（②/①）×100%和（②/①）×100%均值可見(jiàn)，峰值加速度PGA極大值顯著大于PGA極小值，二者相差最小為112.1%，中震級(jí)峰值加速度兩分量差值也在20 %以上，小震級(jí)和大震級(jí)則相差30%以上，即使將三個(gè)震級(jí)所有記錄進(jìn)行平均，兩水平向分量峰值加速度相差也在30%以上（130.4%）。這表明，由于前向性效應(yīng)存在，導(dǎo)致的地震能量在兩個(gè)垂直方向上的分布很不均勻，加速度峰值顯著差異。

（3）脈沖周期與峰值加速度的關(guān)系。由于小震級(jí)僅有1～2 s的脈沖存在，峰值加速度比值與脈沖周期關(guān)系尚不能確定;對(duì)于中震級(jí)范圍，脈沖周期在2～4 s的峰值加速度比要顯著大于1～2 s的比值，由于脈沖周期在4～6 s范圍內(nèi)的近斷層地震記錄僅有2組，所以該范圍的峰值加速度比值有待進(jìn)一步研究;對(duì)于大震級(jí)近斷層地震，峰值加速度V/H比值隨著脈沖周期的增大呈增大趨勢(shì)（從0.576增大到0.759），具有一定的相關(guān)性。

（4）脈沖周期與水平向兩個(gè)分量的關(guān)系。中震級(jí)長(zhǎng)周期近斷層地震的兩水平分量峰值加速度隨著脈沖周期的增大而增大（4～6 s記錄少暫不做考慮）。但大震級(jí)長(zhǎng)周期近斷層地震動(dòng)兩水平分量峰值加速度則呈下降趨勢(shì)（從139.2%到122.8%），說(shuō)明大震級(jí)兩水平分量峰值加速度趨于一致。經(jīng)分析原始記錄發(fā)現(xiàn)，大震級(jí)長(zhǎng)周期地震記錄兩水平分量均存在顯著脈沖，而大脈沖的存在不但與震級(jí)有關(guān)，同時(shí)受到場(chǎng)地條件的影響也較大，由于本研究沒(méi)有區(qū)分場(chǎng)地類型，因此可以認(rèn)為，雖然近斷層地震的前向性效應(yīng)存在，但由于場(chǎng)地類型偏軟，地層介質(zhì)對(duì)地震波的傳播在各個(gè)方向上趨于一致，前向性效應(yīng)影響減小，導(dǎo)致近斷層大震長(zhǎng)周期地震動(dòng)兩水平分量峰值加速度差異減?。?－6］。

3 豎向分量峰值加速度回歸分析

近斷層長(zhǎng)周期地震動(dòng)豎向分量峰值加速度PGA、峰值速度PGV和峰值位移PGD，以收集到的近斷層數(shù)據(jù)表1樣本為基礎(chǔ)，由式1衰減關(guān)系式對(duì)豎向峰值加速度進(jìn)行回歸分析，擬合的參數(shù)見(jiàn)表3。擬合曲線和地震動(dòng)豎向峰值加速度對(duì)比結(jié)果如圖1—圖3。

表3 豎向地震動(dòng)峰值回歸結(jié)果

圖1 小震級(jí)豎向峰值加速度擬合結(jié)果（M=5.8）

圖2 中震級(jí)豎向峰值加速度擬合結(jié)果（M=6.7）

圖3 大震級(jí)豎向峰值加速度擬合結(jié)果（M=7.5）

由表3和圖1—圖3可見(jiàn):

（1）隨著斷層距的增大，豎向分量峰值加速度總體呈減小趨勢(shì)，大震級(jí)豎向峰值加速度減小趨勢(shì)顯著。

（2）中震級(jí)峰值加速度離散型較大，但均值達(dá)到0.368 g，顯著大于大震級(jí)長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)。

（3）豎向峰值速度隨著震級(jí)增大顯著增大，大震級(jí)豎向峰值速度均值為小震級(jí)的3倍以上。

（4）豎向峰值位移隨震級(jí)增大趨勢(shì)變化更加顯著，大震級(jí)峰值地面位移達(dá)到25.85 cm，說(shuō)明近斷層長(zhǎng)周期地震動(dòng)由于前向性效應(yīng)影響而顯著增大地面位移量值，因此易造成高聳大跨度結(jié)構(gòu)的破壞。

4 長(zhǎng)周期水平分量峰值加速度回歸分析

一般情況下，地震動(dòng)水平分量包含相互垂直的兩個(gè)分量組成，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)（斷層距大于15 km）地震動(dòng)，由于傳播距離遠(yuǎn)，破裂斷層的特性對(duì)水平向兩分量的峰值加速度的影響相對(duì)較小，但是對(duì)于斷層距小于15 km范圍內(nèi)場(chǎng)地內(nèi)的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于距離發(fā)震斷層較近甚至跨越發(fā)震斷層，斷層破裂效應(yīng)對(duì)兩水平向分量影響不能忽略［7］，根據(jù)表2和表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果，需分別對(duì)兩水平向分量進(jìn)行擬合。

回歸分析中的極大值、極小值和均值分別為兩水平分量的峰值加速度的較大值、較小值和二者均值，同樣采用式（1）衰減關(guān)系式對(duì)水平向峰值加速度進(jìn)行分析，回歸擬合參數(shù)見(jiàn)表4。

擬合曲線和實(shí)際記錄峰值加速度對(duì)比結(jié)果如圖4—圖6。

表4 水平向地震動(dòng)峰值回歸結(jié)果

圖4 小震級(jí)峰值加速度預(yù)測(cè)值比較（M=5.8）

圖5 中震級(jí)峰值加速度預(yù)測(cè)值比較（M=6.7）

圖6 大震級(jí)峰值加速度預(yù)測(cè)值比較（M=7.5）

由表4、圖4—圖6可得:

（1）隨著斷層距增大，長(zhǎng)周期地震動(dòng)峰值加速度呈降低趨勢(shì)，并且隨著震級(jí)增大，峰值加速度的減小趨勢(shì)更加明顯。

（2）由于前向性效應(yīng)存在，水平向峰值加速度極大值與極小值回歸曲線在同一震級(jí)的情況下相差較大，說(shuō)明對(duì)于近斷層地震動(dòng)由于長(zhǎng)周期脈沖效應(yīng)存在，兩水平向分量對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)影響顯著不同，即方向性效應(yīng)明顯，抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮這種差異，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中宜合理確定近斷層長(zhǎng)周期地震動(dòng)輸入方向。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)周期大于1.0 s的長(zhǎng)周期地震動(dòng)峰值分析得到以下結(jié)果:

（1）具有前向性效應(yīng)的近斷層地震的豎向與水平向峰值比（0.783）顯著大于現(xiàn)行規(guī)范取值（0.65） 20%以上，甚至超過(guò)1.0。在近斷層區(qū)結(jié)構(gòu)地震分析中建議提高峰值比至0.78。

（2）具有前向性效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)的豎向峰值加速度隨震級(jí)增大呈增大趨勢(shì)，隨斷層距增大而減小，豎向峰值加速度均值為0.254 g。

（3）具有前向性效應(yīng)的近斷層地震動(dòng)水平向峰值加速度極大值和極小值存在較大差異，在近斷層區(qū)結(jié)構(gòu)計(jì)算中建議采用極大值進(jìn)行地震響應(yīng)分析。水平向峰值加速度隨震級(jí)增大而增大和隨斷層距衰減的量化結(jié)果需待進(jìn)一步研究，但采用各震級(jí)區(qū)統(tǒng)計(jì)均值進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算則偏于不安全。

［1］ANDREW S W.U.S.－Japan workshop on the effects of near－fault earthquake shaking［C］.San Francisco，California，2000.

［2］李新樂(lè)，朱晞.考慮震源機(jī)制和場(chǎng)地的近斷層地震動(dòng)的研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，12（2）:141－147.

［3］李新樂(lè).近斷層區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震與抗震性能研究［D］.北京交通大學(xué)，2005.

［4］GB50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］姜慧，黃劍濤，俞言祥，等.地表破裂斷層近場(chǎng)速度大脈沖研究［J］.華南地震，2009，29（2）:1－9.

［6］劉啟方，金星，丁海平.復(fù)雜場(chǎng)地條件下震源參數(shù)對(duì)斷層附近長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008，51（1）:186－196.

［7］徐龍軍，胡進(jìn)軍，謝禮立.特殊長(zhǎng)周期地震動(dòng)的參數(shù)特征研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2008，28（6）:20－27.

Study on Influence on Peak Value of Forward Directivity Effect for Near－fault Earthquake Ground Motions

LI Xin－le，DOU Hui－juan，WANG Feng
（School of Civil Engineering and Architecture，Dalian Nationalities University，Dalian 116605，China）

Based on selected near－fault earthquake records characterized by forward directivity effect within 15km of fault projective distance，the long－period pulse near－fault ground motions database is constructed.The influence on the peak value acceleration ratios of vertical component and horizontal components by earthquake magnitude，pulse period and different component is analyzed.By means of the established regressed model，the attenuation relationships of the peak ground motion acceleration for the vertical component and horizontal components of near－fault long－period earthquake records are constructed.The main effect factors on the peak ground motions are discussed.The results show that the earthquake magnitude and fault distance have directly influence on the peak value.Comparing with the peak values of near－fault longperiod ground motions records，we show that the regression curve can be used to the peak ground acceleration for structure located in near－fault zone.

near－fault ground motions;long－period pulse;forward directivity effect;peak ground motions acceleration

P315.9

A

1009－315X（2012）03－0251－05

2012－01－02;最后

2012－02－08

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（DC10040115）。

李新樂(lè)（1973－），男，河北保定人，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)抗震研究。

（責(zé)任編輯 鄒永紅）