基于強震動記錄確定的場地卓越周期

陳永新 遲明杰 李小軍

1) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所 2) 中國太原030021山西省地震局 3) 中國北京100081中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室

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基于強震動記錄確定的場地卓越周期

1) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所 2) 中國太原030021山西省地震局 3) 中國北京100081中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室

本文介紹了3種根據(jù)場地強震動記錄獲取場地卓越周期的方法： ① 地表記錄的傅里葉譜分析法； ② 地表水平/垂直傅里葉譜比法； ③ 地表/地下傅里葉譜比法. 基于日本強震動觀測臺網(wǎng)KiK-net中兩個基巖臺站和兩個Ⅲ類場地臺站獲取的數(shù)百條強震動記錄， 分別使用上述3種方法確定場地的卓越周期， 并對比分析各種方法的優(yōu)缺點及其適用情況. 結(jié)果表明： 對于基巖場地， 由于記錄信息復(fù)雜， 局部場地條件對地震動影響較小， 地震動自身特性突出， 導(dǎo)致3種方法所得到的結(jié)果均比較分散； 對于土層場地， 場地條件影響比較顯著， 3種方法基本都可以得到一個較為準(zhǔn)確的數(shù)值； 但對于某些場地， 地表水平/垂直傅里葉譜比法所得結(jié)果存在不確定性， 相比之下， 地表/地下傅里葉譜比法則能給出一個更為準(zhǔn)確的場地卓越周期值.

強震動 場地條件 傅里葉譜比 卓越周期

引言

場地卓越周期是描述場地特性的重要指標(biāo)． 地表土層對不同周期的地震波有選擇放大作用， 致使在地震記錄圖上顯示某些周期的波形特別多且好， 即顯得“卓越”， 故稱為地震卓越周期(《巖土工程手冊》編寫委員會， 1994)． 確定場地卓越周期的方法有以下3種(童廣才， 劉康和， 2000): ① 當(dāng)場地內(nèi)有強震動記錄時， 通過頻譜分析確定； ② 由常時微動測試分析確定； ③ 根據(jù)場地分層剪切波速測試結(jié)果按其子層周期求和公式計算． 前兩種方法均是通過確定場地的地震動卓越周期以進一步確定場地的卓越周期． 高廣運等(2000)和陳鵬等(2009)將卓越周期分為記錄卓越周期Tr、 測試卓越周期Tm和波速卓越周期Tv．Tr為真實反應(yīng)地震動的卓越周期(利用地震動卓越周期間接反映場地卓越周期， 該周期也在不同程度上受到地震震源譜特性和區(qū)域地殼介質(zhì)對地震波傳播的影響)， 當(dāng)工程場地范圍內(nèi)有適宜的強震動記錄時， 抗震設(shè)計應(yīng)首選Tr;Tm為接近場地固有周期的卓越周期;Tv為與場地固有周期相比有一定誤差的卓越周期， 除非地基土層基本滿足均勻平行的條件， 否則應(yīng)盡量避免選用．

場地卓越周期在數(shù)值上與卓越頻率互為倒數(shù)， 因此卓越周期可由卓越頻率求倒得出． 目前日本強震動觀測臺網(wǎng)KiK-net記錄中既有場地地下記錄(NS1， EW1， UD1)， 也有地表記錄(NS2， EW2， UD2)， 因此對場地內(nèi)強震記錄通過頻譜分析確定其卓越頻率時可以采用以下3種方法： ① 地表記錄的傅里葉譜分析法； ② 地表水平/垂直傅里葉譜比法(Wenetal， 2006； 任葉飛等， 2013)； ③ 地表/地下傅里葉譜比法．

本文擬選取日本強震動觀測臺網(wǎng)中兩個基巖臺站和兩個Ⅲ類場地臺站的數(shù)百條記錄， 分別采用上述3種方法對兩個基巖臺站和兩個Ⅲ類場地臺站的卓越頻率進行分析， 并對比分析各種方法的優(yōu)缺點及其適用情況．

1 強震動數(shù)據(jù)

本文從日本強震動觀測臺網(wǎng)中選取了FKOH06和KGSH03兩個基巖臺站以及TCGH16和IBRH17兩個Ⅲ類場地臺站， 這些臺站分別有地表和相應(yīng)的地下觀測點， 各臺站分別獲得了大量的地震事件記錄． 在選擇臺站地震動記錄時， 對地震事件隨機選取， 但是需注意所選的地震動記錄峰值加速度的分布應(yīng)盡量能覆蓋各個等級． 最終用于本文研究的強震動記錄為： FKOH06臺站29次地震事件的地表和地下記錄， 共174條； KGSH03臺站25次地震事件的地表和地下條記錄， 共150條； TCGH16臺站45次地震事件的地表和地下記錄， 共270條； IBRH17臺站33次地震事件的地表和地下記錄， 共198條．

2 數(shù)據(jù)分析

首先使用ViewWave軟件讀取地震記錄， 該軟件默認(rèn)對記錄進行濾波和基線校正； 其次進行傅里葉變換， 分別繪制出各條記錄的傅里葉譜以及地表/地下和地表水平分量/垂直分量的傅里葉譜比曲線， 讀取傅里葉譜最大幅值以及傅里葉譜比曲線中譜比最大值所對應(yīng)的頻率值， 即為卓越頻率； 然后分別繪制出各場地經(jīng)上述3種方法分析得到的卓越頻率的散點分布圖； 最后對比卓越頻率的分布情況， 分析在確定場地卓越頻率時各方法的適用性．

圖1—6給出了FKOH06和KGSH03兩個基巖臺站所在場地的卓越頻率分布． 由圖1和圖4可以看出， 基巖臺站地下和地表記錄的3個分量的傅里葉譜卓越頻率分布均很分散． 由圖2和圖5可以看出， 臺站所在場地的地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布也都很分散． 由圖3和圖6可以看出， 場地的水平分量和垂直分量的地表/地下傅里葉譜比卓越頻率分布不同： 對于FKOH06臺站所在場地， 水平分量南北向和東西向卓越頻率分布比較分散， 而垂直分量卓越頻率分布相對集中； 對于KGSH03臺站所在場地則得到相反的結(jié)論． 綜上， 對于基巖場地卓越頻率， 上述3種方法所得結(jié)果均很分散， 無法給出一個準(zhǔn)確的卓越頻率值， 這表明基巖地震動的卓越周期主要反映的是地震震源譜特性和區(qū)域地殼介質(zhì)對地震波傳播的影響， 而局部基巖場地對地震動卓越周期的影響則不明顯．

圖1 基巖臺站FKOH06所在場地的地下(a)和地表(b)傅里葉譜卓越頻率分布圖中數(shù)字1和2分別表示地下和地表， 下同

圖2 基巖臺站FKOH06的地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布

圖3 基巖臺站FKOH06的地表/地下傅里葉譜比卓越頻率分布

圖4 基巖臺站KGSH03所在場地的地下(a)和地表(b)傅里葉譜卓越頻率分布

圖5 基巖臺站KGSH03的地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布

圖6 基巖臺站KGSH03的地表/地下傅里葉譜比卓越頻率分布

圖7—12為Ⅲ類場地臺站的卓越頻率分布圖. 由圖7和圖10可以看出: Ⅲ類場地臺站TCGH16和IBRH17地下記錄的3個分量的傅里葉譜卓越頻率分布比較分散； TCGH16臺站地表水平分量的傅里葉譜卓越頻率分布比較集中， 約為4.47 Hz, 而其垂直分量的傅里葉譜卓越頻率分布比較分散； IBRH17臺站地表水平分量和垂直分量的傅里葉譜卓越頻率分布均比較集中， 分別約為8.96 Hz和 10.26 Hz． 由圖8和圖11可以看出， TCGH16臺站所在場地的地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布比較集中， 約為4.53 Hz， 而IBRH17臺站所在場地則比較分散． 由圖9和圖12可以看出， TCGH16和IBRH17臺站所在場地的地表/地下傅里葉譜比卓越頻率分布均比較集中， 其所在場地的水平分量的地表/地下傅里葉譜比卓越頻率分別約為4.54 Hz和9.35 Hz， 相應(yīng)垂直分量約為11.29 Hz和11.39 Hz． 由上述結(jié)果可知： 對于TCGH16臺站所在場地， 3種方法均能給出一個相對確定的卓越頻率值， 分別為4.47 Hz， 4.53 Hz和4.54 Hz； 對于IBRH17臺站所在場地， 地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布比較分散， 而由地表記錄傅里葉變換所得到的卓越頻率為8.96 Hz， 由地表/地下傅里葉譜比法得到的卓越頻率為9.35 Hz．

圖7 TCGH16臺站所在場地的地下(a)和地表(b)傅里葉譜卓越頻率分布

圖8 TCGH16臺站的地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布

圖9 TCGH16臺站的地表/地下傅里葉譜比卓越頻率分布

圖10 IBRH17臺站所在場地的地下(a)和地表(b)傅里葉譜卓越頻率分布

Fig.10 The distribution of Fourier spectrum dominant frequency in the site of station IBRH17 on the underground (a) and surface (b)

圖11 IBRH17臺站的地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布

Fig.11 The distribution of surface horizontal/vertical Fourier spectral ratio dominant frequency in station IBRH17

圖12 IBRH17臺站的地表/地下傅里葉譜比卓越頻率分布

Fig.12 The distribution of surface/underground Fourier spectral ratio dominant frequency in station IBRH17

3 討論與結(jié)論

對于基巖臺站FKOH06和KGSH03所在場地， 由3種方法所得的卓越頻率分布均比較分散， 無法給出一個確定的數(shù)值， 初步認(rèn)為是由于場地巖層堅硬、 局部場地條件對地震動影響較小所致， 因此場地地表和地下記錄所體現(xiàn)的主要還是地震震源譜特性和區(qū)域地殼介質(zhì)對地震波傳播的影響， 而場地上不同地震的震源及地震波傳播路徑存在較大差異， 從而導(dǎo)致所得的場地卓越頻率分布比較分散．

對于Ⅲ類場地， TCGH16和IBRH17臺站所在場地的土層條件不同， 上述3種方法在具體場地的適用性也不同． 對于TCGH16臺站所在場地， 3種方法均能給出一個確定的卓越頻率數(shù)值， 且3種方法所得數(shù)值很接近． 對于IBRH17臺站的所在場地， 地表水平/垂直傅里葉譜比卓越頻率分布比較分散， 無法給出確定數(shù)值， 而另外兩種方法均可給出確定數(shù)值， 但數(shù)值相差較大． 結(jié)合兩個臺站所在場地的具體土層條件分析， TCGH16和IBRH17臺站所在場地土層均為砂層、 砂礫夾有黏土層， 但等效剪切波速(前者172 m/s左右， 后者272 m/s)及覆蓋土層厚度(前者約75 m， 而后者深達(dá)235 m)差別較大， 初步認(rèn)為是地表土層剪切波速及土層厚度的影響所導(dǎo)致的．

綜合上述3種方法的分析結(jié)果， 可以得到如下結(jié)論：

1) 地表記錄傅里葉譜分析法所得的卓越頻率所包含信息較多， 既有地震震源和區(qū)域地殼介質(zhì)的影響， 也有局部場地特性影響． 對于基巖場地， 由于場地條件對地震動影響較小， 而地震震源和區(qū)域地殼介質(zhì)的影響比較突出， 因此同一場地上由不同記錄得出的結(jié)果偏差較大， 如上述兩個基巖臺站所在場地． 但對于地表有土層的場地， 場地條件對地震動影響明顯， 可以得出較為準(zhǔn)確的結(jié)果．

2) 地表水平/垂直傅里葉譜比法的前提是認(rèn)為場地條件對地震動垂直分量的影響相對于水平分量要小得多， 但當(dāng)場地地表為較厚土層時， 場地條件對地震動垂直分量的影響也較大， 因此該方法在某些場地適用(如TCGH16臺站所在場地)， 但在某些場地所得結(jié)果卻很分散(如IBRH17臺站所在場地)．

3) 地表/地下傅里葉譜比法理論上最能反映場地條件對地震動的影響， 本文認(rèn)為該方法所得場地卓越頻率是比較準(zhǔn)確的． 作者還選取了20次不同地震事件在TCGH16臺站的地震動記錄與相鄰的TCGH12臺站的地震動記錄進行了對比分析， 結(jié)果顯示兩個臺站地下記錄的傅里葉譜差異很小(圖13)， 但在地表差異卻較大(圖14)， 這說明地表/地下傅里葉譜比法確實能很好地體現(xiàn)場地條件對地震動的影響， 從而驗證了該方法的準(zhǔn)確性．

對于基巖場地， 由于局部場地條件的影響相對較弱， 地震動頻譜中包含的場地特性影響信息很少， 所以3種方法所得結(jié)果均很分散； 對于地表存在土層的場地， 地表水平/垂直傅里葉譜比法所得結(jié)果存在不確定性， 而地表/地下傅里葉譜比法則能給出一個相對較為準(zhǔn)確的場地卓越頻率值．

圖13 TCGH16(a)和TCGH12(b)臺站地下記錄的傅里葉譜

Fig.13 Fourier spectrum recorded by station TCGH16 (a) and TCGH12 (b) on the underground

圖14 TCGH16(a)和TCGH12(b)臺站地表記錄的傅里葉譜

Fig.14 Fourier spectrum recorded by station TCGH16 (a) and TCGH12 (b) on the surface

陳鵬， 劉文鋒， 付興潘. 2009. 關(guān)于場地卓越周期和特征周期的若干討論[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報， 30(6): 29--35.

Chen P， Liu W F， Fu X P. 2009. Discussions on site predominant period and characteristic period[J].JournalofQing-daoTechnologicalUniversity， 30(6): 29--35 (in Chinese).

高廣運， 吳世明， 周健， 劉奮勇. 2000. 場地卓越周期的討論與測定[J]. 工程勘察， (5): 29--31.

Gao G Y， Wu S M， Zhou J， Liu F Y. 2000. Discussion and measurement on site predominant period[J].GeotechnicalInvestigation&Surveying， (5): 29--31 (in Chinese).

任葉飛， 溫瑞智， 山中浩明， 鹿嶋俊英. 2013. 運用廣義反演法研究汶川地震場地效應(yīng)[J]. 土木工程學(xué)報， 46(增刊2): 146--151.

Ren Y F， Wen R Z， Hiroaki Y， Toshihide K. 2013. Research on site effect of Wenchuan earthquake by using generalized inversion technique[J].ChinaCivilEngineeringJournal， 46(Suppl 2): 146--151 (in Chinese).

童廣才， 劉康和. 2000. 場地卓越周期的確定[J]. 電力勘測， (2): 43--46.

Tong G C， Liu K H. 2000. Determine predominant period of site[J].ElectricPowerSurvey， (2): 43--46 (in Chinese).

《巖土工程手冊》編寫委員會. 1994. 巖土工程手冊[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社: 769--770.

Editorial Board ofGeotechnicalEngineeringManual. 1994.GeotechnicalEngineeringManual[M]. Beijing: China Architecture & Building Press: 769--770 (in Chinese).

Wen K L， Chang T M， Lin C M， Chiang H J. 2006. Identification of nonlinear site response using theH/Vspectral ratio method[J].TerrAtmosOceanSci， 17(3): 533--546.

Determination of site dominant period based on strong motion records

1)InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China2)EarthquakeAdministrationofShanxiProvince，Taiyuan030021，China3)SeismicObservationandGeophysicalImagingLaboratory，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

In this paper, we introduce three methods for determining dominant period based on the strong motion records, they are ① the Fourier spectral analysis method of surface records； ② horizontal/vertical Fourier spectral ratio method； ③ surface/underground Fourier spectral ratio method. Several hundred strong motion records from two bedrock stations and two stations on site class Ⅲ in the KiK-net strong motion observation network in Japan are used to analyze the site dominant period. It is concluded that， on the bedrock site， the dominant frequency obtained from the three methods are scattered due to the hard rock site condition which has little effect on the ground motion. On the soil site， the overlying soil has great effect on the ground motion， and accurate values of dominant period can be obtained from the three methods. The dominant frequency from the surface/underground Fourier spectral ratio method is more accurate than that from the surface horizontal/vertical Fourier spectral ratio method whose result is uncertain on some soil sites.

strong motion; site condition; Fourier spectral ratio; dominant period

國家國際科技合作項目(2012DFG20510)和環(huán)保公益性行業(yè)專項(201309056)共同資助.

2015-03-25收到初稿， 2015-06-04決定采用修改稿.

e-mail: chenyoyi@126.com

10.11939/jass.2016.01.014

P315.9

A

陳永新, 遲明杰, 李小軍. 2016. 基于強震動記錄確定的場地卓越周期. 地震學(xué)報, 38(1): 138--145. doi:10.11939/jass.2016.01.014.

Chen Y X, Chi M J, Li X J. 2016. Determination of site dominant period based on strong motion records.ActaSeismologicaSinica, 38(1): 138--145. doi:10.11939/jass.2016.01.014.