基于強(qiáng)震記錄不同波動(dòng)成份的HVSR譜比結(jié)果差異性研究

張鶴翔　李紅光

摘要：使用6個(gè)強(qiáng)震臺站記錄的2008年汶川8.0級地震強(qiáng)震記錄，通過對比強(qiáng)震記錄中各波動(dòng)成份的HVSR譜比結(jié)果，分析了各波動(dòng)成份對場地地震效應(yīng)分析結(jié)果的影響;根據(jù)各波動(dòng)成份的水平向和垂直向傅里葉譜結(jié)果，初步解釋了各波動(dòng)成份HVSR譜比結(jié)果不同的原因，并指出了HVSR譜比方法在強(qiáng)震記錄和地脈動(dòng)記錄中應(yīng)用的區(qū)別和聯(lián)系。結(jié)果表明：強(qiáng)震記錄中由于包含了震源特性和路徑信息，故其HVSR譜比結(jié)果與地脈動(dòng)的結(jié)果有明顯的區(qū)別，建議在使用強(qiáng)震記錄進(jìn)行HVSR譜比分析場地地震效應(yīng)時(shí)，盡量使用全波波形進(jìn)行譜比研究。

關(guān)鍵詞：場地地震效應(yīng);HVSR譜比方法;波動(dòng)成份;強(qiáng)震記錄;汶川地震

中圖分類號：P315.914?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號：1000-0666（2019）04-0555-07

0?引言

地震災(zāi)害調(diào)查結(jié)果和理論研究表明：局部工程場地條件對地震動(dòng)特性有顯著的影響（主要是對地震動(dòng)峰值和頻譜的放大或者縮?。?，從而直接影響到地震災(zāi)害的嚴(yán)重程度（Borcherdt，1970;Field，1996）。近年來國內(nèi)外大地震都證實(shí)了位置相鄰但場地條件不同的工程場地上的震害差異極其明顯，研究工程場地在地震尤其是大震作用下的反應(yīng)特征，進(jìn)而對建筑物進(jìn)行有針對性地抗震設(shè)計(jì)是目前地震工程界的一個(gè)重要研究方向（胡聿賢等，1980）。隨著強(qiáng)震臺陣的大量布設(shè)，強(qiáng)震記錄數(shù)量急劇增加，使用強(qiáng)震記錄進(jìn)行場地效應(yīng)研究成為了可能（Lermo，Chávez-García，1993;Field，Jacob，1995;魏勇等，2018;李世成等，2017）。

國外眾多學(xué)者對強(qiáng)震動(dòng)記錄中不同波動(dòng)成份的HVSR譜比曲線進(jìn)行了對比：Nakamura（1989）最早提出使用地脈動(dòng)記錄的水平與垂向分量做譜比，得到場地卓越周期，此結(jié)果與S波計(jì)算的結(jié)果一致;不僅卓越周期相近，許多學(xué)者研究認(rèn)為二者結(jié)果在幅值大小上也很接近（Lermo，Chavez-Garcia，1994;Zhao?et?al，1997）;Tokimatsu和Miyadera（1992）認(rèn)為由于地脈動(dòng)主要成份是面波，HVSR譜比方法得到的結(jié)果與瑞利波的結(jié)果一致，與S波的結(jié)果不一致;Field和Jacob（1995）研究認(rèn)為雖然二者在卓越周期上很相似，但在波峰的幅值高度上差距很大;?Toshimi?等（2001）對同一臺站的地脈動(dòng)、S波、P波和尾波進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)P波與地脈動(dòng)的結(jié)果相差較大，S波與地脈動(dòng)相近，而P波的尾波和S波的尾波都接近地脈動(dòng)的結(jié)果。

由于地脈動(dòng)振幅較小、頻率偏低，散射理論可以較好地解釋地脈動(dòng)等微震的HVSR譜比結(jié)果，但對于強(qiáng)震記錄卻沒有給出較明確的解釋（Sanchez-Sesma?et?al，2011;Kawase?et?al，2011）。由于地脈動(dòng)等微震動(dòng)無法體現(xiàn)土體在強(qiáng)震下的非線性反應(yīng)、高頻段的振動(dòng)反應(yīng)，而地表破壞均是由強(qiáng)震動(dòng)引起的，故使用強(qiáng)震數(shù)據(jù)進(jìn)行場地地震效應(yīng)分析更具有現(xiàn)實(shí)意義。

強(qiáng)震動(dòng)記錄較地脈動(dòng)復(fù)雜的多，包含不同的波動(dòng)成份，不同學(xué)者使用強(qiáng)震記錄時(shí)使用了不同的振動(dòng)時(shí)段（Nagashima?et?al，2014;榮棉水等，2016;Caserta?et?al，2013）。那么在進(jìn)行HVSR譜比計(jì)算時(shí)，各個(gè)波動(dòng)成份是否能得出較一致的結(jié)果，哪個(gè)能更好地反映出場地特征是本文的研究內(nèi)容。

1?強(qiáng)震記錄和前期處理

汶川8.0級地震伴隨有若干次不同震級的強(qiáng)余震，國家強(qiáng)震動(dòng)臺網(wǎng)中心獲得了大量強(qiáng)震記錄，共有19個(gè)?。ㄊ?、自治區(qū)）的420個(gè)強(qiáng)震臺站記錄到了主震的強(qiáng)震動(dòng)，這些記錄為強(qiáng)震研究提供了非常好的基礎(chǔ)資料（Li?et?al，2008）。本文使用蒼溪?dú)庀缶謴?qiáng)震臺等6個(gè)臺站記錄到的2008年汶川8.0級地震強(qiáng)震記錄，臺站信息和記錄信息見表1。為了說明本次研究對不同波動(dòng)成份的劃分，以蒼溪?dú)庀缶謴?qiáng)震臺站的記錄作為例子，如圖1所示：在地震波未到的0～15?s近似為地脈動(dòng)成份;地震波初至至S波到達(dá)可看作P波振動(dòng)成份;S波結(jié)束直至整個(gè)記錄末尾作為尾波振動(dòng)成份（主要為各種波的折射、反射、散射等成份）。

在進(jìn)行HVSR譜比前，要對強(qiáng)震記錄進(jìn)行帶通濾波、基線校正等預(yù)處理（章文波等，2001;周寶峰，2012），本文使用的帶通濾波器通帶范圍為0.1～30?Hz;在計(jì)算HVSR譜比后，采用頻率對數(shù)軸等間距的譜平滑方法（Konno，Ohmachi，1998）對譜比曲線進(jìn)行譜平滑。

2?各震相HVSR譜比分析

從圖1可以看出，強(qiáng)震記錄包含了多種振動(dòng)成份，為了研究各波動(dòng)成份HVSR譜比結(jié)果的異同，分別對各波動(dòng)成份進(jìn)行了截取，然后分別對其進(jìn)行HVSR譜比計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中看出5種波動(dòng)成份對比結(jié)果各不相同：全波和S波窗口的結(jié)果最為相似，從0.1～30?Hz兩者基本完全吻合，僅在中段部分在峰值高度上存在細(xì)小的區(qū)別;尾波的結(jié)果與前兩者相差不大，尤其是與S波的結(jié)果最為相近，區(qū)別是在峰值對應(yīng)的頻率有所不同，峰值高度相差不大;地脈動(dòng)和P波的結(jié)果與前3種震相結(jié)果相差很大，在低頻段（1～9?Hz）峰值對應(yīng)的頻率與前3者一致，但峰值高度相差甚遠(yuǎn)，在頻率大于20?Hz后，地脈動(dòng)的譜比結(jié)果趨近于1，而其他4種數(shù)據(jù)的結(jié)果在高頻段存在很大幅度的變化，結(jié)果不趨近于1，這個(gè)結(jié)果也與盧滔等（2006）結(jié)果一致;P波的譜比結(jié)果在頻率0.1～1?Hz時(shí)遠(yuǎn)低于其他的結(jié)果，隨著頻率的增加，差距越來越小。

6個(gè)臺站中只有新津梨花臺站的場地類別為基巖，由圖2可見，其記錄與其他5個(gè)臺站差異較大：在低頻段，新津梨花臺站記錄的HVSR譜比結(jié)果波峰不明顯，相對較平緩，值得說明的是，新津梨花臺站記錄5種不同波動(dòng)成份HVSR結(jié)果之間的異同與其他5個(gè)臺站基本吻合。

3?滑動(dòng)窗口方法分析

強(qiáng)震記錄中各段波動(dòng)成份的HVSR譜比結(jié)果存在一定的異同，為了進(jìn)一步研究強(qiáng)震記錄中各波動(dòng)成份的譜比結(jié)果變化趨勢，利用滑動(dòng)時(shí)間窗口方法對強(qiáng)震記錄中各個(gè)時(shí)間段地震波進(jìn)行HVSR譜比計(jì)算，以分析HVSR譜比結(jié)果隨時(shí)間變化的趨勢，結(jié)果見圖3（圖3，4均為蒼溪?dú)庀缶峙_站的記錄結(jié)果，其他臺站的強(qiáng)震記錄結(jié)果相似）。

使用窗口寬度10?s、步長10?s的滑動(dòng)窗口，對強(qiáng)震記錄的0～300?s段進(jìn)行移動(dòng)的HVSR譜比分析，可以大致分成3個(gè)階段：第一階段是P波到來前，地震波中的主要成份為地脈動(dòng)噪聲，HVSR譜比結(jié)果表現(xiàn)為地脈動(dòng)噪聲的譜比特性，能夠較好地反映場地特征;第二階段為P波到來后S波到來前，震相主要為P波，這時(shí)的HVSR譜比與地脈動(dòng)和S波的結(jié)果都有較大的區(qū)別，低頻處（2?Hz附近）對應(yīng)的峰值消失了，只有5～7?Hz處有對應(yīng)的峰值，且峰值高度明顯變低;第三階段是S波到來后，HVSR譜比結(jié)果變化不大（包括峰值高度和對應(yīng)的頻率），這與第二節(jié)的結(jié)果是一致的。在時(shí)間段50～120?s范圍內(nèi)，HVSR譜比結(jié)果中峰值對應(yīng)的頻率有向左移動(dòng)的趨勢，在120?s后這個(gè)趨勢回歸正常，這應(yīng)該與土體遭遇大的地震動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了非線性反應(yīng)有關(guān)。

4?結(jié)果分析與討論

對強(qiáng)震記錄中各波動(dòng)成份的HVSR譜比結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)震記錄中每個(gè)波動(dòng)成份的HVSR譜比都能體現(xiàn)場地的特征周期，但它們之間存在較大的差別。全波、S波和尾波3種波動(dòng)成份的HVSR譜比結(jié)果在0.1～30?Hz頻段內(nèi)非常相近，不論峰值對應(yīng)的頻率還是幅值都比較一致，尾波由于振幅較小，未引起土體的非線性反應(yīng)，峰值對應(yīng)的特征頻率較其他2種略高，頻率大于30?Hz后，全波的譜比結(jié)果與其他2種出現(xiàn)了不同;地脈動(dòng)的結(jié)果在低頻段（小于10?Hz）與上述3種波動(dòng)成份在特征頻率上能得到較一致的結(jié)果，但在峰值高度上差距較大，在高頻段地脈動(dòng)的結(jié)果在1附近上下波動(dòng);P波震相的結(jié)果在中段（1～9?Hz）與地脈動(dòng)結(jié)果較接近，低頻段譜比值特別低，僅為0.1，隨著頻率增加，譜比值逐漸增加，在高頻段，譜比值也小于1。

全波的HVSR譜比公式為：

式中：H表示水平;V表示垂直;M表示地脈動(dòng);P表示P波;下標(biāo)S表示S波;W表示尾波。

為了比較各波動(dòng)成份的譜比結(jié)果，分別計(jì)算了各波動(dòng)成份水平向和垂直向的傅里葉譜（圖4）。

由圖4可以看出，S波的水平向和垂直向傅里葉譜值與全波的值基本相同，在0.1～40?Hz頻率段，S波攜帶的能量遠(yuǎn)高于其他幾種震相的能量，在式（1）中，若SHS遠(yuǎn)大于SHP，SHM和SHW，且SVS遠(yuǎn)大于SVP，SVM和SVW，則：

也就是說在進(jìn)行HVSR譜比分析時(shí)，使用全波與S波相差不大（甚高頻除外）。

尾波的水平向和垂直向傅里葉譜值基本與S波平行，只是小了一個(gè)數(shù)量級。P波的傅里葉譜值與前面三者不同，在低頻段，垂直向的傅里葉譜值大于水平向，隨著頻率的增加，水平向的傅里葉譜值慢慢追上垂直向，到了高頻段，又出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。地脈動(dòng)的傅里葉譜值趨勢與P波相近，只是水平向和垂直向的傅里葉譜比值較P波的結(jié)果小得多，小于0.3?Hz和大于20?Hz時(shí)兩者比值接近1。

地震波在傳播過程中由于介質(zhì)的各向異性產(chǎn)生了散射，這些散射波是強(qiáng)震記錄中尾波的主要組成部分（Aki，Chouet，1975）。地脈動(dòng)（背景噪聲）也可以看做是各種震動(dòng)在地球介質(zhì)中散射形成的，但從以上結(jié)論來看，地脈動(dòng)和尾波的HVSR譜比結(jié)果有較大的區(qū)別。

已有研究結(jié)果表明，強(qiáng)震記錄在基巖處并不滿足NaKamura的假設(shè)（盧滔等，2006;Sato，1982）。李紅光和冷崴（2019）研究發(fā)現(xiàn)震源、震中距和方位角對HVSR譜比結(jié)果影響很大。由于強(qiáng)震動(dòng)記錄中包含了震源信息、傳播路徑和方向信息，以致強(qiáng)震記錄的HVSR譜比結(jié)果也包含了這些信息，這可能是強(qiáng)震記錄與地脈動(dòng)記錄得出不同結(jié)果的根本原因。

NaKamura（1989）研究發(fā)現(xiàn)在低頻段地表土層對垂直向分量基本不放大，而水平向分量會被放大。但隨著頻率的增加，土層對垂向分量的放大倍數(shù)會慢慢超過對水平向的放大倍數(shù)。根據(jù)射線理論，基巖處地震波入射會存在一個(gè)角度，垂直分量與水平分量按照入射角進(jìn)行能量分解，由于P波和S波的振動(dòng)方向互相垂直，以致在不同方向分量記錄到的P波或S波分量存在不同，這與地震波的入射角有關(guān)。

5?結(jié)論

本文對汶川強(qiáng)震記錄中的地脈動(dòng)、P波、S波和尾波波動(dòng)成份分別進(jìn)行HVSR譜比分析，對各個(gè)波動(dòng)成份的結(jié)果進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

（1）在對強(qiáng)震記錄進(jìn)行HVSR譜比分析時(shí)，全波和S波窗口結(jié)果相近，近震時(shí)由于P波和S波窗口重合嚴(yán)重，建議使用全波記錄進(jìn)行HVSR譜比研究。

（2）地脈動(dòng)和P波波動(dòng)成份得到的結(jié)果與全波、S波和尾波不同，主要表現(xiàn)在峰值高度上。這些差別可能是由震源特性和傳播路徑引起的，在進(jìn)行HVSR譜比計(jì)算時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮震源特性和路徑信息。

（3）尾波雖然也是由于地震波的散射造成的，但它與地脈動(dòng)有本質(zhì)的區(qū)別，兩者在進(jìn)行HVSR譜比分析時(shí)可能得出不同的結(jié)果。

本文研究成果是基于汶川8.0級地震的強(qiáng)震記錄完成的，由于此數(shù)據(jù)是大震中遠(yuǎn)場記錄，故研究結(jié)論不一定適用于近場地震的強(qiáng)震記錄，相關(guān)問題還需在今后的研究中進(jìn)行分析對比。

感謝中國地震局工程力學(xué)研究所“國家強(qiáng)震動(dòng)臺網(wǎng)中心”為本研究提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支持。

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Study?on?Discrepancy?of?HVSR?Spectrum?Ratios?of?Different?Seismic?PhaseComponents?Based?on?Different?Strong?Motion?Records

ZHANG?Hexiang1，LI?Hongguang2

（1.Foundation?Department?Institute?of?Disaster?Prevention，China?Earthquake?Administration，Sanhe?065201，Hebei，China）

（2.Engineering?Department?National?Earthquake?Response?Support?Service，Beijing?100049，Hebei，China）

Abstract

Based?on?the?earthquake?records?of?the?2008?M8.0?Wenchuan?earthquake?recorded?by?six?strong?motion?stations，we?compare?and?analyze?their?HVSR?spectral?ratio?results，and?study?on?the?effects?of?HVSR?spectral?ratio?method?in?analysis?site-effects?with?each?seismic?phase?of?the?strong?motion?records.According?to?the?horizontal?and?vertical?Fourier?spectrum?of?each?seismic?phase，we?try?to?explain?the?difference?and?relationship?between?the?strong?motion?records?and?microtremor?records?who?using?the?HVSR?spectral?ratio?method?to?analyze?the?site-effects.Finally，we?give?some?suggestions?in?the?use?of?strong?earthquake?records?with?the?method?of?the?HVSR?spectral?ratio.The?results?show?that，due?to?the?inclusion?of?the?source?characteristics?and?path?information，the?HVSR?spectral?ratio?results?of?strong?motion?records?and?microtremor?results?have?obvious?differences，so?when?using?the?HVSR?spectral?ratio?in?analysis?of?site-effects?caused?by?strong?motion?records，It?is?suggested?that?the?full-wave?recording?of?the?strong?motron?rewrds?be?sued?to?study?HVSR?spetral?ratio.

Keywords：Site-effects;Horizontal-to-Vertical?Spectral?Ratio;seismic?phase;Strong?Motion?Records;Wenchuan?earthquake