模擬汶川地震動(dòng)持時(shí)的空間分布規(guī)律研究

　　摘要：利用隨機(jī)有限斷層時(shí)程模擬程序，模擬符合汶川地震區(qū)域特性的水平分量加速度時(shí)程，分析模擬加速度時(shí)程持時(shí)的空間分布和變化規(guī)律。結(jié)果表明：模擬加速度時(shí)程的各種持時(shí)分布均能很好地體現(xiàn)持時(shí)的破裂方向性效應(yīng)，但未能清晰反映持時(shí)的上盤/下盤效應(yīng);模擬加速度時(shí)程的重要持時(shí)能反映近斷層區(qū)域持時(shí)明顯小于遠(yuǎn)場(chǎng)持時(shí)的特點(diǎn)，但在總體空間分布上更為“單一”，未表現(xiàn)出明顯的區(qū)域“突變”現(xiàn)象;相較于重要持時(shí)，模擬加速度時(shí)程與臺(tái)站記錄時(shí)程的Bolt持時(shí)之間存在更大差異;模擬加速度時(shí)程的重要持時(shí)與相對(duì)Bolt持時(shí)隨斷層距的變化趨勢(shì)，總體上能反映水平分量記錄時(shí)程持時(shí)的空間變化特性。

　　關(guān)鍵詞：地震動(dòng)持時(shí);隨機(jī)有限斷層法;震源參數(shù);汶川地震;空間分布

　　《地震工程與工程振動(dòng)》是反映我國(guó)地震工程與工程振動(dòng)領(lǐng)域最新成果和國(guó)外該領(lǐng)域最新進(jìn)展的學(xué)術(shù)性期刊，旨在促進(jìn)國(guó)際學(xué)術(shù)交流，推動(dòng)地震工程與工程振動(dòng)學(xué)科的發(fā)展，減輕地震災(zāi)害。

　　0 引言

　　地震動(dòng)持時(shí)(以下簡(jiǎn)稱持時(shí)，記為Ts)是描述地震動(dòng)工程特性的重要參數(shù)之一，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)具有重要影響。大量研究表明：地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的最大延性位移和累積滯回耗能均有明顯影響，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)積累破壞效應(yīng)的影響更為顯著(Hancock，Bommer，2007;Iervolino et al，2006;盛明強(qiáng)等，2007);地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的影響程度隨屈服強(qiáng)度系數(shù)的減小而增大(劉鳴等，1994)。持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力有重要影響，長(zhǎng)持時(shí)的地震動(dòng)將可能產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)荷載并導(dǎo)致更大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(Raghunandan，2013)。在長(zhǎng)持時(shí)的地震動(dòng)作用下，構(gòu)件抗疲勞強(qiáng)度和剛度的退化將大大降低結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力(Chandramohan et al，2013)。地震動(dòng)持時(shí)的重要性毋容置疑，但其在工程實(shí)際中并未像振幅和頻譜一樣得到廣泛應(yīng)用，因此對(duì)地震動(dòng)持時(shí)進(jìn)行更為深入的研究將有助于推動(dòng)其理論研究與工程應(yīng)用。

　　近年來，不少學(xué)者對(duì)地震動(dòng)持時(shí)的空間分布和隨斷層距(R)的變化規(guī)律等進(jìn)行了研究。胡進(jìn)軍(2009)分析發(fā)現(xiàn)，汶川地震中地震動(dòng)的峰值、反應(yīng)譜和持時(shí)均顯示出了明顯的方向性特征;破裂后方場(chǎng)點(diǎn)的地震動(dòng)持時(shí)明顯大于破裂前方的持時(shí)，差別可達(dá)數(shù)倍;盧書楠等(2013)通過研究汶川地震臺(tái)站記錄，發(fā)現(xiàn)近斷層特征對(duì)地震動(dòng)持時(shí)有顯著影響;任葉飛等(2014)通過研究蘆山地震臺(tái)站記錄，得出蘆山地震重要持時(shí)和Bolt持時(shí)高于全球經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方程估算值，且Bolt持時(shí)衰減顯著慢于全球平均水平的結(jié)論;王巧臨(2014)認(rèn)為重要持時(shí)的分布主要受發(fā)震斷層的控制，70%和90%重要持時(shí)均隨斷層距的增加而增大。以往研究往往是基于具體臺(tái)站記錄開展的，利用模擬地震加速度時(shí)程分析地震動(dòng)持時(shí)特性的研究較少，因此，通過模擬時(shí)程分析地震動(dòng)持時(shí)的空間分布等特性，對(duì)于提升地震動(dòng)模擬的精確性具有一定意義。

　　為了揭示目前地震工程界常用的隨機(jī)有限斷層法模擬水平加速度時(shí)程地震動(dòng)持時(shí)的空間分布及變化規(guī)律，在已有汶川地震震源參數(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，本文采用隨機(jī)有限斷層時(shí)程模擬程序，對(duì)已獲取的汶川地震記錄的87個(gè)自由地表臺(tái)站場(chǎng)點(diǎn)(R<300 km)進(jìn)行地震動(dòng)加速度時(shí)程模擬，每個(gè)臺(tái)站取50條模擬水平分量加速度時(shí)程(簡(jiǎn)稱模擬時(shí)程，用ES加以區(qū)分)的地震動(dòng)持時(shí)的平均值作為分析對(duì)象，對(duì)比分析模擬時(shí)程地震動(dòng)持時(shí)與汶川地震臺(tái)站記錄的兩水平分量(簡(jiǎn)稱記錄時(shí)程，分別用EW和NS表示東西和南北水平分量)地震動(dòng)持時(shí)的空間分布及變化規(guī)律，探討模擬地震動(dòng)持時(shí)的空間分布規(guī)律和變化特性，以及震源參數(shù)對(duì)地震動(dòng)持時(shí)空間分布的影響規(guī)律。

　　1 數(shù)據(jù)選取

　　汶川地震發(fā)生過程中，中國(guó)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)獲取了一大批高質(zhì)量的地震動(dòng)記錄，為研究近場(chǎng)地震動(dòng)特性提供了豐富的數(shù)據(jù)。選取汶川地震中斷層距R< 300 km的87個(gè)臺(tái)站的EW和NS分量的地震動(dòng)加速度記錄進(jìn)行分析。其中11個(gè)基巖臺(tái)站，其余為Ⅱ類土層場(chǎng)地臺(tái)站，臺(tái)站的基本信息見表1(萬衛(wèi)，2013)。

　　表1中R的計(jì)算是以汶川地震地表破裂帶為發(fā)震斷層在地表的投影位置，取多個(gè)地表破裂帶現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查點(diǎn)的經(jīng)緯度和臺(tái)站的經(jīng)緯度計(jì)算得到的最小距離(萬衛(wèi)，2013)。由于地震動(dòng)持時(shí)計(jì)算過程中只涉及到加速度時(shí)程，受基線漂移等影響較小，因此本文所選的原始記錄數(shù)據(jù)不進(jìn)行基線調(diào)整等數(shù)據(jù)處理。

　　2 參數(shù)選取及持時(shí)計(jì)算

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者將汶川地震斷層模型分為單斷層模型和雙斷層模型(趙翠萍等，2009;張勇等，2008;畢研磊等，2017;Nakamura et al，2010)。由于雙斷層模型中的青川斷裂的應(yīng)力釋放以及滑動(dòng)位移相對(duì)于整個(gè)斷層比重很小，喻畑(2012)認(rèn)為單斷層模型與雙斷層模型的選擇對(duì)有限斷層模型影響不大。為簡(jiǎn)易起見，本文考慮使用單斷層模型進(jìn)行模擬，所選汶川地震震源參數(shù)取值見表2。由于汶川地震存在明顯的上/下盤效應(yīng)，因此應(yīng)區(qū)分上/下盤影響對(duì)品質(zhì)因子進(jìn)行取值(喻畑，2012;華衛(wèi)等，2009);不同場(chǎng)地條件的平均場(chǎng)地放大系數(shù)見表3;震源模型滑動(dòng)分布選用王衛(wèi)民等(2008)反演汶川地震得到的有限斷層模型。

　　采用隨機(jī)有限斷層法擬合得到了R<300 km的87個(gè)臺(tái)站的加速度時(shí)程，并計(jì)算得到模擬時(shí)程的70%和90%重要持時(shí)(分別記為Ts70和Ts90)以及絕對(duì)和相對(duì)Bolt持時(shí)(分別記為TsBA和TsBR)，并統(tǒng)計(jì)得到87個(gè)臺(tái)站模擬與記錄時(shí)程持時(shí)比值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表4所示。

　　由表4可知，參數(shù)調(diào)整前除Ts70的持時(shí)比均值很接近1.00外，其余3種都小于0.90，其中TsBR的ES/NS持時(shí)比均值只有0.70。因此，需進(jìn)一步調(diào)整模擬汶川地震加速度時(shí)程的參數(shù)取值，使更多持時(shí)定義的模擬與記錄時(shí)程更為接近。

　　對(duì)于特定地震，Δσ、Q(f)和kappa值對(duì)Ts的影響較大，其中kappa值與相對(duì)持時(shí)成正相關(guān)而與絕對(duì)持時(shí)成負(fù)相關(guān)，即kappa值對(duì)各種Ts的影響趨勢(shì)不一(袁峰，2017)。這里采取調(diào)整Δσ和區(qū)分上下盤影響的Q(f)中Q0和f值的方式。參考以往對(duì)四川地區(qū)Δσ和Q(f)的研究成果，經(jīng)反演確定用于模擬汶川地震的Δσ= 95 Pa，Q(f)上盤= 360f0.70，Q(f)下盤=315f0.92，由此得到參數(shù)調(diào)整后的87個(gè)臺(tái)站模擬時(shí)程與記錄時(shí)程比值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表4。對(duì)比參數(shù)調(diào)整前后的4種持時(shí)比值均值和標(biāo)準(zhǔn)差可知，調(diào)整參數(shù)后的均值整體上有了明顯升高，除Ts70比值的均值與1.00差值更大外，其余3種持時(shí)比值的均值都更接近于1.00，且此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差仍較小，大都在0.30左右波動(dòng)，最大也不超過0.65。調(diào)整參數(shù)后的Ts90及TsBR的持時(shí)比均值分別達(dá)到0.96和0.94以上，擬合結(jié)果能夠很好地滿足地震工程界對(duì)模擬時(shí)程持時(shí)的精度要求。