随机有限断层法模拟中强地震近场地震动的研究及应用

核工程是对地震安全性要求极高的工程,在其工程场地地震危险性评价工作中,弥散地震地震动估计往往对厂址设计基准地震动具有关键性影响。然而,弥散地震不是由特定构造引起的,因此,评定其地震影响时会遇到较大困难。常规方法是采用适当的衰减关系来计算工程场地震级5.0和5.5的弥散地震在距离厂址5 km处的地震动参数。本文针对核电厂地震危险性评价需求,探讨弥散地震评价的新方法,即通过随机有限断层法来模拟中强地震近场地震动参数。通过参数敏感性分析技术筛选了对拟合结果有决定性影响的关键模型参数;研究并改善了有限断层模型拟合中强地震模型应力降参数的方法,并基于多个国家和地区中强地震近场加速度记录估算了应力降参数值;此外,通过建立中强地震类属模型来模拟特定震级-距离的地震动,从而对经验统计方法进行补充和验证。(1)详细研究了模拟地震动时程的随机有限断层法以及近年来对该方法的改进,改进后的随机有限断层法适合模拟中强地震。(2)对随机有限断层法模拟中强地震近场强震动的参数影响情况进行了分析。将随机有限断层法应用于中强地震时,由于震源信息的准确性较差从而使模型参数具有较大的不确定性。为此,本文首先比较了不同场地方位角中强地震近场地震动的时程和平均拟加速度反应谱(PSA),并定量分析了模型主要参数对中强地震近场地震动模拟结果的参数敏感性。结果表明:不同场地方位角的中强地震近场PSA在短周期部分差别较大;应力降是模型最重要的参数,它对反应谱短周期部分影响最大;几何扩散系数对PSA的整体影响也较为明显。将随机有限断层方法应用到工程安全性评价工作时,应当重点关注对反应谱短周期部分影响较大的应力降和该区域的几何扩散系数,同时要调查该区域优势场地方位角的分布,从而更合理地控制中强地震近场强震动的模拟。(3)开展了中强地震模型应力降参数值的估算。基于美国小头骨山(Little Skull Mountain)MW5.6地震两个近场台站记录的地震动模拟,详细研究并改善了采用随机有限断层法拟合中强地震地震动拟加速度反应谱(PSA)来确定应力降参数值的方法。结果表明:采用不同频段反应谱残差和计算得到的应力降值差别较大,确定中强地震应力降较为合适的反应谱频段是中高频,采用该频段确定的应力降参数值模拟的反应谱和峰值加速度与实际记录较为符合。基于该方法并根据美国西部、日本、意大利以及汶川等国家和地区的浅源中强地震近场加速度时程记录,估算了相应的模型子断层应力降参数值。结果表明:各个国家和地区计算得到的中强地震随机有限断层模型应力降参数具有地区差异性;模拟的峰值加速度大致上正确反映了实际记录PGA的衰减规律,并且模拟结果在近场随距离的衰减较快,这可能与计算所使用的中强地震高频成分丰富有关。(4)针对中强地震震源及路径参数难以准确确定的情况,提出了通过建立随机有限断层类属模型参数来考虑随机不确定性,从而进行中强地震近场地震动模拟的方法,即在考虑区域特定参数、选择具有代表性的震源参数的同时,考虑关键参数随机不确定性,开展大量模拟计算。完成了对核电厂工程弥散地震地震动参数评价的工程应用分析。对模拟PGA的统计结果表明:考虑核电厂弥散地震时,MS5.0地震震中距5 km处0.15g的峰值加速度是合适的;MS5.5地震震中距5 km处0.2g的峰值加速度是合适的;MS6.0地震震中距5 km处0.3g的峰值加速度是合适的。该结果为现有弥散地震地震动评价提供了验证信息。模拟PSA统计结果与衰减关系PSA的比较表明,模拟的平均PSA大致上是保守的,可以作为随机有限断层法模拟结果的推荐反应谱。     

中强地震随机有限断层模型应力降参数的确定方法

随机有限断层模型是模拟地震动加速度时程的一个重要工具.但将其应用于中强地震时,由于震源信息的准确性较差从而使模型参数具有较大的不确定性.尤其针对其中最为关键的应力降参数,目前相关研究较为缺乏且尚未形成系统的确定方法.本文基于美国Little Skull Mountain Mw5.6级地震2个近场台站记录的地震动模拟,详细研究了采用随机有限断层法拟合中强地震地震动伪加速度反应谱（PSA）来确定应力降参数值的方法,并在计算应力降时引入了其它震源参数的不确定性,随后对此方法的可行性进行了验证.研究表明：采用不同频段反应谱残差和计算得到的应力降值差别较大,确定中强地震应力降较为合适的反应谱频段是中高频,采用该频段确定的应力降参数值模拟的反应谱和峰值加速度与实际记录较为符合;脉冲子断层百分比、断层长宽、倾角和深度等震源参数按截断的正态分布或均匀分布随机抽样,拟合得到的应力降参数值与通过实际震源模型参数得到的值相近.以上研究结果对确定一个区域中强地震应力降或中强地震近场强震动模拟研究提供了更进一步的研究方法和研究方向.     

云南漾濞6.4级地震强地面运动的模拟和空间分布特征分析

北京时间 2021 年05月21日 21 时48分云南大理州漾濞县(北纬 25.67°,东经 99.87°)发生了 6.4 级地震.本文利用震源破裂过程控制的 NNSIM随机有限断层方法,模拟对比了近场 6 个强震台的加速度、速度、反应谱记录,据此确定了开展近场地震动模拟所需要的参数的大小,进而建立了近断层 200 km范围内的地面运动.分析了漾濞地震近场地面运动的空间分布特征,结果显示此次地震地面运动的峰值速度PGV、峰值加速度PGA以及反应谱分布均表现为圆形分布,无明显的上下盘特征和走向特征,震中极震区峰值加速度超过了 400 cm·s－2 ,对应国家标准烈度Ⅸ度.     

2013年乌鲁木齐MS5.6和MS5.1地震强地震动模拟研究

利用基于动力学拐角频率的随机有限断层法,针对2013年3月29日和8月30日乌鲁木齐发生的M_S5.6和M_S5.1两次地震,选择不同机构的震源参数对23个台站的45条强震记录进行强地震动模拟,对比分析加速度时程和反应谱,并计算模型偏差.通过与实际场点记录进行对比的结果显示:选取的不同机构震源参数模型得到的模拟加速度时程在持时和形状上与实际记录有一定差距,对于近震源的台站,模拟结果的峰值加速度(PGA)比观测结果小,对于稍远的台站,结果基本能够保持一致;而加速度反应谱,模拟结果与观测结果具有较好一致性; 随机有限断层模型的误差在±0.5以内,拟合效果较好,而且高频段的拟合效果要好于低频段;采用不同机构震源参数模型得到的模拟结果与观测结果得到的PGA分布特征较为一致,但模拟结果的峰值加速度要低于观测结果.      

一种随机有限断层的三维地震动模拟方法——鲁甸地震为例

传统随机有限断层方法只能模拟水平单向地震动,不能完全满足工程抗震设计对三维(两个水平向及竖向)地震动需求。文中在传统方法的基础上发展了一种可模拟三维地震动的随机有限断层方法,利用水平向和/或垂直向P、SV、SH波在频域上的经验表达并结合随机相位合成三维地震动加速度时程。为验证方法的可靠性,模拟了2014年云南鲁甸地震的三维地震动。结果表明,改进方法合成的加速度时程波形与观测记录较相似,且模拟记录PGA、0.05～10 s周期段PSA幅值和谱形与观测记录也具有良好一致性,能合理反映地震动随距离的衰减规律;鲁甸地震三维地震动的可靠模拟也验证了路径衰减、路径持时经验模型、高频衰减参数、震源谱衰减率等模拟输入参数的可靠性,可进一步应用于该区域设定地震地震动预测。     

2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震随机有限断层三维地震动模拟

2021年5月21日云南省大理州漾濞县发生MS6.4 地震,震中附近遭受了强烈地震破坏.为预测此次地震的地震动影响场,利用震源运动学破裂随机模型,基于随机有限断层三维地震动模拟方法,给出了此次地震中 28个触发强震动台站的三分量加速度时程模拟记录,并结合强震动观测记录,估计了此次地震的地震应力降及震源破裂过程,进一步模拟给出了此次地震中 2823 个虚拟观测点的三分量加速度时程.结果表明,模拟记录的峰值地面加速度(PGA)、峰值地面速度(PGV)与观测值接近,并体现了地震动峰值的衰减规律、近场饱和效应和破裂方向性效应;模拟与观测记录的 5%阻尼比拟加速度反应谱(PSA)的幅值接近、谱形相似,在0.05～10 s周期段,模拟记录可以很好地预测地震动.基于三分量模拟记录给出了漾濞MS 6.4 地震的仪器测定地震烈度图,与云南省地震局发布的烈度图接近,极震区烈度最高可达Ⅷ度,震源破裂方向性导致震中 SE方向的烈度普遍高于 NW方向,受局部场地条件影响沿洱海西侧出现高烈度异常区.     

用随机方法模拟唐山7.1级余震地震动场

在系统介绍用随机方法模拟地震动的基础上,用该方法模拟了唐山7.1级余震地震动场。模拟结果表明,唐山地区发生MS7.1级余震时,该地区产生了强烈的地震动,很多区域加速度峰值超过400cm/s2,地震断层面长65km,宽13.5km,地震过程中断层面的平均滑动为1.08m。模拟与记录的地震动持时符合得不好,其原因是随机方法中的经验关系大都是在美国大陆得到的,所以建议加强中国大陆相应的地震动经验关系的研究,使随机方法能更好地适用于中国大陆。尽管如此,由于用随机方法模拟的地震动峰值和反应谱与记录符合得比较好,这些模拟结果可以作为建筑物抗震设防的地震动输入。     

马尼拉海沟俯冲带板缘地震特征及衰减关系研究

俯冲带通常位于陆地板块与海洋板块或者海洋板块之间的交界处,地质构造复杂,地震活动频繁.在南海海域,马尼拉海沟俯冲带对中国海洋战略及近海重大工程的实施位置至关重要.在缺少实际地震数据的前提下,为分析马尼拉海沟俯冲带地震动及其衰减关系特征,通过采用随机有限断层法模拟该俯冲带地震动,分析地震动加速度时程及反应谱特点,同时分别...     

经验格林函数法与随机有限断层法在合成近场强地震动中的联合运用

本文采取将经验格林函数法与随机有限断层法相结合的方式,突出体现了各自方法的优点,通过经验格林函数法确定地震震源参数,用随机有限断层法计算参数、检验其合理性。利用1998年新疆阿图什M6．9级地震的肘L4．7级余震记录,合成了这次地震的最大余震Ms6．0级地震的加速度记录,并将合成的结果与实际记录在频域和时域做了对比,分析研究了地震动特征和这次最大余震的可能破裂特征。同时对经验格林函数法需进一步改进的方向进行了探讨。     

近断层地震动场预测——以长春市为例

断层带附近地震动场分布的研究,是当前地震工程领域研究的热点问题之一。近断层地震动场的分布对在断层附近进行抗震结构设计时,不仅是提供地震动输入,也是确定建设场地避让范围的重要依据之一。以区域地震构造背景分析、目标断层活动性鉴定、地震危险性评价为基础,结合断层探测结果,利用统计经验关系等最终确定发震断层,并建立相应的震源模型。采用显式有限元和并行计算技术计算目标区域场地的长周期地震动。利用有限断层随机合成的方法,计算高频地震动。将低频和高频地震动合成为目标区域内的宽频带地震动时程。对局部特殊场地条件地区,基于场地调查和勘探的数据,利用等效线性化等方法进行一维土层的非线性反应计算,给出这些特殊场地的宽频带地震动时程。最后,根据地震动时程获得设定地震发生时,目标区域的峰值加速度分布预测图和相应的反应谱。以长春市为例预测了在设定地震发生时,近断层地震动场的分布情况。当长春尖山子—卡伦断层发生6.0级地震时,潜在破坏性地震动的影响范围集中在附近,沿断层走向分布。加速度峰值沿断层垂直变化,主要为90 Gal～140 Gal。只是在长春市南部加速度峰值达到200 Gal。本研究的预测结果具备断层附近地震动的一些最基本的特征,符合当前对断层附近地震动的基本认识。     

一种改进的近断层脉冲型地震动模拟方法

本文基于小波包技术的随机地震动模拟方法,提出一种改进的参数化随机近断层脉冲型地震动模拟方法。然后,通过识别和提取近断层脉冲型地震动数据库中脉冲型地震动的特征参数,建立了基于震源、传播路径和场地特征等参数的脉冲模型参数预测方程。最后,通过模拟实际记录和误差分析检验了改进的模拟方法的有效性。结果表明:应用改进的模拟方法得到的地震动时程无论在波形、频率特性还是峰值上均与实际记录具有较好的一致性。改进的模拟方法在保留地震动时频非平稳性的基础上,能够有效地提高近断层脉冲型地震动的模拟效果,并且能够很好地体现脉冲型地震动的主要特征。     

基于小田原试验场地数据的不同基岩输入模型对预测地震动特征的影响研究

随着强震台网的密布及观测记录的增加,为研究各类局部场地地震反应预测模型的合理性提供了有效的参考依据,也使利用强震记录及场地条件研究地震动特征成为可能。选取场地地质参数资料和地震记录数据齐全的日本小田原（Ashigara Valley）盲测试验场地,通过对比不同地震动输入方式及场地反应分析模型,研究地震动特征,分析现有模型的优劣。基于1990年8月5日M5.1强震事件的地表基岩记录和地下基岩地震记录,采用地下台强震记录直接输入、地表基岩台强震记录减半为基底地震动输入、地表基岩台强震记录反演为基底地震动输入作为3种基岩地震动输入。基于局部场地条件分别建立一维等效线性模型、二维黏弹性模型及二维时域等效线性化模型等工程中常用的场地数值分析模型,进行局部场地地震反应分析,预测该盲测场地的地表地震动特征,并与对应的实测强震记录结果进行对比,分析不同基岩地震动输入方式对预测地震动特征及地表土层反应谱特征的影响,重点分析地震动输入、土体非线性、场地横向不均匀性及几何与非线性特征共同作用等因素对地表地震动特征的影响,以期为地表地震动的合理预测提供参考。     

近场强地震动数值模拟的简化计算方法

近场强地震动除受场地条件的影响外,还受到震源破裂面上子源的空间分布特点、子源破裂先后顺序的强烈控制,基于数值格林函数法的近场强地震动数值模拟方法可以综合考虑震源、传播途径及局部场地条件的影响,对计算过程进行合理简化,分2步完成地震动模拟:第1步,在介质均匀区采用矩张量的解析解计算所有子源在盖层底面的位移,形成下一步有限元计算的输入场;第2步,在盖层介质不均匀区,结合局部人工透射边界技术,采用时、空解耦的波动显式有限元方法计算地表强地震动。在有限断层模型中,采用具有9个力偶的等效地震矩张量表达断层产状、滑动方向等的影响,采用Brune模型定义各子源的滑动时间函数,描述滑动的时、空不均匀分布特征,从而细化震源模型。通过对Northridge地震中4个基岩台站地表地震动的模拟结果和强震记录,验证了此简化计算方法的可行性     

最不利设计地震动研究

实际记录到的真实地震动在工程结构的抗震研究、分析和设计中往往作为一种施加到结构上使结构振动，直至破坏的地震荷载．如何合理选择真实的地震动记录作为研究结构地震反应的输入，一直是国内外抗震研究和设计中引人关注的重要问题．本文首先提出了最不利设计地震动的概念；然后在收集到的国内外5000余条被认为有重要意义的地震动记录基础上，利用综合估计地震动潜在破坏势的方法，对４种场地类型分别给出了长周期、短周期和中周期结构的国内外最不利设计地震动；最后通过几类不同结构的地震反应分析，初步验证了本文所确定的最不利设计地震动的可靠性和合理性．      

Study on the severest real ground motion for seismic design and analysis

How to select the adequate real strong earthquake ground motion for seismic analysis and design of trucures is an essential problem in earthquake engineering research and practice.In the paper the concept of the severest design ground motion is proposed and a method is developed for comparing the severity of the recorded strong ground motions.By using this method the severest earthquake ground motions are selected out as seismic inputs to the structures to be designed from a database that consists of more than five thousand significant strong ground moton records collected over the world.The selected severest ground motions are very likely to be able to drive the structures to their critical response and thereby result in the highest damage potential.It is noted that for different structures with diffferent predominant natural periods and at different sites where structures are located the severest design ground motions are usually different.Finally.two examples are illustrated to demonstrate the rationality of the concept and the reliability of the selected design motion.     

Strong ground motion simulation of the 2003 Bam, Iran, earthquake using the empirical Green’s function method

The 2003 Bam, Iran, earthquake caused catastrophic damage to the city of Bam and neighboring villages. Given its magnitude (M _w ) of 6.5, the damage was remarkably large. Large-amplitude ground motions were recorded at the Bam accelerograph station in the center of Bam city by the Building and Housing Research Center (BHRC) of Iran. We simulated the Bam earthquake acceleration records at three BHRC strong-motion stations—Bam, Abaraq, and Mohammad-Abad—by the empirical Green’s function method. Three aftershocks were used as empirical Green’s functions. The frequency range of the empirical Green’s function simulations was 0.5–10 Hz. The size of the strong motion generation area of the mainshock was estimated to be 11 km in length by 7 km in width. To estimate the parameters of the strong motion generation area, we used 1D and 2D velocity structures across the fault and a combined source model. The empirical Green’s function method using a combination of aftershocks produced a source model that reproduced ground motions with the best fit to the observed waveforms. This may be attributed to the existence of two distinct rupture mechanisms in the strong motion generation area. We found that the rupture starting point for which the simulated waveforms best fit the observed ones was near the center of the strong motion generation area, which reproduced near-source ground motions in a broadband frequency range. The estimated strong motion generation area could explain the observed damaging ground motion at the Bam station. This suggests that estimating the source characteristics of the Bam earthquake is very important in understanding the causes of the earthquake damage.     

Simulation of three-dimensional strong ground motions along principal axes,San Fernando earthquake

Power spectral density which describes frequency content is considered one of the most significant properties to be taken into account when generating ground motions through the use of stochastic processes. Using a smoothed and normalized Fourier amplitude spectrum, frequency content for components of motion along a set of principal axes is estimated. Fourier amplitude spectra obtained by this moving-window technique are presented which show the time dependency of frequency content for motions produced by the San Fernando earthquake of 9 February 1971. A mathematical model to simulate ground motion processes is proposed for which both the intensity and frequency content are non-stationary. Using this mathematical model with parameter characteristics along principal axes similar to those of the motions recorded during the San Fernando earthquake, three-dimensional ground motions are synthetically generated. The properties of the simulated motions show general characteristics similar to the characteristics observed in real accelerograms. The suggested model is considered adequate for engineering purposes.     

Empirical green's function corrected for source effect

One of the severe problems in the semi-empirical method for the prediction of strong ground motions is that there is no objective criterion for choosing empirical Green's functions. It is undesirable that synthesized strong ground motions are affected by the source process of an earthquake whose record is adopted as an empirical Green's function. Through the analysis of strong motion accelerograms of two aftershocks of the 1983 Japan Sea earthquakes, it is found that characteristics of the accelerograms are dependent on the moment rate function derived from teleseismic observations. A procedure is presented for removing the effect of the source process from observed strong motion accelerograms. The thus obtained empirical Green's function expresses approximately the impulse response of the medium between the earthquake source and the observation site.     

Ground Motion Modeling for Seismic Hazard Analysis in the Near-source Regime: An Asperity Model

—A new, yet simple, method using the asperity model to estimate ground motion in the near-source regime for probabilistic seismic hazard analyses is proposed in this study. This near-source model differs from conventional empirical attenuation equations. It correlates peak ground motions with the local contributing source in terms of the static stress drop released non-uniformly on the causative fault plane rather than with the whole seismic source in terms of magnitude. Here the model is simplified such that ground motions at a rock or firm soil site near extended vertical strike-slip faults are dominated by direct shear waves. The proposed model is tested by comparing its predictions with strong ground motion observations from the 1979 Imperial Valley and the 1984 Morgan Hill earthquakes. The results have revealed that ground motions in the near-source region can be adequately predicted using the asperity model with appropriate calibration factors. The directivity effect of ground motion in the near-source region is negligible for high-frequency accelerations. The cut-off frequency (?_max?) at a site is an important parameter in the near-source region. Higher values of ?_max yield higher estimates of peak ground accelerations. For high-frequency structures, ?_max should be carefully estimated. In the near- source region both non-uniform and uniform source models can produce non-stationary high-frequency ground motions. Peak motions may not be caused by the nearest sections of the fault (even if the uniform source model is considered).     

2014年新疆于田MS7.3地震强地面运动模拟及震动图预测

基于地震动的时空衰减规律和传播特征,采用邻近地震监测台站地震动时程对1 km×1 km尺度的网格点进行近实时插值计算,同时结合场地效应对震区地震动参数进行修正,并以2014年2月12日新疆于田M_S7.3地震为例,计算震区格网内各点的地震时程,同时以8 s为时间间隔绘制出地震动峰值等值线图并将其连续播放,得到了于田M_S7.3地震峰值地震动(PGV,PGA)的空间分布.结果表明,于田县东部至民丰县北部地区受场地条件影响,震区震害在软弱地基土层及浅地下水位等因素作用下对震区地震动具有明显的放大效应,预测的地震动特征与现场宏观调查结果是一致的.在当前强震台网分布不均匀的情形下,本文方法能较好地描述震区地震动特征,较客观地反映灾区的强地面运动特征.