近断层地震动最强速度脉冲方向分量特性研究

为了研究速度脉冲型地震动的最强速度脉冲方向分量与垂直或平行断层方向分量之间的特性差异,本文采用多分量速度脉冲识别方法从NGA-West2强震动数据库的236组近断层地震动速度脉冲记录中提取出最强速度脉冲方向分量,对其脉冲参数随震级M_W和断层距R变化的统计关系式进行了回归分析,并对比了最强速度脉冲方向分量与垂直或平行断层方向分量之间的特性差异。研究结果表明:当R＜30 km时,最强速度脉冲方向分量的脉冲幅值预测值较垂直或平行断层方向分量的预测值大,而当R＞30 km时,两种分量的脉冲幅值预测值相差不大,可以忽略;当M_W≤7.5时,最强速度脉冲方向分量的脉冲周期预测值比垂直或平行断层方向分量的预测值大,而当M_W＞7.5时,两种分量的脉冲周期预测值差异不大,可以忽略。      

最强脉冲方向分量的周期特性及其影响因素分析

以NGA-West2强震数据库中的243组脉冲型地震记录为数据基础,按照我国场地分类标准对其进行分类,探讨场地条件、断层类型及断层距等对最强脉冲方向分量脉冲周期(T_P)随震级(M_W)变化规律的影响。结果表明:(1)最强脉冲方向分量与垂直断层走向分量的T_P具有强线性相关性,场地条件对二者周期相关性的影响不大;(2)场地土层的剪切波速越大,T_P随M_W增大的速率越快;(3)Ⅲ类场地的T_P值大于Ⅰ,Ⅱ类场地;(4)最强脉冲方向分量T_P随M_W的增大速率要快于垂直或平行断层走向分量;(5)在Ⅰ,Ⅱ类场地条件下,非走滑断层的T_P随M_W的增大速率快于走滑断层,这一规律在Ⅲ类场地条件下正好相反;(6)3类场地非近断层区域的T_P随M_W的增大速率快于近断层区域。建议在使用脉冲周期与震级关系的统计模型时应考虑场地条件、断层类型、断层距及不同国家场地分类标准差异性的影响。     

近断层速度脉冲型地震动特征周期的估计与调整

基于美国NGA数据库,在断层投影距小于25 km范围内挑选了1387条地震加速度记录,分别按照断层距和场地条件进行分组,对近断层速度脉冲型地震动的频谱特性、特征周期,及其与断层距、震级的相关性予以分析。结果显示:① 出现速度脉冲型地震动的比例与断层投影距之间存在明显的线性相关关系,但其与震级的变化不相关;② 地震动速度脉冲周期与震级之间存在强相关;③ 对于近断层速度脉冲型地震动,采用动态变化的加速度和速度反应谱峰值周期进行特征周期的计算,更加符合真实情况;④ 地震动速度脉冲有放大地震动特征周期的作用,水平向放大的比例与竖向相当,且放大作用与场地条件相关,在较硬场地上放大较多。本文基于上述近断层地震动的统计分析结果,对现行抗震设计规范中定义的特征周期提出了适合于工程应用的调整系数,并建立了速度脉冲周期与震级之间的关系模型,分析结果显示二者的拟合效果较好。      

基于多尺度分析方法的近断层地震动特性分析

近断层长周期地震动是一类较特殊的破坏性地震动.为了深入探讨近断层地震动的低频分量组成及其脉冲特性,基于小波理论中的多尺度分析方法提出了一种地震动分量分解方法,据此可将一条地震动分解成频率各不相同的多条分量.首先从频域、时域以及动态响应三个方面阐述了该分解方法的有效性和精确性.进而采用这种方法对近期12次大地震中的53条典型近断层地震动进行了分解,共获得266条地震动分量.分析了近断层地震动中的长周期分量随场地、断层距等影响因素的变化特征;再以卓越分量作为最大脉冲的简化模型,探讨了速度幅值和脉冲周期随震级、断层距的变化关系.结果表明：近断层长周期地震动主要由周期为0.2~2 s的分量组成;近断层土层场地地震动中的长周期分量比岩石场地多;在0~15 km的近断层区域,随断层距的增加,地震动中长周期分量的比重明显减小;卓越分量的速度幅值PGV_p约为原始地震动速度幅值PGV的0.6倍,且两者之间具有明显的线性关系;PGV_p随断层距的增大而减小,随震级的增大而增大;卓越分量周期T_p随震级的增大呈对数线性增大趋势.     

基于小波方法分析汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200 km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,并将此次地震中获取到的速度脉冲周期和幅值参数与Chi-Chi 地震和Northridge地震进行了比较,统计分析地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.研究表明:(1)汶川地震近断层速度脉冲具有周期长、幅值小的特点.速度脉冲周期主要分布在6~14 s之间,其中51MZQ台沿平行断层的分量脉冲周期最大为14.2 s,速度脉冲幅值与Chi-Chi 地震和Northridge地震相比明显偏小.(2) 速度脉冲记录出现在沿着地震断层破裂传播的方向上,且与地表断裂的距离都在30 km以内,这些长周期速度脉冲的形成可能主要由破裂传播的向前方向性效应引起.(3)速度脉冲的周期随矩震级呈对数线性增大,且随断层距增大有减小趋势.在矩震级小于M_w7.5时,观测到的地震动脉冲幅值为50~150 cm/s之间,与100 cm/s的典型断层滑动速率非常接近;而震级大于M_w7.5时,断层距10km范围内脉冲的幅值已经超过100 cm/s,个别记录的脉冲幅值甚至达到200 cm/s,远超过前人给出的饱和值,这可能与大的永久形变或该处土层介质条件有关.     

基于小波方法的近断层地震动速度脉冲周期的统计特性

采用小波方法筛选出了180条断层距在20 km之内且PGV大于10 cm/s的具有速度脉冲特征的近断层地震波,分别对基岩和土层场地、走滑(SS)和非走滑(NSS)断层、不同脉冲峰值标准情形下近断层脉冲周期和矩震级的关系进行了统计,得到了不同情形下脉冲周期-震级经验公式回归系数,以供近场地震动速度脉冲的相关研究参考使用。结果表明:走滑断层产生的脉冲周期比非走滑断层的大,但随震级的增大情况发生变化;无论走滑断层还是非走滑断层,当震级较小时,土层场地的脉冲周期比基岩场地的大,随着震级的增加,基岩场地的脉冲周期将比土层场地的大;根据不同标准的速度脉冲峰值PGV记录,得到的周期-震级关系曲线有很大区别。     

汶川地震动摇摆分量参数的衰减特征分析

受接收设备和记录数量的限制,对摇摆分量内在属性及参数的统计分析了解甚少。为揭示摇摆分量的工程特性,便于结构抗震分析合理选取地震动参数,基于“5·12”汶川8.0级地震的348条数据记录,对比分析平动分量和摇摆分量的幅值以及频谱和持时的空间分布特征和随断层距的衰减规律。研究表明:摇摆分量与平动分量相比,在数量上峰值小很多,能量持时稍小且特征周期偏大。摇摆分量参数的空间分布特征为峰值具有沿断层破裂传播方向的方向性效应,峰值比、特征周期、能量持时的方向性效应不明显;除特征周期外,峰值、峰值比和能量持时均存在上下盘效应,上盘大于下盘。随断层距的变化特征为摇摆分量参数与平动分量参数的规律性一致,均表现为随断层距的增大,峰值减小,峰值比、特征周期和能量持时增加。     

台湾双冬断层近场脉冲型地震动的数值模拟

根据我国台湾地区西部的地质地貌特征和1999年集集M_W7.6地震的震源参数,建立了三维速度结构模型和两类震源模型。基于地壳中断层的位错积累量和岩石破裂后应力应变的传播特性,采用三维有限差分法对双冬断层活动可能产生的近场脉冲型地震动进行了模拟研究。结果表明:走滑断层垂直于断层走向的水平分量和逆断层垂直分量的峰值速度较大;由方向性效应所产生的双向速度脉冲主要集中在垂直于断层滑动分量方向,而由滑冲效应所产生的单向速度脉冲则主要集中在平行于断层滑动分量的方向;受方向性效应和上盘效应的共同制约,近场脉冲型地震动呈不对称带状分布,速度脉冲多分布在距离走滑断层迹线15 km和逆断层迹线10 km的范围内;速度反应谱在断层面的覆盖范围内沿破裂方向逐渐增大,且速度脉冲可能会对大型建筑物产生严重的剪切破坏。受凹凸体特性的影响,地震波场显示南投、台中和苗栗处于强地震动危险区。      

台湾集集大地震及其余震的长周期地震动特性

用丰富的高质量数字强震记录对台湾集集大地震及余震的长周期地震动特性进行了研究. 本文主要研究了长周期地震动的强度随震级、距离及场地条件的变化情况；同时对近断层的长周期地震动特性进行了分析. 结果表明，集集大地震及余震的长周期地震动反应谱的形状主要受场地条件和震级控制（D+E类场地的反应谱要比B+C类的宽，震级大的反应谱要比震级小的宽），而受距离影响并不显著；近断层长周期地震动明显受断层活动特性影响:上盘的长周期地震动比下盘的强，北部的比南部的强.      

近断层速度脉冲地震动的三维有限差分模拟

根据台湾西部地质地貌特征和1999年集集M_W7.6地震的研究成果,建立三维速度结构模型和震源模型,并采用三维有限差分法对双冬断层可能产生的近断层脉冲型地震动进行数值模拟。结果表明,方向性效应引起的双向速度脉冲集中在垂直于断层滑动分量的方向上,而滑冲效应引起的单向速度脉冲则集中在平行于断层滑动分量的方向上。受方向性效应和上盘效应的共同调制,近断层脉冲型地震动反映出不对称带状分布的特征,速度脉冲主要分布在距离断层面约10 km的范围内。凹凸体的特性影响着地震动的时空分布,由地震波场显示南投和台中处于强地震动危险区。近场脉冲型地震动的研究对分析速度脉冲形成机理以及地震危险性有一定的参考意义。     

Effect of seismic super-shear rupture on the directivity of ground motion acceleration

The effect of seismic super-shear rupture on the directivity of ground motions using simulated accelerations of a vertical strike-slip fault model is the topic of this study. The discrete wave number/finite element method was adopted to calculate the ground motion in the horizontal layered half space. An analysis of peak ground acceleration （PGA） indicates that similar to the sub-shear situation, directivity also exists in the super-shear situation. However, there are some differences as tbllows： （1） The PGA of the fault-normal component decreases with super-shear velocity, and the areas that were significantly affected by directivity in the PGA field changed from a cone-shaped region in the forward direction in a sub-shear situation to a limited near-fault region in a super-shear situation. （2） The PGA of the fault-parallel and vertical component is not as sensitive as the fault-normal component to the increasing super-shear velocity. （3） The PGA of the fault-normal component is not always greater than the fault-parallel component when the rupture velocity exceeds the shear wave velocity.     

Effect of source parameters on forward-directivity velocity pulse for vertical strike slip fault in half space

It has been found that the large velocity pulse is one of the most important characteristics of near-fault strong ground motions. Some statistical relationships between pulse period and the moment magnitude for near-fault strong ground motions have been established by Somerville （1998）; Alavi and Krawinkler （2000）; and Mavroeidis and Papageorgiou （2003）, where no variety of rupture velocity, fault depth, and fault distance, etc. were considered. Since near-fault ground motions are significantly influenced by the rupture process and source parameters, the effects of some source parameters on the amplitude and the period ofa forward-directivity velocity pulse in a half space are analyzed by the finite difference method combined with the kinematic source model in this paper. The study shows that the rupture velocity, fault depth, position of the initial rupture point and distribution of asperities are the most important parameters to the velocity pulse. Generally, the pulse period decreases and the pulse amplitude increases as the rupture velocity increases for shallow crustal earthquakes. In a definite region besides the fault trace, the pulse period increases as the fault depth increases. For a uniform strike slip fault, rupture initiating from one end of a fault and propagating to the other always generates a higher pulse amplitude and longer pulse period than in other cases.     

近断层脉冲型地震动的模拟方法

近断层地震动的向前方向性效应和永久地面位移效应导致其速度时程表现为长周期、大峰值的速度脉冲，其位移时程表现为阶跃型脉冲. 针对这些特点，同时考虑向前方向性效应和永久地面位移效应，提出了一种简单的、连续函数形式表达的等效速度脉冲模型. 在该模型中，包含描述速度脉冲周期、峰值和形状的5个待定参数，方便了实际脉冲型地震记录的拟合及模拟. 等效速度脉冲模型只包含单一的频率成分，不能反映脉冲型地震记录的高频成分. 根据对11次地震28条地震记录的分析， 速度脉冲的频率一般小于1Hz. 因此， 在模拟脉冲型地震记录的方法中，分别模拟低频脉冲成分和高频成分，并将两者叠加生成近断层脉冲型地震动的模拟时程.      

Simulation method of near-fault pulse-type ground motion

Introduction With the development of the economy of China, it is possible to build large-span bridges, pipelines, dams and other lifeline structures in the seismically active regions or through the active faults. In addition, some isolated and energy diss…     

均匀弹性全空间中走滑断层产生的方向性速度脉冲研究

本文在均匀弹性全空间中对走滑断层附近方向性速度脉冲作了定性研究。研究表明,方向性速度脉冲主要与观测点和破裂起始点之间的一部分破裂面的破裂过程有关;方向性速度脉冲的周期随震源时间函数中的上升时间增大而增加。破裂速度对于方向性速度脉冲的峰值和周期有重要影响,一般而言,随着破裂速度的增加,方向性速度脉冲的周期减少,峰值增大。因此在统计脉冲的峰值和周期与矩震级的关系时,需要考虑破裂速度的影响。     

Design spectra including effect of rupture directivity in near-fault region

In order to propose a seismic design spectrum that includes the effect of rupture directivity in the near-fault region, this study investigates the application of equivalent pulses to the parameter attenuation relationships developed for near-fault, forward-directivity motions. Near-fault ground motions are represented by equivalent pulses with different waveforms defined by a small number of parameters （peak acceleration, A, and velocity V; and pulse period, Tv）. Dimensionless ratios between these parameters （e.g., ATv/V, VTv/D） and response spectral shapes and amplitudes are examined for different pulses to gain insight on their dependence on basic pulse waveforms. Ratios of ATv/V, VTv/D, and the ratio of pulse period to the period for peak spectral velocity （Tv-p） are utilized to quantify the difference between rock and soil sites for near-fault forward-directivity ground motions. The ATv/Vratio of recorded near-fault motions is substantially larger for rock sites than that for soil sites, while Tvp/Tv ratios are smaller at rock sites than at soil sites. Furthermore, using simple pulses and available predictive relationships for the pulse parameters, a preliminary model for the design acceleration response spectra for the near-fault region that includes the dependence on magnitude, rupture distance, and local site conditions are developed.