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.     

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。      

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。      

集集地震近断层地震动频谱特性

利用5个反映地震动频谱特征的周期(反应谱卓越周期Tp, 平滑化反应谱卓越周期To, 傅氏幅值谱平均周期Tm, 等效速度脉冲周期Tv和拟速度反应谱卓越周期Tpv), 对集集地震的近断层三分量地震动进行研究. 结果表明, 上盘地震动的频谱周期小于下盘地震动; Tp小于To和Tm, 且Tp反映的三分量之间的关系与To和Tm不同; 在地表断裂带的北端,Tv和Tpv所反映的近断层地震动长周期分量的频谱特征, 与走滑断层中方向性效应作用的规律相类似. 得出的定性或定量结论可以为近场抗震设计谱的建立与地震危险性区划研究提供参考.      

芦山7.0级地震近断层地震动的方向性

基于芦山7.0级地震中断层距小于100 km自由场台站的强震动记录观测数据,研究此次地震近断层地震动的方向性特性,并探讨方向性特性与震源破裂机制、断层距离和空间方位的关系.研究结果表明：（1）与距断层较远记录不同,近断层地震动在不同的观测方向上表现出显著的强度差异,存在明显的极大和极小作用方向.在不同的方向上,最大加速度反应可达最小值的4倍以上;（2）这种方向性差异在T=1.0 s以上的长周期段更为明显,在T=0.1 s以下的短周期段,地震动随方向变化的差异较小.地震动强度随方向变化的差异随周期增大而增大,不同方向上的加速度反应谱值的最大值与最小值之比从周期T=0.01 s时的约1.7增大到周期T=10 s时的约2.4;（3）在距离断层约35 km以内,地震动具有明显方向性,地震动卓越方向具有垂直断层走向的特征,随断层距的增大,这种方向性不明显.从不同方向上地震动强度的差异来看,随断层距增大,地震动强度在不同方向上的差异在减小,表现为各个周期的最大值/中值和最大值/最小值比值均随断层距离增大缓慢减小;（4）近断层地震动的方向性特性主要受断层上、下盘的相对运动所控制,其在长周期的卓越方向与水平同震位移方向一致,且该卓越方向上的地震动强度绝对大小与地震破裂造成的静态位移明显相关,表现为地震动强度随水平同震位移的增大而增大.     

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。     

近断层脉冲型地震动功率谱特性分析

计算分析了近断层脉冲型和无脉冲地震动的功率谱特性。与远场地震动相比,近断层脉冲型地震动的功率谱峰值最大,且在低频处能量集中,符合其长周期分量丰富和幅值大的特点;无脉冲地震动的功率谱峰值次之,对应的卓越频率大于脉冲型地震动功率谱的卓越频率,但仍小于远场地震动功率谱的卓越频率。建立了一种新的功率谱模型以拟合近断层地震动的平均功率谱,并得到了谱强度因子关于震源幅值系数、传播介质衰减系数和震中距的表达式。最后,从新的视角对近断层和远场地震动功率谱卓越频率产生差异的原因进行了诠释。     

近断层竖向与水平向加速度反应谱比值特征

显著的竖向地震动是近断层地震动区别于远场地震动的重要特征之一,为更合理地确定竖向地震动作用,研究了近断层区域竖向地震动的反应谱特征及其与水平向反应谱比值的影响因素.首先,选取1952—1999年世界范围内震级在M5.4—7.6之间的18次地震的地震动记录,研究竖向地震加速度反应谱及其与水平向加速度反应谱比值特征;然后统计分析了断层距、场地条件、震级以及断层机制对竖向与水平向加速度反应谱比的影响.结果表明,一般情况下竖向加速度具有更丰富的短周期分量,并且竖向加速度反应谱衰减较慢;断层距在20km以内的近断层区域、软弱土层场地、中等震级地震和逆断层大震级中长周期范围等条件下,具有较大的竖向与水平向加速度反应谱比值;在近断层区域的结构抗震设计中应充分考虑竖向地震动的影响.     

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。     

近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应对隔震建筑结构抗震性能的影响

选择台湾集集地震和美国北岭地震的近断层地震动记录作为输入,考察了近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应引起的两种不同速度脉冲运动对单自由度体系和长周期橡胶支座隔震建筑结构抗震性能的影响.反应谱分析表明,破裂向前方向性与滑冲效应对工程结构地震响应的影响是随结构周期变化的.在中短周期段,含破裂向前方向性效应地震动的谱加速度值大于含滑冲效应地震动的谱加速度值;而在长周期段,含滑冲效应地震动的谱加速度大于含破裂向前方向性效应的谱加速度值.并且,与无脉冲地震动作用相比,含破裂向前方向性与滑冲效应脉冲的近断层地震动作用下隔震建筑的地震响应显著增大.滑冲效应引起的速度脉冲使隔震建筑底部的层间变形和楼层剪力明显增大,这意味着滑冲效应脉冲比向前方向性效应脉冲对长周期建筑结构的破坏更具危害性.     

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.     

复杂场地条件下震源参数对断层附近长周期地震动的影响

基于显式有限元方法和运动学震源模型并利用昆明盆地三维地下构造模型,本文研究了震源参数对断层附近长周期地震动的影响.结果表明,断层的破裂方式、埋藏深度、破裂速度以及断层面上位错的不均匀分布对断层附近长周期地震动有重要影响.不同破裂方式下,破裂的方向性强的区域分布不同,由于破裂的方向性效应和复杂场地条件的共同作用,导致不同破裂方式的断层附近地震动分布差别很大.随着破裂速度的增加,方向性效应更加明显,断层附近的长周期地震动也随之增大;对于浅源地震,随着断层埋深的增加,地震动明显下降.对于埋藏深度很浅的断层,当Asperity靠近断层上沿时,会显著增大其在地表投影附近的长周期地震动.能否合理地估计这些基本震源参数,是预测未来发震断层周围地震动场的关键.     

Characteristics of frequency content of near-fault ground motions during the Chi-Chi earthquake

Introduction The dynamic response of structural systems subjected to earthquake ground shaking is sig-nificantly affected by the frequency content of input ground motions. When the frequency content of a predominant earthquake ground motion closely matches the natural period of a structural sys-tem, the dynamic response is significantly enhanced and thus may cause severe damage (Chopra, 1995). Therefore, it is of great importance to evaluate the frequency content of ground motions. In recent …     

2008年汶川地震近断层地震动的非平稳特征

利用中国强震动台网获得的汶川地震近断层强震动数据,研究汶川地震近断层地震动的强度和频率的非平稳特征,并对其非平稳特征的原因进行初步分析.研究表明近断层地震动强度和频率表现出很强的非平稳特性,这种非平稳特征主要受震源破裂机制、台站方位和局部场地条件的影响.破裂传播正向和反方向上地震动强度和频率的时间过程有显著的不同.在破...     

日本熊本M_W 7.0地震的长周期地震动

利用日本K-NET和KiK-net强震动台网获取的距离发震断层100 km以内136个强震动台站的三分量加速度记录,研究熊本M_W7.0地震地震动的长周期特性.基于残差分析研究不同周期地震动的空间分布差异,将观测分析结果与美国NGA经验模型、汶川和芦山地震观测结果进行对比,揭示此次熊本地震近场强震动的长周期特点及其形成机理.研究结果表明:(1)虽然总体上此次地震的近场地震动水平与美国NGA-West2经验模型的预测结果接近,但周期2 s以上地震动的分布在断层不同方位有系统性差异,在断层的北东方位,周期2.0～10.0 s的反应谱高于NGA-West2经验模型的预测结果,在西南方位,谱值低于经验预测模型.(2)我们认为此次地震2.0～10.0 s的长周期地震动的空间分布差异主要受破裂方向性的影响,在破裂传播的正前方,周期T=2.0 s,3.0 s,5.0 s,7.5 s和10.0 s的加速度谱被放大到整体观测平均水平的1 4～2.0倍.从周期T=2.0 s到10.0 s,破裂向前方向的放大作用和破裂反方向的减弱作用均有所增强,此次地震观测到的速度大脉冲记录均位于断层的东北方位,这与方向性脉冲的产生机理相吻合,速度大脉冲对加速度反应谱有显著的长周期放大作用,放大倍数值可以超过4.0,放大作用的影响主要位于脉冲的特征周期T_p附近.(3)近断层记录在建筑结构敏感的周期(0.5～2.0 s)的反应谱达到芦山地震的3～6倍,虽然与芦山地震震级接近,此次地震近断层地震动破坏力大大超过了芦山M_W6.8地震,甚至超过了汶川W_W7.9地震,这种长周期特点应该引起工程抗震设计和相关研究人员的重视.     

脉冲型近断层地震动作用单自由度体系响应分析

近断层前方向性效应地震动含有高幅值,短持时的速度脉冲,与远场地震动相比存在显著差异。本文根据所选取的40条近断层地震波记录,用小波分析方法将原始记录分解为脉冲波部分和高频波部分,对弹性和非弹性单自由度体系进行分析,得出了以下结论:对于弹性体系,大约0.484倍的速度脉冲周期可以作为临界周期,脉冲波部分将对固有周期大于临界周期的结构的响应起主导作用,反之,高频波部分将会产生显著影响;对于非弹性体系,仅仅用等效速度脉冲方法模拟近断层地震动的计算精度将会受到延性系数?的影响,随着延性系数的增加,脉冲波部分满足精度要求的结构固有周期范围将明显缩小,并且向较低周期范围偏移;仅用等效速度脉冲模型来模拟近断层地震动具有一定的局限性。     

基于分解方法的脉冲型地震动非弹性反应谱分析

本文旨在分析脉冲型地震动中不同频率的地震动分量对于原始地震动幅值及其非弹性反应谱的影响.首先以近期12次大地震的53条典型脉冲型地震动为数据基础,基于多尺度分解方法获取脉冲型地震动中的高频分量和低频分量.为与传统方法对比,本文获取了能够表征地震动脉冲特性的卓越分量及滤除卓越分量的剩余分量.然后对比分析原始地震动和4种地震动分量的幅值特征和非弹性反应谱的特性,以讨论地震动分量对原始地震动幅值参数及其非弹性反应谱的影响.最后结合简谐地震动模型和地震动分量的性质,讨论脉冲型地震动非弹性反应谱诸多特征的产生原因.分析发现,低频分量不仅是控制脉冲型地震动速度和位移幅值的主要因素,其对原始地震动的加速度幅值也具有不可忽略的影响.低频分量也是导致脉冲型地震动非弹性位移比谱偏大以及强度折减系数谱偏小的直接原因,从而造成结构在脉冲型地震动作用下需要具有更大的非弹性位移以及更高的强度需求.