四川地区场地放大系数特征分析及在强地震动模拟中的应用——以2022年芦山MS6.1地震为例

基于四川地区62个强震动台站的场地资料, 依据中国抗震规范及美国下一代衰减的Geomatrix(GMX)场地分类方法将台站场地进行了划分, 并以台站的场地放大系数和高频衰减参数(κ₀)为基础数据, 研究了不同场地类型的场地放大系数平均特征.结果显示, 在中国Ⅱ类场地中, 受狭窄山间谷底地形效应影响, 满足GMX的C类场地在大于10 Hz的高频段有明显放大; 受深厚软弱沉积层影响, 满足GMX的D类场地在小于5 Hz的低频段放大效应显著.考虑震源滑动模型、山区和盆地品质因子差异、局部场地效应, 采用区域内余震平均应力降, 通过随机有限断层法模拟了2022年芦山M_S6.1地震中9个断层距(R_rup)＜100 km的强震动台站的加速度时程、傅里叶振幅谱(FAS)和反应谱(PSA).结果显示, 模拟结果与观测加速度时程的S波部分符合良好.在8 s以下周期范围内模拟与观测FAS和PSA形状和幅值基本一致.较好地模拟结果支持此次地震为2013年芦山M_S7.0芦山地震的一次余震.另外, 模拟结果体现了此次地震在R_rup＜35 km范围内有明显的方向性效应, 与观测数据相符.最后, 考虑各类场地的场地放大系数和κ₀的平均特性, 比较了此次地震中R_rup＜150 km的167个盆地和130个山区烈度台观测和模拟峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV), 以及周期为0.5 s、1.0 s、5.0 s和8.0 s的PSA幅值随断层距的衰减特性.结果显示, 山区和盆地的地震动参数随距离的衰减特性较为相似, 山区和盆地的PGA、PGV强度相当.但是, 在周期大于1.0 s的长周期段, 盆地的反应谱幅值整体上大于山区.

     

鲁甸地震强震动记录与地震动衰减模型的对比研究

利用2014年鲁甸M_S6.5地震断层距小于300 km的32个自由场地观测台站的地震动加速度记录,分析了地震动峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)的空间分布特征,并对已有地震动衰减模型中的NGA-West2四个模型和1个中国川藏区模型进行了比较分析.研究表明,地震动PGA和PGV衰减最快的方向与断层主破裂方向一致.在整个断层距(R_rup)范围内大多数台站的地震动PGA、PGV和加速度反应谱值(Sa(T=0.1、5.0 s))均位于NGA-West2四个模型预测曲线的±1倍标准差之外.PGA、PGV和Sa(T=5.0 s)的事件内残差均值在-1.43~-0.74之间.Sa(T=0.01~5.0 s)事件内残差均值在整个距离范围内均表现出系统性偏负.NGA-West2四个模型的PGA事件内残差的空间分布特征相似,其最大正值和最大负值分布区域的震源-场地方位角约为-90°和90°,与主破裂断层方向垂直,所处地势较为平坦且台站场地V_S30相对较大.NGA-West2四个模型总体上会较大地高估鲁甸地震整个断层距范围内各个周期尤其是短周期(T < 1.0 s)的地震动加速度反应谱值.考虑本地区实际地震资料的中国川藏区地震动衰减模型也会在一定程度上高估鲁甸地震大多数台站的地震动加速度反应谱值,但是相对于NGA-West2四个模型,其预测值更接近鲁甸地震的实际观测值.

     

Evidence of nonlinear site response in horizontal-to-vertical spectral ratio from near-field earthquakes

The issue is addressed as to whether the horizontal-to-vertical spectral ratio (HVSR) method is sensitive to the amplitude of ground motion from near-field earthquakes. Twenty-one three-component accelerograms from two closely located similar soil sites in the town of Lefkas are used. The recordings represent 17 earthquakes covering a wide range of magnitudes, epicentral distances and azimuths. Peak horizontal accelerations (PGA) and velocities (PGV) lie in the ranges 20–540 cm/s² and 1.4–55.2 cm/s. For each HVS ratio, the site's fundamental-resonance frequency, f_res, is determined visually. Linear correlation analysis shows that f_res is strongly (negatively) correlated to PGA and PGV (r between −0.7 and −0.8); no correlation is found with resonance amplitude or epicentral distance. We show that the observed correlation is attributable to soil nonlinearity and indicate how weak-motion estimates of f_res can be corrected for use in assessing site response during strong shaking.     

熊本MW7.0地震近场地表与井下地震动对比研究

选取日本熊本M_W7.0地震断层距小于200 km的82个近场KiK-net台站记录到的三分量记录数据进行基线校正后,获得近场地面运动水平向的峰值加速度PGA、峰值速度PGV及周期为0.2,1,2,3,5和10 s的加速度反应谱数据,并与美国NGA-West2的地震动预测模型相比较,研究熊本地震地表和井下地震动峰值及反应谱的衰减特征,通过比较KiK-net台站地表与井下记录结果,探讨浅层场地放大效应的影响。研究结果表明:① 对于井下观测结果,NGA-West2的地震动模型对PGA和短周期0.2 s的反应谱的预测值与井下观测值相比整体偏高,而PGV和较长周期地震动（如1,2和3 s的反应谱）的预测值与井下观测值较为吻合;② 地表观测记录的PGA,PGV和周期为0.2—3 s的反应谱残差整体上随v_S30对数值的增大呈线性减小的趋势,而周期为5 s和10 s的长周期部分,其场地效应的影响很小;③ 相对于井下记录,地表记录的地震动PGA,PGV和周期为0.2,1和2 s的反应谱有明显的放大,这种放大作用随浅层场地剪切波速的增大而减小;周期为3,5和10 s时长周期地震动的放大效应很小。      

Ground motion prediction equations derived from the Italian strong motion database

We present a set of ground motion prediction equations (GMPEs) derived for the geometrical mean of the horizontal components and the vertical, considering the latest release of the strong motion database for Italy. The regressions are performed over the magnitude range 4?C6.9 and considering distances up to 200?km. The equations are derived for peak ground acceleration (PGA), peak ground velocity (PGV) and 5%-damped spectral acceleration at periods between 0.04 and 2?s. The total standard deviation (sigma) varies between 0.34 and 0.38?log₁₀ unit, confirming the large variability of ground shaking parameters when regional data sets containing small to moderate magnitude events (M?<?6) are used. The between-stations variability provides the largest values for periods shorter than 0.2?s while, for longer periods, the between-events and between-stations distributions of error provide similar contribution to the total variability.     

南北地震带南段水平向地震动衰减特征

地震动衰减关系作为抗震救灾的重要依据,一直都是现代地震学研究的重点之一.本研究使用南北地震带南段区域2009-2016年共217个地震事件获得随震中距变化的水平向地震动峰值速度（PGV）和地震动峰值加速度（PGA）经验衰减关系,并计算场地响应.研究结果显示PGV衰减关系的拟合效果较PGA更好,两者的距离衰减系数会随事件矩震级增大呈线性减小;相较于大矩震级事件,中矩震级事件在近场可能产生较衰减关系理论值更大的PGV和PGA,同时衰减关系的拟合标准差会随事件矩震级的增大而减小.进行场地响应校正后的PGV和PGA更加符合经验衰减关系,PGA的场地响应影响较PGV更强但两者的趋势一致,并与该区域前人计算得到的地壳Q_s值分布对应,表明地壳介质放大或压制地震波振幅和其传递地震波能量的能力是相关联的.本文结果一定程度上揭示了南北地震带南段的地震动强度衰减特征,为未来中国西南部的抗震减灾工作提供了重要的参考.

     

欧洲中小震基岩水平向地震动衰减关系研究

大震与中小震之间的地震动衰减规律有所不同.本文使用了132条欧洲基岩水平向记录研究中小震地震动衰减规律.震级范围在地方震级4～6级,距离在震源距70km以内.本文得到了峰值加速度和5%阻尼比、周期0.04～4.00秒之间的加速度反应谱的衰减关系.通过与欧洲和美国西部地震动衰减关系对比,分析了在地震活动性不同的地区内,大震与中小震之间存在的差异有何不同.     

地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能影响研究

为了研究地震波参数对柱顶隔震体系的水平向减震性能的影响,选取台湾集集地震中8条地震波作为输入,进行了柱顶隔震体系模型的振动台试验。分析了柱顶隔震体系的水平向动力响应特点,研究了地震波的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距及幅值对其水平向减震性能的影响,并进行了数值模拟的对比分析。结果表明:柱顶隔震体系的水平向减震性能良好。相同地震强度下地震波参数的PGV/PGA、卓越周期、平均周期和断层距对柱顶隔震体系水平向减震性能的影响明显,其中:PGV/PGA的影响程度最大,可以作为主要的分析指标;随着地震动强度的增大柱顶隔震体系的水平向减震效果更加明显,地震动强度达到一定幅值后,减震率缓慢下降;与远场地震相比,近场地震不利于柱顶隔震体系的水平向减震性能的发挥,脉冲型近场地震作用下其减震效果更差。振动台试验结果与数值模拟结果基本一致,表明分析结果的可靠性。     

Behaviour of near-source vertical and horizontal response spectra at smart-1 array,Taiwan

Over 700 accelerograms recorded from 12 earthquakes in northeast Taiwan have been analysed for investigating the behaviour of the vertical and horizontal peak and spectral ground motion in the near-source region. Pseudo-relative spectral velocities (PSV), at 5 per cent critical damping for 23 frequencies in the range of engineering interest have been subjected to non-linear regression procedures in terms of magnitude and hypocentral distance. Predicted response spectra for several discrete distances and magnitudes are presented. The results show that the shape of response spectra for both vertical and horizontal components of ground motion is magnitude- as well as distance-dependent. The 2/3 ratio of vertical to horizontal ground motion, commonly used in engineering applications, appears unconservative in the very near field for high frequency ground motion. However, it falls below 1/2 at distances greater than 50 km. The same ratio for peak ground velocity (PGV) and peak ground displacement (PGD) tends to increase with distance—the latter at a faster rate.     

2020年10月22日四川北川MS4.7地震强震动特征分析

2020年10月22日11时03分37秒四川省绵阳市北川县发生MS4.7地震,四川强震动台网与预警烈度速报台网在震区建成较密集的台站,获取了532组三分量加速度记录,有助于开展区域地震动衰减和地震动特征研究.本文对强震记录进行常规处理后计算出强震动记录的相关参数,利用克里金插值方法得到地震动峰值加速度PGA和峰值速度PGV的空间分布图,长轴呈北西—南东方向.分析强震动记录PGA、PGV随距离的衰减规律,与常用衰减关系预测值进行对比,此次地震PGA的衰减特性与俞言祥和汪素云(2006)提出的中国西部地区水平向基岩加速度衰减关系有较好的一致性.北川MS4.7地震获得的密集强震动记录为建立区域衰减关系,以及开展基于经验格林函数方法(EGFM)再现大震强地震动场展布等研究提供了重要的数据支撑.     

Effect of peak ground velocity on deformation demands for SDOF systems

The effect of peak ground velocity (PGV) on single‐degree‐of‐freedom (SDOF) deformation demands and for certain ground‐motion features is described by using a total of 60 soil site records with source‐to‐site distances less than 23 km and moment magnitudes between 5.5 and 7.6. The observations based on these records indicate that PGV correlates well with the earthquake magnitude and provides useful information about the ground‐motion frequency content and strong‐motion duration that can play a role on the seismic demand of structures. The statistical results computed from non‐linear response history analyses of different hysteretic models highlight that PGV correlates better with the deformation demands with respect to other ground motion intensity measures. The choice of PGV as ground motion intensity decreases the dispersion due to record‐to‐record variability of SDOF deformation demands, particularly in the short period range. The central tendencies of deformation demands are sensitive to PGV and they may vary considerably as a function of the hysteretic model and structural period. The results provided in this study suggest a consideration of PGV as a stable candidate for ground motion intensity measure in simplified seismic assessment methods that are used to estimate structural performance for earthquake hazard analysis. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

2016年2月6日美浓6.4级地震P-alert台网强震动记录初步分析

P-alert台网实时数据对地震预警及烈度速报和工程地震研究都是重要的补充,处理分析这些数据对客观衡量P-alert台网数据质量和数据用途有重要意义。对2016年2月6日台湾美浓ML6.4地震P-alert台网获取的记录进行了处理和初步分析,统计分析显示100gal以上加速度记录有112条,200gal以上加速度记录有33条,400gal以上加速度记录有7条,东西向最大峰值加速度为466.4gal,南北向最大峰值加速度为498.4gal,竖直向最大峰值加速度为258.6gal,最大仪器地震烈度为9.5度。竖直向峰值加速度和峰值速度比水平向峰值加速度和峰值速度衰减快。峰值加速度比峰值速度衰减快,观测峰值加速度和峰值速度与台湾西南地区峰值加速度和峰值速度衰减公式比较一致。计算得到了近场台站的永久位移,显示P-alert台网绝大多数永久位移在1cm到5cm之间,最大永久位移达8cm。     

2021年5月21日云南漾濞6.4级地震强震动记录特征分析

对2021年5月21日云南漾濞6.4级地震获取的28组84条强震动记录进行零线调整和滤波等常规处理,分析了此次地震记录的幅值、频谱以及持时特征。分析结果表明,此次地震峰值加速度范围为0.8~720.3 cm/s²,峰值速度范围为0.1~29.4 cm/s,计算最大仪器地震烈度为8.3度。将实际观测数据与YU2013分区地震动衰减关系对比,结果显示PGA总体上分布于衰减公式误差范围内,预测效果良好。在远场（>250 km）较多台站的PGV观测值大于预测值中位值的加一倍标准差。幅值较大2个台站的加速度反应谱峰值周期均在0.5s以内,其中漾濞台在高频部分三分向加速度反应谱值均超过8度罕遇地震的设计反应谱值。最后计算了5%~75%和5%~95%两种重要持时,结果整体上符合随震中距增大而增大的规律。将两种能量持时结果与BOOMER等（2009）^[12]以及TRIFUNAC等（1975）^[13]的持时预测方程对比,结果较为一致。     

拟合反应谱峰加速度和峰速度的人造非平稳地震动

为满足重要工程对设计地震动的需要,文中研究了一种考虑场地附近天然地震记录数据相位非平稳特性、同时拟合S0A(T)、PGA和PGV的人造地震动技术,并以新疆玛纳斯县城区基岩场地为例,利用该区域强震记录提取的天然地震动非平稳相位,进行了非平稳人造地震动的合成。研究成果可为拟合反应谱人造地震动的工程应用提供参考。     

地震动峰值特征参数对土坡地震响应的规律研究

本文随机选取了100条具有不同地震动峰值特征参数的地震动记录,通过基线校正、积分等方法获取每条地震动的峰值加速度（PGA）、峰值速度（PGV）和峰值位移（PGD）三个参数,进而基于有限元数值模拟,通过对比同一个观测点不同峰值特征参数的特性与不同观测点同一峰值特征参数的特性来研究土坡的地震响应规律,分析各地震动峰值特征参数与土坡地震响应的相关性。计算结果表明:PGA,PGV和PGD与土坡地震响应都具有良好的正相关性,其相关性系数平均值分别为0.868,0.981,0.926;PGV的相关性优于PGA和PGD,而PGD的相关性要稍好于PGA。因此在关于土坡稳定性评价中,建议采用PGV作为参数指标。      

地震动强度参数估计的可解释性与不确定度机器学习模型

准确预测地震动强度参数(峰值加速度PGA、峰值速度PGV等)对于震后应急和地震危险性概率分析至关重要.作为地震动强度参数预测的新手段, 机器学习算法具有优势, 但也存在可解释性差和难给出预测结果不确定度的问题.本文提出采用自然梯度提升(NGBoost)算法在预测结果的同时提供其不确定度, 并结合SHAP值解释机器学习模型.基于NGA-WEST2强震动数据库, 本文训练出了适合预测活跃构造区地壳地震的PGA和PGV概率密度分布的机器学习模型.测试集数据PGA和PGV的预测值与真实值的相关系数可达0.972和0.984, 并可给出预测结果的合理概率密度分布.通过SHAP值, 我们从数据角度弄清了各输入特征(矩震级M_W、Joyner-Boore断层距R_jb、地下30 m平均S波速度V_S30、滑动角Rake、断层倾角Dip、断层顶部深度Z_TOR和V_S达到2.5 km·s^-1时的深度Z_2.5)对机器学习模型预测结果的影响机理.SHAP值显示, 基于NGBoost算法的机器学习模型的预测方式基本与物理原理相符, 说明了机器学习模型的合理性.SHAP值还揭示出一些以往研究忽视的现象: (1)对于活跃构造区地壳地震, 破裂深度较浅(Z_TOR＜~5 km)时, Z_TOR的SHAP值低于破裂深度较深(Z_TOR＞~5 km)时的值, 表明浅部破裂可能主要受速度强化控制, 地震动强度较弱.并且Z_TOR的SHAP值随Z_TOR值增大而减小, 表明地震动强度可能还受破裂深度变化引起的几何衰减变化影响; (2)破裂深度较深时, Z_TOR的SHAP值随Z_TOR值增大而增大, 表明深部破裂的地震动强度可能受和破裂深度变化相关的应力降或品质因子Q的变化影响; (3)Z_2.5较小(Z_2.5＜~1 km)时, Z_2.5的SHAP值的变化规律对于PGA和PGV预测是相反的, 表明加速度和速度频率不同, 受浅层沉积物厚度变化引起的共振频率变化影响不同.

     

Ground-motion prediction equations for the intermediate depth Vrancea (Romania) earthquakes

We present the regional ground-motion prediction equations for peak ground acceleration (PGA), peak ground velocity (PGV), pseudo-spectral acceleration (PSA), and seismic intensity (MSK scale) for the Vrancea intermediate depth earthquakes (SE-Carpathians) and territory of Romania. The prediction equations were constructed using the stochastic technique on the basis of the regional Fourier amplitude spectrum (FAS) source scaling and attenuation models and the generalised site amplification functions. Values of considered ground motion parameters are given as the functions of earthquake magnitude, depth and epicentral distance. The developed ground-motion models were tested and calibrated using the available data from the large Vrancea earthquakes. We suggest to use the presented equations for the rapid estimation of seismic effect after strong earthquakes (Shakemap generation) and seismic hazard assessment, both deterministic and probabilistic approaches.     

面向地震烈度仪的现地地震动预测模型的构建与验证

利用初期P波预警参数构建现地地震动预测模型,使其在达到设定阈值时快速发出报警信息,是现地地震预警系统面临的一个关键问题,直接关系到发布信息的准确性和及时性。针对地震烈度仪基于微机电系统传感器记录到的数据质量较差,通过两次积分获取的位移存在较大偏差,会引起更多的误报和漏报,本文采用不同阶数(1—4阶)的巴特沃斯滤波器,分别构建了基于P波3 s和全P波段数据的位移幅值PD、速度幅值PV和加速度幅值PA与地震动峰值速度PGV和峰值加速度PGA的现地地震动预测模型,然后利用收集到的川滇示范预警网地震事件记录进行验证。结果表明,对于地震烈度仪微机电系统传感器的记录,采用1阶巴特沃斯滤波器处理、基于全P波段波形拟合获取到的PV与PGV的相关性和PA与PGA的相关性为两种最优现地地震动预测模型。具体应用时,应同时利用两种或两种以上的统计关系进行现地地震动预测,并将实际地震动观测值作为额外的判定条件,以降低误报率和漏报率。     

Response spectral amplification ratios from 1- and 2-dimensional nonlinear soil site models

In order to determine the effect of geometry on the ground response of 2-dimensional (2-D) basins filled with soils that can develop nonlinear response, we use three basin models with width/depth ratios 3, 6 and 10. The three basins are subjected to a suite of rock site records with various magnitudes and source distances. We compute response spectral amplification ratios at four locations on the surface of the 2-D basins, and determine the average variation of the amplification ratios with respect to excitation spectra, for peak ground acceleration (PGA) and 3 spectral periods of 0.2, 0.5, 1 s. Similarly, we compute the average response spectral amplification ratios for two 1-dimensional (1-D) nonlinear models, one having the soil profile at the basin centre and the other having a soil profile at half the depth of the basin. From the relationship between the average amplification ratios and excitation spectra, we determine the cross-over point in terms of excitation spectral values that separate the amplification range from the deamplification range. Our results show that the cross-over point varies significantly from one location to another on the ground surface and from one basin to another, in a range of 0.3–1.1g for PGA. The effects of basin geometry are very strong at weak and moderate excitation, but decrease with increasing excitation spectra in a significant portion around the basin centre. Our results provide some justification for using 1-D models for 2-D basins with a width/depth ratio ?6 if the soil site is subjected to strong ground shaking.     

基于强震记录的核电厂抗震标准反应谱研究

依据基岩场地上的汶川地震强震记录,分析了地震动地面峰值和核电站抗震标准反应谱的特性,证明了在推导和使用标准反应谱时所考虑的地面峰值加速度与地面峰值速度之比(PGA/PGV)受地面峰值加速度和震中距的影响,将对标准反应谱形状产生明显的影响.另外还发现了基岩场地的竖向峰值加速度可能要远比通常认为水平向峰值加速度的2/3大....