福州盆地强地面运动特征的有限元数值模拟

区域性地震波强地面运动的量化数值模拟分析结果可以用来指导城市规划建设,并在防震减灾中发挥重要作用. 本文采用有限元数值模拟方法来模拟由地震激发的区域地震波强地面运动过程,并得到地表峰值速度和加速度的分布特征.考虑到福州是东南沿海的重要省会城市,其明显的盆地结构特征使它很容易遭受强地震灾害的影响. 因此本文以福州盆地为主要研究对象,假定盆地的主要断层某一位置在未来可能发生灾害性地震,则该地震会激发地震波的强地面运动,并由于地形、沉积层等主要影响,在盆地内部发生放大.通过对地震波传播过程的数值模拟和后处理分析,给出了该盆地的地表峰值位移、峰值速度和峰值加速度分布图谱.该图谱可为未来的福州城市规划和抗震减灾提供定量科学参考依据.     

考虑地形起伏和障碍体破裂的汶川地震强地面运动数值模拟

2008年5月12日四川汶川地区发生M_W7.9地震,震中位置103.4°E,31.06°N.这次地震造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域建筑物的严重破坏和人员的重大伤亡,且因为高山等地形复杂区域抢险救灾的艰巨性,为及时救援造成很大干扰.为更好理解地形因素对于强地面数值模拟结果的影响,建立了包含地形起伏影响及去除地形影响的两类模型.同时,依据震源破裂过程运动学反演结果,建立了包含障碍体破裂过程的震源滑动模型,实现断层分段、空间倾角以及滑移角的动态设定.基于动力学的地震动模拟方法,通过对地震波传播过程的数值计算和后处理分析,模拟由地震激发的区域强地面运动过程.结果显示：（1）强震动台站的断层距对地形效应具有放大或抑制作用,距离断层破裂带越近,地形效应越明显,反之,距离越远,则地形效应越微弱;（2）因为地形高差与障碍体的影响,地震造成的峰值可能出现在震中区域之外;（3）考虑地形影响模型的地表峰值速度（PGV）区域位于汶川与北川附近;而未考虑地形影响模型的PGV区域位于灌县—江油断层的后半段,处清平、安县附近;对汶川地震近实时强地面运动波场的模拟、峰值图谱的圈定及未来大地震强地面运动特征的预测都有重要指示意义.     

2013年甘肃岷县MS6.6地震区域地震波传播模拟与地面运动特征研究

2013年7月22日,甘肃省定西市岷县发生M_S6.6地震,造成了严重的人员伤亡和经济损失.地震发生于青藏高原东北部边缘与甘肃东南部地区的交界处,是该区域一百多年以来发生的最大地震.分析本次地震观测数据显示,岷县M_S6.6地震产生的地震地面运动呈现出明显的区域变化特征.为了研究这种区域变化特征,本文使用全球CRUST1.0和SRTM30模型数据建立了甘肃岷县及周边地区的地下三维传播介质模型,使用并行的三维有限差分方法进行了岷县地震的区域地震波传播模拟,并与研究区内数字地震台网记录的地震观测资料进行对比.通过分析地面运动的峰值速度和持续时间的区域分布特征,发现：在青藏高原东北部边缘,较大的地形起伏对地面运动的峰值速度分布起主要影响作用;在青藏高原外围地区,地形起伏较小,而沉积层主要影响地面运动的峰值速度和持续时间,从而导致了明显的盆地效应,如地面运动的振幅放大和持续时间加长.因此,研究区剧烈的地形起伏和表层沉积层是影响地面运动的重要因素.     

2008年青海大柴旦Mw6.3地震地面运动模拟

2008年11月10日在青海柴达木盆地北缘发生了大柴旦M_W6.3地震,为了研究该地震的区域地震波传播与地面运动特征,本文利用地质资料和地壳速度结构研究成果,构建了柴达木盆地及周边区域三维传播介质模型,采用有限差分方法模拟了大柴旦地震波场传播过程以及地面运动分布特征.结果表明,柴达木盆地对波场传播有明显影响,表现为地震波传入盆地后在边界产生次生面波,盆地沉积物对地震波具有围陷作用,地震地面运动在盆地内振幅增大、持时延长.模拟结果给出的地震地面运动峰值速度分布以及理论地震图均和观测结果符合较好,反映数值模拟较好地给出了观测地面运动的主要特征以及传播介质模型的合理性.     

瑞利面波地形效应的数值模拟研究

在地震工程中,经常观测到地震波受地表起伏的影响而产生地形效应.本文基于数值模拟,研究了地震远场区域起伏地形对地表瑞利面波传播影响和对应的地形效应特征.结果表明:起伏地形的转折点或面的散射或反射,产生反方向传播的反射RR波和向空间扩散传播的转换RS体波,导致通过地形的瑞利面波能量极大的减弱,地形总体表现出强的隔震效应.地形起伏与地震动的波长比越大,隔震效应越强.凹陷地形表现出远比隆起地形更大的隔震效应.起伏地形转折引起的地表张角变化,导致地震动能量分布密度改变,是地形出现局部放大或减弱特征的主要因素.地表张角小于180°,地震动放大,张角越小放大作用越明显.地表张角大于180°,地震动减弱,张角越大减弱作用越强.当地形对地震动产生放大作用时,地震动水平分量比垂直分量放大效果更明显,而当地形产生减弱作用时,相对于水平分量,垂直分量更容易被减弱.     

张北地震在北京市激发的二维强地面运动的模拟

张北县距离北京市约200多km,1998年1月的张北地震是近期北京周边地区发生的一次较强规模的地震,研究它在北京地区引起的强地面运动,有助于分析首都圈内的地震危害性,为地震减灾提供理论帮助.本文利用新的计算工具-局域离散波数法,模拟了张北地震激发的包括来自上地壳、moho面反射波、首播等在内的全波场在北京西部引起的2D强地面运动,分析了该区内第三纪、第四纪沉积地层对于地震的放大效应,得出的主要结论有,薄的第四纪沉积盖层的地点放大效应比厚的第三纪盖层的大很多,说明介质物性是决定地点放大效应的根本原因;不同物性的沉积盖层,在R、Z分量上的放大作用不一样,体现了地点放大效应的复杂性,值得在今后的研究中继续探讨.     

局部山体地形对强地面运动的影响研究

基于曲线网格有限差分方法研究了地震波在不同坡度的山体地形及水平地表模型中的传播,得到了各模型速度波形及地表峰值速度特征,从地形自身特征及震源特征两方面出发讨论了地形效应:一是相同的震源模型下地形坡度、形状对地震动的影响;二是同一山体模型下地震动对不同震源机制的点源以及相对复杂的有限断层的响应.主要结论如下:(1)一般情况下,地形放大效应在坡度较大的地方比较明显,并随着坡度的增加而增大,但在某些特定情况下,放大效应与坡度并不满足正相关,且这种情况的发生与震源性质无关,可能仅受地形形态自身的影响;(2)对于不同的震源机制,地面运动各分量受地形影响程度不同,总体上水平分量受地形影响程度更大;(3)震源机制和震源激发的波的频率会影响放大效应最大值出现的位置,放大效应最大值不一定出现在山顶处,有可能会出现在起伏地形的震源对侧,出现位置可能与波的相互作用有关;(4)有限断层模型下,地面运动特征相对更为复杂,地形效应不仅受断层模型几何特征的影响,同时断层破裂过程对其也有着重要的影响.     

基于有限断层模型的芦山“4·20”7.0级强烈地震强地面运动特征

基于芦山地震的震源破裂过程反演结果,利用有限断层模型,以芦山地区三维地壳速率结构模型为基础,对芦山“4·20”7.0级强烈地震引起的强地面运动进行了模拟.对这次地震中由典型盲断层引起的强地面运动数值模拟结果反映了与实际震害相近的分布特征:断层上盘的宝盛、龙门及芦山以北位于极震区,也是强地面运动的高强度集中区,特别是垂向分量的速度、加速度峰值均在该地区达到了最大值,最能反映地表震害特征的竖向地震加速度在龙门一带达到了350gal,与极震区Ⅸ度的烈度相当,而在芦山以北龙门一带,瞬时竖向位移峰值高达110cm,这些特征与实际震害分布是非常相近的.综合分析认为,这次地震强地面运动表现出了明显的逆冲断层引起的强地面运动的分布特征,同时在强地震动传播过程中,由于高陡峭地形地貌特征及四川盆地内山间盆地的影响,地形地貌和盆地效应对地震波的反射和放大作用明显加强,也是该地区地震破坏强度增大的重要因素.     

基于伪谱和有限差分混合方法的兰州盆地强地面运动二维数值模拟

利用伪谱和有限差分混合方法对兰州盆地进行二维强地面运动模拟.假设3个不同的震源深度5、10、20 km的同一地震下,以一个5层的二维剖面作为模型,以此来研究地震波传播过程并分析复杂的二维非均质路径效应,以及局部地下速度构造对强地面运动振幅加乘的影响,从而了解路径效应对强地面运动最大峰值位移的影响程度.研究结果显示:伪谱和有限差分混合方法模拟地震波场结合了有限差分法和伪谱法的优点,弥补了二者的不足,能较好地处理介质不连续面的计算,同时保证了和伪谱法相当的计算精度.通过地震波场模拟可知沉积盆地的强地面运动较基岩相比具有放大效应,震源深度的不同对兰州盆地垂直分量地面最大峰值位移影响较大,在震源深度为5 km时最小,为0.06 cm;震源深度10 km时在水平剖面30～55 km范围内峰值位移最大,达到0.14 cm;但对水平分量的峰值位移影响较小.     

SH波地形效应特征的研究

许多实际的地震中已经观测到地表地形对地表地震动产生影响(地形效应),这种影响背后的成因、影响因素、影响规律至今还不太清楚,因此地震学中、地震工程学中都围绕这一课题展开了相应的研究.本文以地震波模拟为手段,以点力源激发下的SH横波地震波传播为对象,研究地形形态、震源的物理特征对SH波地表地震动的影响,研究内容主要包括:地形陡度和地形复杂度对地形效应的作用;震源所处位置、震源频率与地形效应的关系,揭示出地形效应的成因受局部地表张角的控制,张角越小地形的放大作用越强.     

Parallel PSM/FDM Hybrid Simulation of Ground Motions from the 1999 Chi-Chi,Taiwan, Earthquake

-- A new technique for the parallel computing of 3-D seismic wave propagation simulation is developed by hybridizing the Fourier pseudospectral method (PSM) and the finite-difference method (FDM). This PSM/FDM hybrid offers a good speed-up rate using a large number of processors. To show the feasibility of the hybrid, a numerical 3-D simulation of strong ground motion was conducted for the 1999 Chi-Chi, Taiwan earthquake (M_w 7.6). Comparisons between the simulation results and observed waveforms from a dense strong ground motion network in Taiwan clearly demonstrate that the variation of the subsurface structure and the complex fault slip distribution greatly affect the damage during the Chi-Chi earthquake. The directivity effect of the fault rupture produced large S-wave pulses along the direction of the rupture propagation. Slips in the shallow part of the fault generate significant surface waves in Coastal Plain along the western coast. A large velocity gradient in the upper crust can propagate seismic waves to longer distances with minimum attenuation. The S waves and surface waves were finally amplified further by the site effect of low-velocity sediments in basins, and caused the significant disasters.     

Ground motion characteristics of the Chi‐Chi earthquake of 21 September 1999

The purpose of this paper is to investigate the ground motion characteristics of the Chi‐Chi earthquake (21 September 1999) as well as the interpretation of structural damage due to this earthquake. Over 300 strong motion records were collected from the strong motion network of Taiwan for this earthquake. A lot of near‐field ground motion data were collected. They provide valuable information on the study of ground motion characteristics of pulse‐like near‐field ground motions as well as fault displacement. This study includes: attenuation of ground motion both in PGA and spectral amplitude, principal direction, elastic and inelastic response analysis of a SDOF system subjected to near‐field ground motion collected from this event. The distribution of spectral acceleration and spectral velocity along the Chelungpu fault is discussed. Based on the mode decomposition method the intrinsic mode function of ground acceleration of this earthquake is examined. A long‐period wave with large amplitude was observed in most of the near‐source ground acceleration. The seismic demand from the recorded near‐field ground motion is also investigated with an evaluation of seismic design criteria of Taiwan Building Code. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

Analysis of the spatial variation of seismic waves and ground movements from smart-1 array data

Specially designed arrays of strong motion seismographs located near earthquake sources are required for engineering studies of the near-source properties and the spatial variation of seismic waves. The SMART-1 array in Taiwan provides good records for this type of study. Careful study of the observed strong motion data permits the identification of wave types, directions and apparent wave velocities. In this paper, a principal direction ratio R (f,α) is defined; this indicates the principal direction of the motion (along a nearly straight line) within the range 0 < R < 1. Vertical motion of the ground is also included in this study. Orbit spectrum analysis is used to verify the identification of wave directions and wave types. The spatial variation of seismic waves along the principal direction is studied. From frequency-domain analysis, mathematical models of the spatial variation of ground displacement are developed using a wave-number spectrum and the cross-spectral density function between two spatial coordinates; these models in turn can provide two alternative models for the random vibration analysis of extensive structures subject to multiple point seismic excitation. The SMART-1 array data gathered during the January 29, 1981 earthquake also are used to demonstrate calculation of the ground strains and differential movements of the array site. From time-domain analysis, the spatial variation of seismic waves is defined for ground motion along the identified principal direction. The time variation of evolutionary spectra characterized by frequency-dependent parameters is used for this formulation. The SMART-1 array data again form the basis for discussion of the spatial variation of model parameters.     

2022年日本福岛7.4级地震震害分析与对比

2022年3月16日在日本福岛县东部海域发生7.4级地震,本文基于近实时震害评估系统RED-ACT对此次地震进行了快速评估,包括强震动记录分析、区域地震破坏力震害评估结果和典型桥梁破坏,并结合实际震害对比了该系统评估结果以及其他主要震害快速评估系统的分析结果,结果表明：(1)此次地震造成的地面运动强度较大,多数台站记录PGA较2021年福岛7.3级地震更强,反应谱在0.5～1.3s区间呈现远高于2021年福岛地震的趋势。(2)RED-ACT的震害评估结果相较于日本NIED-CRS系统和美国USGS-PAGER系统与实际震害更为接近,在强震动记录较为密集的地区,开展基于强震动时程和建筑非线性分析的震害评估能够得到更为准确的震害评估结果。(3)此次地震对白石市附近桥梁造成了一定的破坏,桥梁破坏附近处的强震动会对典型桥梁结构造成一定程度的破坏。     

A stochastic model of the Fourier phase of strong ground motion

ＡｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＦｏｕｒｉｅｒｐｈａｓｅｏｆｓｔｒｏｎ　ｇｒｏｕｎｄｍｏｔｉｏｎＺｈｅｎ－ＰｅｎｇＬＩＡＯ；（廖振鹏）ａｎｄＸｉｎｇＪＩＮ（金星）（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｔａｔｅＳ...     

Stochastic analysis of rigid foundation filtering

The effect of the space–time variation of earthquake ground motion on the translational response of structures supported on large rigid mat foundations is considered. A stochastic space–time ground motion model, based on the analysis of recordings from the SMART-1 seismograph array in Lotung, Taiwan, is used. Random vibration theory is utilized to obtain an expression for the reduction in the maximum structural response, for a specified probability level and strong motion duration. Numerical computations are performed to examine the sensitivity of the reduction in structural response to various ground motion and structural parameters. The results indicate that spatial correlation and travelling wave effects give rise to significant reductions in structural responses when the seismic waves have low apparent propagation velocities. Utilization of this result in the design of structures on large foundations should yield substantial cost savings.     

Spectral parameters of ground motion in different regions: comparison of empirical models

Fourier-amplitude spectrum is one of the most important parameters describing earthquake ground motion, and it is widely used for strong ground motion prediction and seismic hazard estimation. The relationships between Fourier-acceleration spectra, earthquake magnitude and distance were analysed for different seismic regions (the Caucasus and Taiwan island) on the basis of ground motion recordings of small to moderate (3.5≤M_L≤6.5) earthquakes. It has been found that the acceleration spectra of the most significant part of the records, starting from S-wave arrival, can be modelled accurately by the Brune's “ω-squared” point-source model. Parameters of the model are found to be region-dependent. Peak ground accelerations and response spectra for condition of rock sites were calculated using stochastic simulation technique and obtained models of source spectra. The modelled ground-motion parameters are compared with those predicted by recent empirical attenuation relationship for California.     

台湾集集地震近场地震动的上盘效应

1999年9月21日（当地时间）台湾集集7.6级地震是一个逆断层型地震．用回归分析法对台湾集集地震的加速度峰值数据进行分析，得出了这次地震的水平与垂直向的加速度峰值衰减关系．从残差分布上看，位于断层上盘和下盘上的加速度峰值与从衰减关系所得到的结果相比存在不同的系统偏差，断层上盘地表的加速度峰值较高，而下盘地表的加速度峰值较低．从这次地震的加速度峰值分布等值线图上也可以看出，加速度峰值的分布相对于断层呈现明显的不对称性，上盘衰减较慢而下盘衰减较快．在近断层强地面运动研究、地震危险性分析、设定地震研究与震害预测等工作中，应考虑可能地震的震源机制特点，以便使所用的衰减模型更能反映不同地震环境地区的地震动分布特征．