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.     

2008年汶川地震近断层竖向与水平向地震动特征

选取分布在北川—映秀中央断裂两侧断层距120 km以内的40个强震动台站的记录,对汶川地震近断层地震动竖向和水平向加速度峰值、速度峰值、竖向和水平向加速度反应谱及谱比值进行了统计分析.研究表明:(1)地震动加速度峰值有显著的上盘效应,经验衰减模型的结果表明,在距地表破裂3~60 km的范围内,龙门山发震断层上盘一侧竖向与水平向的加速度峰值要比衰减模型得到的平均值大30%~40%.上盘的加速度峰值残差大部分是正值,而断层下盘残差大部分为负;水平地震动的东西分量幅值总体要大于南北分量,东西分量衰减相对较慢.(2)地震动长周期成分较弱,加速度反应谱值随周期增大而迅速减小,在周期1.0 s 时,即使在靠近中央断裂的最大加速度反应谱值也只有0.5 g;地震动加速度反应谱谱比值(竖向/水平向)沿龙门山断层周围的分布,在较长周期(T=0.2 s, 0.5 s, 1.0 s)与短周期(T=0.05 s, 0.1 s)有明显的不同.(3)近断层竖向地震动显著,地震动加速度峰值比在(竖向/水平向)可达1.4.在龙门山发震断层的上盘,地震动加速度峰值比整体上比下盘要大,竖向地震动尤为剧烈.部分近断层记录的地震动谱比值(竖向/水平向)在短周期(< 0.1 s)甚至超过1.5,统计分析还表明谱比值在短周期段(< 0.1 s)随断层距的增大而减小.     

近断层地震动的基本特征

初步分析了近断层速度脉冲的成因和特点,主要包括方向性效应、滑冲效应和上盘效应,并通过集集地震中27个近断层强震台的脉冲记录分析了断层破裂方向和滑移大小对地面运动峰值速度的影响。采用最小二乘法对速度脉冲的分布范围进行了回归分析,大于50 cm/s的速度脉冲主要聚集在断层距为10 km的近断层区域。对不同区域的三分量平均速度反应谱进行统计分析,表明近断层脉冲型地震动具有较大的特征周期和谱值,其中在垂直于断层走向的水平分量上尤为显著,这与断层剪切位错辐射效应的特征基本相符。针对脉冲型地震造成近断层地质灾害频发的现象,由共振效应分析了速度脉冲对边坡岩体的影响。近断层速度脉冲的研究可能对防震减灾、地震预警、震害评估有一定的参考意义。     

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.

     

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,同时将汶川地震的速度脉冲与集集地震和Northridge地震进行对比,利用NGA数据库24次地震事件中的3 615条记录,选取出典型的脉冲型记录作为统计分析的基础数据,研究地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.     

汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析

从汶川地震获取的64组近断层记录中分别选取8条典型速度脉冲型加速度记录和8条非速度脉冲型加速度记录,作为结构地震反应分析的地震动输入;选择具有不同自振特性的3层、11层和20层典型钢筋混凝土框架结构,建立有限元分析模型.分别计算这些结构在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下的层间变形,对比研究具有不同自振特性结构的层间变形特征.     

汶川地震近断层地震动作用下 结构地震响应特征分析

研究了具有不同自振特性的建筑结构在近断层速度脉冲型及非速度脉冲型地震动作用下的结构层间变形分布,揭示了近断层速度脉冲对工程结构地震响应的特殊影响. 从汶川M_S8.0地震近断层强震记录中选取两组典型速度脉冲型记录和非脉冲型记录, 根据确定的目标地震动强度水平,利用时域叠加小波函数法对选择的强震记录进行调整, 使之与目标地震动水平对应的加速度反应谱保持一致, 以此作为结构地震反应分析的地震动输入. 选取具有不同自振特征的3层、11层和20层典型钢筋混凝土框架结构, 建立有限元分析模型, 分别计算在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下这些结构层间变形分布. 研究表明,速度脉冲型记录与非速度脉冲型记录作用下结构层间变形有明显差异, 且与结构自振特征有关.就低层结构的层间变形而言, 非速度脉冲型记录的影响较速度脉冲型记录的影响大. 随着结构自振周期的增加, 高阶振型的影响更加明显. 与非速度脉冲型记录相比,速度脉冲型记录的结构层间位移反应中值及离散程度较大. 速度脉冲型记录更容易激发高层结构的高阶振型, 产生较大的层间位移反应. 非速度脉冲型记录对中低层结构层间变形影响较大.因此, 在开展近断层结构地震影响评价时, 应考虑近断层速度脉冲的影响.     

汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析

研究了具有不同自振特性的建筑结构在近断层速度脉冲型及非速度脉冲型地震动作用下的结构层间变形分布,揭示了近断层速度脉冲对工程结构地震响应的特殊影响.从汶川M8.0地震近断层强震记录中选取两组典型速度脉冲型记录和非脉冲型记录,根据确定的目标地震动强度水平,利用时域叠加小波函数法对选择的强震记录进行调整,使之与目标地震动水平对应的加速度反应谱保持一致,以此作为结构地震反应分析的地震动输入.选取具有不同自振特征的3层、11层和20层典型钢筋混凝土框架结构,建立有限元分析模型,分别计算在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下这些结构层间变形分布.研究表明,速度脉冲型记录与非速度脉冲型记录作用下结构层间变形有明显差异,且与结构自振特征有关.就低层结构的层间变形而言,非速度脉冲型记录的影响较速度脉冲型记录的影响大.随着结构自振周期的增加,高阶振型的影响更加明显.与非速度脉冲型记录相比,速度脉冲型记录的结构层间位移反应中值及离散程度较大.速度脉冲型记录更容易激发高层结构的高阶振型,产生较大的层间位移反应.非速度脉冲型记录对中低层结构层间变形影响较大.因此,在开展近断层结构地震影响评价时,应考虑近断层速度脉冲的影响.     

近断层地震动双规准伪速度谱及其应用

具有向前方向性效应特征的地震动与普通远场地震动存在明显差异. 作者曾尝试结合简单脉冲和近断层地震动参数衰减关系提出此类地震动的设计谱模型. 为进一步检验所提出设计谱的适用性,分析了53条典型近断层方向性效应地震动的伪速度谱、 规准伪速度谱和双规准伪速度谱,发现方向性效应地震动的双规准伪速度谱在土层和岩石场地上具有差别明显, 且离散性小的特点.考虑场地条件的影响, 基于双规准伪速度谱预测了近断层方向性效应地震动的设计谱, 并与此前的研究结果进行了对比. 结果表明, 场地条件对于近断层方向性效应地震动影响显著;位于近断层岩石场地的建筑结构, 尤其是中、短振动周期结构, 可能比土层场地更易于遭受破坏. 最后, 提出了用于近断层结构抗震分析的简单脉冲模型的建议.       

近断层地震动的基本特征

本文对近断层地震动的基本特征作了详细分析,这些基本特征主要包括近断层强地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破裂的方向性效应、近断层速度大脉冲和上盘效应。这些特征虽然在一次地震中不一定同时出现,但它们是已经被强震观测资料和数值模拟证实了的,在模拟和预测近断层地震动时,必须充分考虑这些特点,合理的近断层地震动模拟或预测模型和方法应当在结果中再现这些特点。     

Rupture directivity effect on strong ground motion during the 12 May 2008 MW7.9 Wenchuan earthquake

We focus here on the rupture directivity effect on the spatial distribution and attenuation characteristics of near-field ground motions during the 2008 MW7.9 Wenchuan earthquake. We examine the difference between the observed ground motions in and opposite the rupture directions and compare them with Next Generation Attenuation-West2 (NGA-West2) ground motion prediction models. The isochrone directivity predictor is used to quantify the band-limited nature of the rupture directivity effect on strong ground motion. Our results show that the observed peak ground velocity (PGV) and spectral accelerations of periods of 1.0 s and longer are significantly amplified in the rupture direction, but de-amplified in the opposite direction affected by rupture directivity effect of this event. In contrast, the effect of rupture directivity on the observed peak ground acceleration (PGA) and periods of shorter than 1.0 s are relatively weak. The rupture directivity of this event shows clear period dependent and band limited characteristics with the strongest effect occurring around the period of 7.5 s.     

汶川地震中强震动相对持时的空间变化特性研究

使用70％和90％能量持时定义,计算了汶川Ms8.0大地震中获取的来自109个台站强震动加速度记录的相对持时,并以此在竖向及两个水平向上分别进行了回归统计分析,得到了地震动持时的空间变化关系,给出了适合汶川地震地震动的持时定义.对比分析了上盘和下盘2个区域持时空间变化特征,进一步计算了地震动竖向持时与两个水平向持时的比...     

考虑脉冲参数随机性的近断层地震动降维建模

根据50组近断层脉冲型强震动记录,采用连续小波变换提取最强速度脉冲分量,建立最强速度脉冲峰值时刻的统计模型。对近断层地震动加速度高频分量的演变功率谱模型参数进行识别,并利用谱表示-随机函数方法实现了降维模拟,进而积分得到速度高频分量。对脉冲参数进行随机化处理,并采用改进Gabor小波模型随机模拟速度低频分量。将速度高频分量与低频分量叠加得到近断层地震动速度时程。数值算例表明,近断层地震动加速度代表性时程集合的幅值谱和反应谱均与实测记录拟合一致,验证了降维模拟方法的工程适用性。近断层脉冲型地震动的降维模拟与概率密度演化理论相结合,可实现工程结构的随机地震反应与抗震可靠性精细化分析。     

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 …     

Site dependence of far-source ground motions during the Wenchuan earthquake

This paper aimed to examine the site dependence and evaluate the methods for site analysis of far-source ground motions. This was achieved through the examination of frequency content estimated by different methods based on strong ground motions recorded at twelve far-source stations in Shandong province during the Wenchuan earthquake. The stations were located in sites with soil profiles ranging from code classes Ⅰ to Ⅲ. Approaches used included the Fourier amplitude spectrum (FAS), the earthquake response spectrum (ERS), the spectral ratio between the horizontal and the vertical components (H/V), the spectral ratio between the spectra at the site and at a reference site (SRRS), and coda wave analysis (CWA). Results showed that major periods of these ground motions obtained by FAS, ERS and H/V ratio methods were all evidently larger than site dominant periods; the periods were also different from each other and mainly reflected the frequency content of long period components. Prominent periods obtained by the SRRS approach neither illuminated the long period aspect nor efficiently determined site features of the motions. The CWA resulted in a period close to site period for stations with good quality recordings. The results obtained in this study will be useful for the evaluation of far-source effect in constructing seismic design spectra and in selecting methods for ground motion site analysis.