模擬汶川地震動持時的空間分布規(guī)律研究

　　摘要：利用隨機有限斷層時程模擬程序，模擬符合汶川地震區(qū)域特性的水平分量加速度時程，分析模擬加速度時程持時的空間分布和變化規(guī)律。結(jié)果表明：模擬加速度時程的各種持時分布均能很好地體現(xiàn)持時的破裂方向性效應(yīng)，但未能清晰反映持時的上盤/下盤效應(yīng);模擬加速度時程的重要持時能反映近斷層區(qū)域持時明顯小于遠場持時的特點，但在總體空間分布上更為“單一”，未表現(xiàn)出明顯的區(qū)域“突變”現(xiàn)象;相較于重要持時，模擬加速度時程與臺站記錄時程的Bolt持時之間存在更大差異;模擬加速度時程的重要持時與相對Bolt持時隨斷層距的變化趨勢，總體上能反映水平分量記錄時程持時的空間變化特性。

　　關(guān)鍵詞：地震動持時;隨機有限斷層法;震源參數(shù);汶川地震;空間分布

　　《地震工程與工程振動》是反映我國地震工程與工程振動領(lǐng)域最新成果和國外該領(lǐng)域最新進展的學(xué)術(shù)性期刊，旨在促進國際學(xué)術(shù)交流，推動地震工程與工程振動學(xué)科的發(fā)展，減輕地震災(zāi)害。

　　0 引言

　　地震動持時(以下簡稱持時，記為Ts)是描述地震動工程特性的重要參數(shù)之一，對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)具有重要影響。大量研究表明：地震動持時對結(jié)構(gòu)的最大延性位移和累積滯回耗能均有明顯影響，尤其對結(jié)構(gòu)積累破壞效應(yīng)的影響更為顯著(Hancock，Bommer，2007;Iervolino et al，2006;盛明強等，2007);地震動持時對結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的影響程度隨屈服強度系數(shù)的減小而增大(劉鳴等，1994)。持時對結(jié)構(gòu)抗倒塌能力有重要影響，長持時的地震動將可能產(chǎn)生較長時間的循環(huán)荷載并導(dǎo)致更大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(Raghunandan，2013)。在長持時的地震動作用下，構(gòu)件抗疲勞強度和剛度的退化將大大降低結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力(Chandramohan et al，2013)。地震動持時的重要性毋容置疑，但其在工程實際中并未像振幅和頻譜一樣得到廣泛應(yīng)用，因此對地震動持時進行更為深入的研究將有助于推動其理論研究與工程應(yīng)用。

　　近年來，不少學(xué)者對地震動持時的空間分布和隨斷層距(R)的變化規(guī)律等進行了研究。胡進軍(2009)分析發(fā)現(xiàn)，汶川地震中地震動的峰值、反應(yīng)譜和持時均顯示出了明顯的方向性特征;破裂后方場點的地震動持時明顯大于破裂前方的持時，差別可達數(shù)倍;盧書楠等(2013)通過研究汶川地震臺站記錄，發(fā)現(xiàn)近斷層特征對地震動持時有顯著影響;任葉飛等(2014)通過研究蘆山地震臺站記錄，得出蘆山地震重要持時和Bolt持時高于全球經(jīng)驗預(yù)測方程估算值，且Bolt持時衰減顯著慢于全球平均水平的結(jié)論;王巧臨(2014)認為重要持時的分布主要受發(fā)震斷層的控制，70%和90%重要持時均隨斷層距的增加而增大。以往研究往往是基于具體臺站記錄開展的，利用模擬地震加速度時程分析地震動持時特性的研究較少，因此，通過模擬時程分析地震動持時的空間分布等特性，對于提升地震動模擬的精確性具有一定意義。

　　為了揭示目前地震工程界常用的隨機有限斷層法模擬水平加速度時程地震動持時的空間分布及變化規(guī)律，在已有汶川地震震源參數(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，本文采用隨機有限斷層時程模擬程序，對已獲取的汶川地震記錄的87個自由地表臺站場點(R<300 km)進行地震動加速度時程模擬，每個臺站取50條模擬水平分量加速度時程(簡稱模擬時程，用ES加以區(qū)分)的地震動持時的平均值作為分析對象，對比分析模擬時程地震動持時與汶川地震臺站記錄的兩水平分量(簡稱記錄時程，分別用EW和NS表示東西和南北水平分量)地震動持時的空間分布及變化規(guī)律，探討模擬地震動持時的空間分布規(guī)律和變化特性，以及震源參數(shù)對地震動持時空間分布的影響規(guī)律。

　　1 數(shù)據(jù)選取

　　汶川地震發(fā)生過程中，中國強震動臺網(wǎng)獲取了一大批高質(zhì)量的地震動記錄，為研究近場地震動特性提供了豐富的數(shù)據(jù)。選取汶川地震中斷層距R< 300 km的87個臺站的EW和NS分量的地震動加速度記錄進行分析。其中11個基巖臺站，其余為Ⅱ類土層場地臺站，臺站的基本信息見表1(萬衛(wèi)，2013)。

　　表1中R的計算是以汶川地震地表破裂帶為發(fā)震斷層在地表的投影位置，取多個地表破裂帶現(xiàn)場調(diào)查點的經(jīng)緯度和臺站的經(jīng)緯度計算得到的最小距離(萬衛(wèi)，2013)。由于地震動持時計算過程中只涉及到加速度時程，受基線漂移等影響較小，因此本文所選的原始記錄數(shù)據(jù)不進行基線調(diào)整等數(shù)據(jù)處理。

　　2 參數(shù)選取及持時計算

　　國內(nèi)外學(xué)者將汶川地震斷層模型分為單斷層模型和雙斷層模型(趙翠萍等，2009;張勇等，2008;畢研磊等，2017;Nakamura et al，2010)。由于雙斷層模型中的青川斷裂的應(yīng)力釋放以及滑動位移相對于整個斷層比重很小，喻畑(2012)認為單斷層模型與雙斷層模型的選擇對有限斷層模型影響不大。為簡易起見，本文考慮使用單斷層模型進行模擬，所選汶川地震震源參數(shù)取值見表2。由于汶川地震存在明顯的上/下盤效應(yīng)，因此應(yīng)區(qū)分上/下盤影響對品質(zhì)因子進行取值(喻畑，2012;華衛(wèi)等，2009);不同場地條件的平均場地放大系數(shù)見表3;震源模型滑動分布選用王衛(wèi)民等(2008)反演汶川地震得到的有限斷層模型。

　　采用隨機有限斷層法擬合得到了R<300 km的87個臺站的加速度時程，并計算得到模擬時程的70%和90%重要持時(分別記為Ts70和Ts90)以及絕對和相對Bolt持時(分別記為TsBA和TsBR)，并統(tǒng)計得到87個臺站模擬與記錄時程持時比值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表4所示。

　　由表4可知，參數(shù)調(diào)整前除Ts70的持時比均值很接近1.00外，其余3種都小于0.90，其中TsBR的ES/NS持時比均值只有0.70。因此，需進一步調(diào)整模擬汶川地震加速度時程的參數(shù)取值，使更多持時定義的模擬與記錄時程更為接近。

　　對于特定地震，Δσ、Q(f)和kappa值對Ts的影響較大，其中kappa值與相對持時成正相關(guān)而與絕對持時成負相關(guān)，即kappa值對各種Ts的影響趨勢不一(袁峰，2017)。這里采取調(diào)整Δσ和區(qū)分上下盤影響的Q(f)中Q0和f值的方式。參考以往對四川地區(qū)Δσ和Q(f)的研究成果，經(jīng)反演確定用于模擬汶川地震的Δσ= 95 Pa，Q(f)上盤= 360f0.70，Q(f)下盤=315f0.92，由此得到參數(shù)調(diào)整后的87個臺站模擬時程與記錄時程比值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表4。對比參數(shù)調(diào)整前后的4種持時比值均值和標(biāo)準(zhǔn)差可知，調(diào)整參數(shù)后的均值整體上有了明顯升高，除Ts70比值的均值與1.00差值更大外，其余3種持時比值的均值都更接近于1.00，且此時標(biāo)準(zhǔn)差仍較小，大都在0.30左右波動，最大也不超過0.65。調(diào)整參數(shù)后的Ts90及TsBR的持時比均值分別達到0.96和0.94以上，擬合結(jié)果能夠很好地滿足地震工程界對模擬時程持時的精度要求。