美国西部竖直向基岩强地面运动参数衰减关系研究

《美国西部竖直向基岩强地面运动参数衰减关系研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《美国西部竖直向基岩强地面运动参数衰减关系研究（12页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、肖亮;俞言祥【摘要】 New attenuation relationships among vertical strong groundmotion parameters of rock sites in Western US were presented here,they were regressed using high-quality digital strong motion records from NGA (Next Generation Attenuation)database.The new attenuation relationships focused on vert

2、ical PGA (peak ground acceleration ),PGV (peak ground velocity)and spectral acceleration (period from 0.04 to 6.0s)with 5% damping ratio.Ratio of vertical component to horizontal one of spectral acceleration was calculated with another attenuation relationship,it was regressed using the same regress

3、ion procedure and strong-motion data.The characteristics how V/H ratio varied with period, magnitude and distance were studied here.The new vertical attenuation relationships were recommended to be used with surface wave magnitude ranged from 5.0 to 8.0,and epicenter distance ranged from 0 to 200 km

4、.%利用美国 NGA( Next Generation Attenuation)数据库提供的高质量数字强震数据，对美国西部地区 自由地表基岩场地的竖直向地震动参数的衰减关系进行了研究，具体包括竖直向的 峰值加速度PGA、峰值速度PGV及5%阻尼比绝对加速度反应谱(T = 0.04 6.0 s)。将其与采用同样技术手段和同一套数据回归得到的水平向地震动参数衰 减关系相结合，对模型化后的竖直向与水平向反应谱比V/H进行了计算，并对其 随周期、震级、距离的变化关系进行了分析。新得到的竖直向地震动参数衰减关系 的适用范围为Ms5.08.0,震中距0200 km。【期刊名称】振动与冲击 【年(卷)，期】

5、2014(000)009 【总页数】6页(P179-184) 【关键词】衰减关系;竖直向地震动;反应谱;V/H谱比 【作者】肖亮;俞言祥 【作者单位】中国地震局地球物理研究所，北京100081;中国地震局地球物理研究所，北京100081 【正文语种】中文【中图分类】P315.9对强地面运动的观测和研究是工程地震学的重要内容之一。水平向基岩场地的地震 动参数衰减关系在地震区划和重大工程场地地震安全性评价工作中是非常重要的组 成部分，并被广泛地应用。对于核电站、超高层建筑、长跨度桥梁设施等建筑，其 抗震设防需要更加详细地考虑竖直向地震动的影响。目前对竖向地震动参数的估计 通常采用对水平向地震动参数

6、按谱比折算的方式进行，而实际上其二者并非简单的 比例关系，这是因为竖直向地震动参数具有其自身的衰减规律。许多研究者对竖直 向地震动特性进行了研究，国际上对竖向地震动衰减关系的研究较多，有代表性的 如Campbell等1-2对浅层地震活跃地区基岩近场的水平向与竖直向地震动加速 度反应谱的衰减关系进行了研究，并给出了相关参数；Tezcan等3采用概率分布 模型对谱比进行了无参数的统计分析，等等。国内主要开展了竖直向与水平向的反 应谱谱比特征的研究工作，如石树中等4采用统计回归的方式对基岩场地的竖直 向与水平向加速度反应谱的关系进行了研究，但文章中并没有给出衰减关系相关参 数；周正华等5 以国内夕卜

7、数十次的地震记录为基础研究了反应谱谱比的变化趋势， 并对集集地震的竖向谱比特征进行分析；耿淑伟等6对444条严格按照我国场地 分类的强震数据进行分析，得到了不同场地下反应谱谱比相对震级、距离的变化趋 势；徐龙军等7以33次地震中的地表地震动记录为数据基础，考虑了场地条件、 震级和距离的影响，分别对竖向地震动的加速度规准化反应谱和双规准化反应谱进 行了研究；韩建平等8对汶川地震的竖向地震动特征进行了初步分析，等等。自有强震观测资料以来，世界上一些发达国家或地区已经搜集了一批强震记录，在 这些地区一般可以采用经验的方法来建立地震动参数衰减关系。目前国内常用的竖 向衰减关系为霍俊荣9博士论文中收集美

8、国西部地区基岩场地的强震记录回归得 到的衰减关系，但是其资料止步于1989年且大部分记录为模拟式记录信噪比不高。 目前美国NGA计划的强震数据库能提供世界范围内高质量的数字式强震记录，对 于开展竖直向衰减关系的研究工作非常有利。对于服务于工程设计的地震动参数衰减关系来说，对于大震近场的距离和震级饱和 特性应给予充分的考虑。从实际应用的角度来看，衰减关系模型应当合理，回归方 法应当具有稳定性且易于操作。本文充分考虑了以上的特点，选择了能体现地震动 衰减关键特性的相对简单的模型，采用分步回归法，对收集到的美国NGA强震数 据库提供的数据进行整理分析，重新回归了美国西部自由地表基岩场地的竖直向地 震

9、动参数衰减关系。竖向与水平向的反应谱谱比是目前工程抗震设计应用中的一个重要参数，将新得到 的竖向结果与之前第五代中国地震动参数区划图工作中得到的水平向衰减关系（肖 亮，本文与其采用相同的回归手段与同一套强震数据）10结果相比对，对模型化 之后的谱比V/H随周期、震级及距离等因素的变化关系进行了分析，得到的结果 可供地震动研究和工程应用参考。1强震资料采用的数据来自PEER NGA计划11给出的地震动资料12,从中挑选出1970- 2002年位于美国西部的基岩场地自由地表强震记录，这些地震均为浅源地震，绝 大多数发生于加利福尼亚。由于美国西部近年未发生大震级地震，加入中国台湾集 集地震主震等大震

10、资料，有助于对大震地震动的估计。最终挑选的16个地震事件 的地震目录见表1。使用基于Vs30（场地地表30 m 土层折算剪切波波速）的NEHRP划分标准进行场 地划分。选取Vs30在500 m/s以上的场地，将其视为基岩场地，对应于NEHRP 分类标准的A和B类场地。对于场地地形的划分，参照NGA资料中GMXs C1 划分方法，选择其中标注为在自由场地或4层以下轻型建筑底层或附近的台站记 录，视为自由地表，对应于NEHRP分类I, A,B,K,L,M,N, O,从而消减 土结相互作用的影响。为了排除地形效应的影响，本文没有使用标注为大坝顶部的 台站记录。这样选取了共151条竖直向记录参与衰减关

11、系建立，使用的强震资料 的震级和距离的分布见图1。表1地震目录Tab.1 List of selected earthquakes序号地震名称发震时刻Ms震 级 1Parkfield1966-06-286.22Lytle Creek1970-09-125.43San Fernando 1971-02-096.54Coyote Lake 1979-08-065.75Imperial Valley-061979-10- 156.96Coalinga-011983-05-026.57Morgan Hill 1984-04-246.18Whittier Narrows-011987-10-015.89

12、Loma Prieta1989-10-187.110Landers1992-06- 287.511Northridge-011994-01-176.812Hector Mine1999-10- 167.413Yountville2000-09-035.014Tabas, Iran1978-09-167.415Manjil, Iran1990-06-207.716Chi-Chi1999-09-207.7图1强震资料的震级-距离分布图Fig.1 Distribution of magnitude-distance pairs of strong-motion data2衰减关系模型影响地震动参数的

13、因素主要有三个方面，即震源辐射能量、传播路径的衰减以及局 部场地条件。为反映这三个方面的影响，从经验的角度，将衰减关系的模型写为 logY(M,R) =F(M)+G(M,R) + S(Vs,H.)+(1)其中：Y(M,R)是地震动参数，log表示取以10为底的对数。F(M)表示震级项，为 震级的函数，G(M,R)表示距离衰减项，是震级M和距离R的函数，S(Vs ,H.)为 表示场地效应的函数。为具有标准差。的随机量。由于选用的资料全部位于基岩场地，因此可不考虑局部场地条件的影响。对于震级 参数的选择，虽然矩震级Mw直接由标量地震矩Mo进行标定，不会产生震级饱 和现象，但是已经定出矩震级的地震比

14、较少，很多历史上有强震记录的地震的矩震 级并未进行标定，而且国内地震震级测定也未使用矩震级，所以使用矩震级作为回 归参数的适用性受到限制。考虑到实际应用，本文采用广泛应用的面波震级Ms作 为表示震源辐射能量的参数。对于距离参数的选择，一般使用震中距或者断层投影距(定义为台站至断层在地表 投影的最短水平距离)作为距离的表示。为与国内工程应用(常使用震中距进行计算) 相适应，本文选用震中距作为距离参数。沿用第五代中国地震动参数区划图相关工作中使用的分段线性形式的模型，将其表 示为当M6.5时，lgY(M,R,T)=A2(T) + B2 (T) M-C(T) lg(R+Dexp(ExM)+8其中，E

15、为具有标准差。的随机量，均值为0。对于反应谱衰减关系，除D和E外 的系数均取为周期T的函数。采用上述的分段二次型模型作为震级项，与包含近 场饱和因子的距离衰减项进行组合，可以较好地反映大震近场震级、距离饱和效应。 近场饱和因子Dexp(EM)表现了震源破裂尺度、震源深度的特征，对于不同周期点 处的值应当相同或相近，并且这一点对于水平向和竖直向地震动来说应当是同一的。 但是由于地震动参数的巨大的离散性，采取不同周期点的谱值进行单独回归得到的 近场饱和因子系数常常有所差别，有时也会产生不可接受的结果。为了使结果稳定， 在回归时我们经验性地借用水平向衰减关系采用的近场饱和因子系数，不再单独回 归。3

16、回归结果使用前述的强震数据与模型，在去除截尾效应等因素的影响后，采用分步回归法 13进行参数回归，得到美国西部地区基岩场地自由地表的竖直向地震动参数(峰 值加速度、峰值速度和加速度反应谱)衰减关系。表2给出了衰减关系的相关参数， 其中。为离散标准差。表2美国西部竖直向基岩峰值加速度、峰值速度和加速度反应谱衰减关系相关参数 Tab.2 Coefficients of vertical PGA , PGV and spectral acceleration attenuation relationships in Western U S of rock sites 周期/sA1B1A2B2CDEo

17、PGA0.6460.7282.2580.4801.9980.9560.4620.237PGV- 2.0580.895- 0.9180.7191.7490.9560.4620.2540.040.7980.7122.2980.4811.9980.9560.462 0.2540.050.7850.7212.3300.4831.9890.9560.4620.2610.070.7640.7402.5170.4711.9810.9560.4620.2660.100.8910.7372.7220.4551.9730.9560.4620.2660.120.9270.7362.7540.4551.9690.95

18、60.4620.2640.160.9530.7262.4510.4961.9640.9560.4620.2590.200.7210.7552.2920.5131.9540.9560.4620.2520.240.6300.7602.1020.5341.9430.9560.4620.2460.260.5940.7582.0040.5411.9290.9560.4620.2420.300.4280.7711.8470.5531.9090.9560.4620.2400.340.3230.7761.7140.5621.8890.9560.4620.2410.400.1000.7981.5630.5731

19、.8690.9560.4620.2450.50-0.0490.8021.2840.5971.8460.9560.4620.2500.60-0.2200.8131.0850.6121.8250.9560.4620.2570.80-0.4400.8220.6780.6501.8070.9560.4620.2621.00-0.7660.8530.4150.6711.7880.9560.4620.2661.20-0.9260.8590.1220.6981.7710.9560.4620.2691.50-1.4640.922-0.1670.7231.7580.9560.4620.2701.70-1.720

20、0.949-0.3530.7391.7440.9560.4620.2712.00-2.0610.981-0.7040.7721.7280.9560.4620.2732.40-2.4131.016-0.9680.7941.7110.9560.4620.2753.00-2.8331.047-1.6450.8641.6910.9560.4620.2794.00-3.2631.069-2.3610.9301.6620.9560.4620.2865.00-3.6711.087-3.1041.0001.6320.9560.4620.2946.00-3.8071.0713.8071.0711.6110.95

21、60.4620.308图2震中距为20 km、60 km、100 km、200 km处反应谱(Ms=5,6,7,8)的结果 对比关系。Fig.2 Comparison of PSA (Ms=5,6,7,8)at epicenter distance of 20 km,60 km,100 km,200 km4结果与分析讨论国内对竖直向地震动参数衰减关系的研究结果较少，为进行合理比较，本文选择了 与本文参数选择类似且在国内应用广泛的霍俊荣美国西部B型反应谱衰减关系。图 2给出了本文结果与其的对比关系。从图2中可以看出，在0 2s范围内，本文结果与霍俊荣9结果的估计结果基本 相近，较之更加光滑。无论

22、在近场还是远场区域，本文结果都略高于霍俊荣9的 结果，这主要是因为霍俊荣9 的山型模型距离参数取为场地至发震断层在地表的 投影的最短距离，而本文采用震中距模型。在周期大于2s的部分，由于本文结果 采用信噪比高的强震记录，有效地减小了长周期噪声的影响，避免了霍的结果中采 用模拟式记录导致的不合理的翘起。在工程应用上，竖向与水平向反应谱谱比具有较高的应用价值，国内通常采用谱比 折算的方法来获得竖向反应谱估计。肖亮10通过同样的回归手段和模型，基于同 套强震数据库，建立了美国西部地区的基岩场地自由地表水平向地震动参数衰减 关系，本文的结果与之相配套，可以通过模型化之后的结果来对竖直向与水平向反 应谱

23、谱比V/H进行研究。图3给出了在一些主要的震级、距离处水平向和竖直向 反应谱衰减关系结果的对比。从图中可以看出：在同一震级、距离时，竖向谱的整 体水平要低于水平谱；竖向谱的拐点周期要小于水平向谱，表现为竖向谱较窄，在 反应谱平台段的后沿下降要早于水平谱；在高频段与低频段竖向谱要更为接近水平 谱，在0.3 0.8s之间二者差距加大。这说明竖向谱有其自身的衰减特点和不同的 谱型特征，与水平谱并非成简单的比例关系。图 4 给出了模型化后谱比(Ms=5,6,7,8,EpiD=20 km,60 km,100 km,200 km)随反 应谱周期T的变化关系。从中可以看出，反应谱谱比呈U字形，在高频段稳步上

24、 升，在0.1 s附近达到极值，随后迅速下降，这主要是由于与水平向相比竖向地震 动具有更加丰富的高频成分，而其拐点周期小于水平向谱，平台段下降早于水平谱; 在0.3 0.8 s之间存在谱比约为0.5的谷区，之后随周期增大而上升，而这周期段 正好是水平谱平台段开始下降的区段；谱比均值不超过1,表明竖向谱值均值不超 过水平向。图3竖向与水平向反应谱的对比(震级5,6,7,8震中距20 km，50 km，100 km， 200 km)Fig.3 Comparison of vertical and horizontal response spectrum (Ms=5,6,7,8，EpiD=20 km

25、,50 km,100 km,200 km)图4竖向与水平向谱比随周期的变化关系Fig.4 Relations of ratio of V/H varies with spectral periods图5给出了模型化后几个主要的周期点处谱比随震级、距离的变化关系。从中可 以看出，在短周期处反应谱谱比随震级增大而下降，随距离增加而下降；在长周期 处反应谱谱比随震级增大而上升，随距离增加而上升。这一方面反映出地震波的竖 向分量高频成分居多的特点，另一方面提醒我们在长周期处竖向谱与水平谱可能非 常接近。图中所示在200 km的远场区域高震级时反应谱谱比超过2/3，而这个值 在目前地震动参数估计时经常被

26、使用。在更长的周期点谱比具体取值应深入分析。 图5竖向与水平向谱比在0.01s、0.1s、1.0s与4.0s处随震级、距离的变化关系 Fig.5 Relations of ratio of V/H (at 0.01s,0.1s,1.0s and 4.0s)varies with magnitude and epicenter distance图6峰值加速度PGA的竖向与水平向比值随震级、距离的变化关系。其中实线为 衰减关系计算结果，数据点为实际记录比值Fig.6 Relations of ratio of V/H(PGA)varies with magnitude and epicenter

27、distance.Lines are results calculated from attenuation relationships and scatter points present results calculated from raw data records峰值加速度PGA和峰值速度PGV的竖向与水平向比值也是工程应用时十分关心 的参数。图6和图7分别给出了文中使用的151条记录的峰值加速度PGA与峰值 速度PGV的竖向和水平向的比值随震级和距离的分布关系，其中将衰减关系计算 结果以及实际数据算得的结果进行了对比，其中同一个台站的两个水平分量记录视 为独立记录参与比值计算。从图中

28、可以看出，PGA与PGV的竖向与水平向比值随 震级、距离的变化趋势不尽相同。PGA的竖向与水平向比值随震级增大其变化趋 势不明显，均值在0.6 0.7之间，且随距离增大有下降的趋势；PGV的竖向与水 平向比值随震级增大有明显的增大趋势，均值从Ms5.0的0.5左右到Ms8.0的 0.8之间变化，且随距离增大呈增大的趋势。PGA主要反映高频地震波的特性，而 PGV主要反映了周期1s 2s附近的地震波特性，以此看来算得的PGA与PGV的 竖向与水平向比值随震级、距离的变化趋势是与前述反应谱的谱比变化趋势相符合 的。同时也应当注意到，由于PGA、PGV与反应谱的竖向与水平向比值随震级、 距离的变化存

29、在差异性，且具有相当大的离散，仅取简单均值已不足以反映其自身 特性，文中给出的均值仅供参考。图7峰值速度PGV的竖向与水平向比值随震级、距离的变化关系。其中实线为衰 减关系计算结果，数据点为实际记录比值Fig.7 Relations of ratio of V/H(PGV)varies with magnitude and epicenter distance.Lines are results calculated from attenuation relationships and scatter points present results calculated from raw dat

30、a records5结论本文利用美国NGA(Next Generation Attenuation)数据库提供的高质量数字强 震数据，对美国西部地区自由地表基岩场地的竖直向地震动参数的衰减关系进行了 回归，得到了竖直向峰值加速度PGA、峰值速度PGV及5%阻尼比绝对加速度反 应谱(T=0.046.0 s)的衰减关系。将其与采用同样技术手段和同一套数据回归得 到的水平向地震动参数衰减关系相结合，对模型化后的基岩场地竖直向与水平向反 应谱谱比V/H进行了计算，并对其随周期、震级、距离的变化关系进行了分析。 本文新得到的竖直向地震动参数衰减关系的建议适用范围为Ms5.08.0，震中距0 km - 2

31、00 km。致谢在本文研究进行期间，中国地震局地球物理所的李小军、刘爱文、吕红山研究员及 吴健、陈鲲副研究员等在一些重要问题上提供了非常有价值的参考意见，与他们的 讨论使我受益匪浅。感谢本文的几位审稿专家的宝贵意见，使得本文能够得到诸多 改进最终成文。本文使用了美国PEER NGA强震数据库的强震资料，在此表示感谢！参考文献1 Campbell K W , Bozorgnia Y.Updated near-source ground-motion attenuation relations for the horizontal and vertical components of peak g

32、round acceleration and acceleration response spectraJ.Seism.Soc.Am., 2003 , 93(1):314-331.2 Campbell K W , Bozorgnia Y.The vertical-to-horizontal response spectral ratio and tentative procedures for developing simplified V/H and vertical design spectraJ.Journal of Earthquake Engineering , 2004,8(2):

33、175-207.3 Tezcan J , Piolatto A.A probabilistic nonparametric model for the vertical-to-horizontal spectral ratioJ.Journal of Earthquake Engineering , 2012,16(2):142-157.4 石树中，沈建文,楼梦麟.基岩场地强地面运动加速度反应谱统计特征J .同济大学 学报，2002 , 30(11) : 1300-1304.SHI Shu-zhong,SHEN Jian-wen,LOU Meng-lin.Statistic features

34、of response spectra of acceleration strong ground motion at rock sitesJ.Journal of Tongji University , 2002 , 30(11):1300-1304.5 周正华，周雍年卢滔，等.竖向地震动特征研究J.地震工程与工程震动，2003 ,23(3) : 25-29.ZHOU Zheng-hua,ZHOU Yon-nian,LU Tao , et al.Study on characteristics of vertical ground motionJ.Journal of Earthquake

35、Engineering and Engineering Vibration,2003,23(3):25-29.6 耿淑伟，陶夏新.地震动加速度反应谱竖向分量与水平向分量的比值J.地震工程 与工程震动，2004，24(5) : 33-38.GENG Shu-wei，TAO Xia-xin.The ratios of vertical to horizontal acceleration response spectraJ.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2004,24(3):33-38.7 徐龙军，谢礼立.竖

36、向地震动加速度反应谱特征J.地震工程与工程震动，2007， 27(6) : 17-23.XU Long-jun，XIE Li-li.Chararcteristics of acceleration response spectra for vertical ground motionsJ.Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2007，27(6):17-23.8 韩建平，周伟.汶川地震竖向地震动特征初步分析J.工程力学，2012，29(12): 211-219.HAN Jian-ping，ZHOU Wei.Pre

37、liminary investigation on characteristics of vertical ground motion during wenchuan earthquanJ.Engineering Mechanics，2012，29(12):211-219.9 霍俊荣.近场强地面运动衰减规律的研究D.北京：国家地震局工程力学研究 所,1989.10 肖亮.水平向基岩强地面运动参数衰减关系研究D.北京：中国地震局地球物理 研究所,2011.11 Power M,Chiou B,Abrahamson N，et al.An overview of the NGAProjectJ.Ea

38、rthquake Spectra , 2008 , 24(1):3-22.12 Chiou B,Darragh R,Gregor N，et al.NGA Project strong-motion databaseJ.Earthquake Spectra，2008，24(1):23-44.13 肖亮，俞言祥.一种新的拟合地震动衰减关系的分步回归法J.地震学报，2010， 6 : 725-732.XIAO Liang，YU Yan-xiang.A new step-regression method for fitting ground motion attenuation relationshipJ.Acta Seismologica Sinica ，2010， 6:725-732.