譚景陽，胡進(jìn)軍，周旭彤，楊澤西，謝禮立

考慮不同分類的海底地震動特性及其不確定性分析

譚景陽1, 2，胡進(jìn)軍1, 2，周旭彤1, 2，楊澤西1, 2，謝禮立1, 2

(1. 中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080；2. 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱 150080)

為了研究海底地震動特性及其不確定性，本文基于日本K-net海底地震動，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選、地震動分類、濾波以及基線調(diào)整，對典型地震動參數(shù)和彈塑性譜進(jìn)行了研究．通過分析震源類型、震級和距離對地震動參數(shù)及頻譜變異系數(shù)的影響，討論了海底地震動的不確定性．結(jié)果表明：隨距離和震級的增大，其對幅值的影響逐漸減弱；震級因素對持時的影響高于距離因素；距離較小時其對阿里亞斯強(qiáng)度的影響較大，距離較大時其對阿里亞斯強(qiáng)度的影響小于震級的影響．海底地震動動力放大系數(shù)譜峰值大于抗震規(guī)范值；震源類型主要影響地震動彈性反應(yīng)譜的長周期段，震級和距離主要影響長周期彈性反應(yīng)譜的不確定性．對于淺地殼、板緣和板內(nèi)地震，彈塑性反應(yīng)譜不確定性的影響則體現(xiàn)在短周期段．通過與未分類的海底地震動變異系數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，按震級、距離與震源類型對海底地震動分組之后統(tǒng)計不確定性明顯降低．

海底地震動；地震動參數(shù)；彈性反應(yīng)譜；等強(qiáng)度延性譜；不確定性

近海海域多處于板塊交界處，海域工程建設(shè)需要考慮地震的影響．全球海域俯沖帶模型表明[1-2]，我國海域臨近多個俯沖帶，地震活動性較強(qiáng)，其對海域工程的影響不可忽視．我國目前缺少海底地震記錄，但日本相模灣地區(qū)布置有海底地震海嘯監(jiān)測系統(tǒng)，目前已經(jīng)獲取了大量地震記錄，為海底地震動的研究提供了數(shù)據(jù)．

國內(nèi)外學(xué)者對海底地震動開展了一些初步研?究[3]，Boore等[4]對美國SEMS臺站的9組海底強(qiáng)震數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析．Sleefe[5]認(rèn)為海底與陸地地震動豎向峰值加速度存在較大差異．李颯等[6]認(rèn)為陸地抗震設(shè)計參數(shù)并不適用于海域，應(yīng)該針對海域?qū)ｉT進(jìn)行研究．胡進(jìn)軍等[7]和Diao等[8]對海底地震動特征和衰減關(guān)系進(jìn)行了分析和比較．陳寶魁等[9-11]選取部分海底地震動數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，研究了距離對反應(yīng)譜的?影響．

為了在眾多地震動參數(shù)中選取代表性參數(shù)進(jìn)行研究，樊圓[12]和來慶輝等[13]研究發(fā)現(xiàn)，對于相關(guān)性較高的地震動幅值參數(shù)，可以選取其中一個作為此類參數(shù)的代表．在頻譜參數(shù)方面，易偉建等[14]建議采用等強(qiáng)度延性譜計算延性系數(shù)，以避免采用等延性強(qiáng)度譜計算延性系數(shù)時產(chǎn)生的誤差．本文基于日本K-net的922組海底地震動記錄，采用統(tǒng)計方法對海底地震動代表性參數(shù)、頻譜及其不確定性進(jìn)行研究．

1?海底地震動及其分類

本文收集整理了K-net的地震海嘯監(jiān)測系統(tǒng)(ETMC)海底觀測臺站從2000—2018年的海底地震動數(shù)據(jù)．該臺站信息詳見文獻(xiàn)[3]，臺站分布如圖1所示．采用Boore等[15-16]的方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和基線調(diào)整處理，濾波頻帶為0.1～35Hz[17]．按照文獻(xiàn)[9-11]中的方法分別對震級與距離進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如圖2和表1所示[3]．

圖1?日本K-net海底觀測臺站

圖2?震級與距離分布

為了研究震源類型的影響，將地震動記錄按震源類型進(jìn)行分類，劃分為淺地殼地震、上地幔地震、板緣地震和板內(nèi)地震[18]．

表1?各分組中海底地震動記錄數(shù)量

Tab.1?Number of ground motion records in each group

2?地震動幅值頻譜持時和能量參數(shù)特征分析

2.1?幅值、持時及能量參數(shù)

根據(jù)樊圓[12]和來慶輝等[13]推薦的代表性地震動參數(shù)，分別選取峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)、累積絕對速度(CAV)、阿里亞斯強(qiáng)度(IA)和90%能量持時(D90)作為研究的地震動指標(biāo)參數(shù)．

各分組中地震動參數(shù)平均值如圖3所示．可以看出，震級較小時距離的增加會使幅值大幅減少，但震級和距離增加，幅值降低幅度減少．這表明對于遠(yuǎn)場大震級，距離不是影響幅值的主要因素，但對于近場小震級，距離的變化影響較大．距離對豎直向幅值的影響與對水平方向幅值的影響類似．

圖3 各類海底地震動的水平和豎直向PGA、PGV和PGD

地震動持時參數(shù)分析結(jié)果如圖4所示．對于水平分量持時，在震級和距離較小時，震源深度對持時的影響更大．震級增加持時也會相應(yīng)增加，但距離增加持時不一定會減小，對水平持時來說震級較距離影響更為顯著．對于豎直向分量持時，海域板內(nèi)地震在遠(yuǎn)場持時變長，而且海域板緣地震在水平和豎直向的持時都最?。?/p>

對不同分組中累積絕對速度(CAV)和阿里亞斯強(qiáng)度(IA)[19-21]的分析結(jié)果如圖5和圖6所示．

圖4?各類海底地震動的水平和豎直向D90

圖5?各類海底地震動的水平和豎直向CAV

圖6?各類海底地震動的水平和豎直向IA

從圖5可以看出，水平和豎直向的累積絕對速度均隨著震級變大或者距離減小而增加．由圖6可見距離較小時，距離與阿里亞斯強(qiáng)度的相關(guān)性很大，但隨著距離增加相關(guān)性也隨之降低，而在遠(yuǎn)場時，震級與阿里亞斯強(qiáng)度的相關(guān)性超過了距離．

2.2?頻譜特征

以水平分量為例分析了不同震源類型海底地震動在各分組中的平均動力放大系數(shù)譜，分析結(jié)果如圖7～圖9所示．

圖7?近場中震平均動力放大系數(shù)譜

圖8?中場中震平均動力放大系數(shù)譜

圖9?遠(yuǎn)場強(qiáng)震平均動力放大系數(shù)譜

從圖7～圖9可以看出，動力放大系數(shù)的最大值已大于抗震規(guī)范的取值，在進(jìn)行海域工程抗震設(shè)計時應(yīng)予以考慮．

等強(qiáng)度延性系數(shù)譜的分析結(jié)果如圖10和圖11所示．通過比較分類等強(qiáng)度延性譜可以看出，不同震源類型在短周期段延性系數(shù)差異較為明顯，在較長周期段延性系數(shù)差異不大．圖12給出了各分組在不同屈服強(qiáng)度系數(shù)下延性系數(shù)的周期分界點．在延性系數(shù)相近或者一致的周期段，可以不考慮震源類型對延性系數(shù)的影響；但在延性系數(shù)具有較大差異的周期段，應(yīng)當(dāng)考慮震源類型的影響．

圖10?中場中強(qiáng)震等強(qiáng)度延性系數(shù)譜

圖11?遠(yuǎn)場強(qiáng)震等強(qiáng)度延性系數(shù)譜

圖12 各分組在不同屈服強(qiáng)度系數(shù)下延性系數(shù)的周期分界點(水平分量)

3?震源類型對地震動影響的不確定性

本文通過變異系數(shù)研究地震動的不確定性．分別計算考慮震源分類和不考慮震源分類的地震動參數(shù)的變異系數(shù)，以水平分量為例，分析結(jié)果如圖13所示．

圖13?不同震源類型地震動參數(shù)的變異系數(shù)

由圖13可以看出，震源類型對變異系數(shù)有一定影響，分類后變異系數(shù)減?。鹪搭愋蛯铀俣确磻?yīng)譜影響的不確定性如圖14所示．

圖14?震源類型對加速度反應(yīng)譜影響的不確定性

由圖14可以看出，在周期小于1.0s時，不同震源類型的變異系數(shù)基本相同，但周期大于1.0s時，變異系數(shù)差別較為明顯，這表明不確定性表現(xiàn)在長周?期[22]．由此可見考慮震源類型可以降低反應(yīng)譜在長周期段的不確定性．

4?震級和距離對地震動影響的不確定性

為了比較震級和距離對地震動影響的不確定性，圖15～圖18分別給出了不同震源類型和地震分組中地震動參數(shù)的變異系數(shù)．由于近場地震的數(shù)據(jù)量不足導(dǎo)致豎直向和水平方向變異系數(shù)略有升高，其他分類均出現(xiàn)按距離和震級大小分組后地震動參數(shù)變異系數(shù)減小的趨勢．

圖19～圖22分別給出了不同震源類型的加速度反應(yīng)譜的變異系數(shù)，可以看出，加速度反應(yīng)譜的變異性隨著周期增加而增大．圖23～圖26分別給出了不同震源類型在屈服強(qiáng)度系數(shù)為0.4時的等強(qiáng)度延性譜的變異系數(shù)，可見其在長周期趨于一致且逐漸?減?。?/p>

圖15?淺地殼地震動的變異系數(shù)

圖16?上地幔地震動的變異系數(shù)

圖17?板緣地震動的變異系數(shù)

圖18?板內(nèi)地震動的變異系數(shù)

圖19?淺地殼地震動加速度反應(yīng)譜的變異系數(shù)

圖20?上地幔地震動加速度反應(yīng)譜的變異系數(shù)

圖21?板緣地震動加速度反應(yīng)譜的變異系數(shù)

圖22?板內(nèi)地震動加速度反應(yīng)譜的變異系數(shù)

圖23?淺地殼地震動等強(qiáng)度延性譜的變異系數(shù)

圖24?上地幔地震動等強(qiáng)度延性譜的變異系數(shù)

圖25?板緣地震動等強(qiáng)度延性譜的變異系數(shù)

圖26?板內(nèi)地震動等強(qiáng)度延性譜的變異系數(shù)

5?結(jié)?論

本文基于海底實際地震動，分析了震源類型、震級和距離對地震動參數(shù)變異系數(shù)的影響，主要得出以下結(jié)論．

(1) 距離和震級越大，其對幅值影響程度越弱，震級對持時的影響大于距離對持時的影響；距離較小時，阿里亞斯強(qiáng)度受距離的影響較大，距離較大時其對阿里亞斯強(qiáng)度的影響小于震級．

(2) 海底地震動動力放大系數(shù)譜的最大值大于抗震規(guī)范值，海底地震動的等強(qiáng)度延性譜可劃分為較大差異段和趨于一致段．

(3) 考慮海底地震動的震源類型、震級與距離能夠減少海底地震動統(tǒng)計特征的不確定性．

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Characteristics and Uncertainty of Classified Seafloor Ground Motion

Tan Jingyang1, 2，Hu Jinjun1, 2，Zhou Xutong1, 2，Yang Zexi1, 2，Xie Lili1, 2

(1. Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China；2. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China)

To study the characteristics and uncertainties of seafloor ground motions，the ground motion on the seafloor recorded by the Japanese K-net is collected and classified in this paper. Typical ground motion parameters and elastic-plastic spectra are analyzed after filtering and the baseline adjustment for the classified ground motion records. The uncertainty of ground motion on the seafloor is discussed by ground motion parameters and the coefficients of variation of spectra for different source types，magnitudes，and distances. The results show that：the influence on amplitude parameters decreases with the distance and magnitude increasing；the influence on duration of the magnitude is greater than that of the distance；it has a much influence on the Arias intensity for short distance，while the influence on the Arias intensity is less than that of the magnitude for long distance. The peak values of the dynamic amplification factor spectra of ground motions on the seafloor are greater than those of the seismic design standard；the source types mainly influence the elastic response spectra for long periods，the magnitude and distance mainly affect the uncertainty of the elastic response spectra for long periods. The influence of the uncertainty of the elastic-plastic response spectra is mainly reflected in short periods for shallow crustal，subduction interface and subduction slab earthquakes. When comparing the coefficients of variation of the unclassified ground motions on the seafloor，the statistical uncertainty of classified earthquake groups by magnitude，distance and source types are significantly reduced.

seafloor ground motion；ground motion parameters；elastic response spectra；constant-strength ductility spectra；uncertainty

P315.63；P315.9

A

0493-2137(2020)12-1264-08

10.11784/tdxbz201908019

2019-08-08；

2020-01-23.

譚景陽（1994—??），男，博士研究生，tan_jingyang@qq.com.

胡進(jìn)軍，hu-jinjun@163.com.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFC1500403)；國家自然科學(xué)基金資助項目(52078470，51578516).

Supported by the National Key Research and Development Program of China(No. 2017YFC1500403)，the National Natural Science Foundation of China(No. 52078470，No. 51578516).

(責(zé)任編輯：劉文革)