趙曉芬 溫增平

（北京 100081 中國地震局地球物理研究所）

引言

與遠(yuǎn)場地震動相比，近斷層地震動有時包含大幅值、長周期的脈沖信號（Somervilleet al，1997；Somerville，2003；Bray，Rodriguez-Marek，2004），攜帶較高能量的脈沖記錄，對長周期柔性結(jié)構(gòu)具有特殊的破壞作用 （Anderson，Bertero，1987；Hallet al，1995；Mavroeidiset al，2004； Luco，Cornell，2007；Linet al，2018；Jiet al，2019；Kuoet al，2019；Ma，Wu，2019；Siguressonet al，2020）.1971 年圣費爾南多（San Fernando）地震雖是中等強度，但對近斷層工程結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重震害，這引起了地震工程界的關(guān)注.Bertero 等（1978）在分析這種特殊的震害現(xiàn)象及其破壞作用時，首次發(fā)現(xiàn)了近斷層速度脈沖記錄并給出結(jié)論：近斷層震害主要是由速度脈沖引起的.此后在1979年帝王谷（Imperial Vally）地震、1992年蘭德斯（Landers）地震和1994年北嶺（Northridge）地震中均陸續(xù)觀測到這種速度脈沖信號.多自由度體系的彈性塑性反應(yīng)分析表明：近斷層脈沖記錄對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及其破壞作用有重要影響，速度脈沖將顯著增大結(jié)構(gòu)的非彈性形變，增加結(jié)構(gòu)倒塌的可能 （Anderson，Bertero，1987；Hallet al，1995）.因此，在近斷層區(qū)域抗震設(shè)防和抗震設(shè)計時需要充分考慮速度脈沖的影響.

近斷層速度脈沖特征及其影響是近年來國內(nèi)外研究的熱點問題，主要包括速度脈沖記錄的識別方法、速度脈沖型地震動特征及速度脈沖信號對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響等.此外，結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析的不確定性與地震動輸入的不確定性密切相關(guān).人造地震動受震源機制、地震波傳播過程及場地條件等因素的影響，這使得不同場地的人造地震動時程的模擬難度很大（李英民，劉立平，2011）.因此，如何選擇合理的天然地震動作為地震動輸入已成為目前結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析中亟待解決的問題，在開展近斷層地震危險性分析時如何考慮速度脈沖的影響也有待深入研究.關(guān)于速度脈沖型地震動記錄選取方法的研究目前還較少，借用常規(guī)的地震動記錄選波方法選取脈沖記錄的方式存在缺陷，而近斷層速度脈沖特性研究是近斷層速度脈沖型地震動輸入方法的基礎(chǔ).本文擬從近斷層速度脈沖成因、速度脈沖型地震動識別方法、速度脈沖特性、速度脈沖型地震動輸入及速度脈沖對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響等相關(guān)研究的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和闡述，深入了解地震動速度脈沖的工程特性，以期為近斷層概率地震危險性分析、抗震設(shè)防和抗震設(shè)計中充分考慮速度脈沖的影響提供研究基礎(chǔ).

1 近斷層速度脈沖型地震動成因

地震斷層破裂的前方向性效應(yīng)（forward directivity effects）和滑沖效應(yīng) （fling effects） 是產(chǎn)生脈沖信號的兩個主要因素.其中，前方向性效應(yīng)引起的速度脈沖是由斷層破裂方向朝著觀測點且破裂速度與介質(zhì)剪切波速接近時，破裂傳播前方的大部分破裂輻射能量幾乎同步到達(dá)觀測點，即由于能量的累積效應(yīng)，在速度波形的開始階段即形成了一個大峰值、短持時、能量集中的雙向脈沖 （Somervilleet al，1997；Somerville，2003；劉啟方等，2006）.前方向性效應(yīng)引起速度脈沖主要是由破裂傳播的多普勒效應(yīng)引起的，它與震源機制、斷層破裂速度和破裂方向以及破裂方向與觀測點的相對位置等因素有關(guān).滑沖效應(yīng)引起的速度脈沖與斷層破裂出露地表和相關(guān)構(gòu)造變形引起的永久地面位移大小和產(chǎn)生永久位移的時間有關(guān)（Somervilleet al，1997；Huanget al，2000；Chenet al，2001），它在速度時間過程中表現(xiàn)為單向速度脈沖，其特征為位移波形尾部有明顯的殘留永久變形.典型的由破裂前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的近斷層脈沖記錄的速度和位移時程如圖1所示.

圖1 典型地震近斷層破裂的前方向性效應(yīng)（a）和滑沖效應(yīng)（b）速度脈沖記錄的速度和位移時程Fig.1 The velocity and displacement time histories of typical pulse-like strong ground motions caused by forward directivity （a） and fling （b） effects

對于走滑斷層，破裂前方向性效應(yīng)引起的速度脈沖主要出現(xiàn)在垂直斷層走向的分量上，滑沖效應(yīng)引起的速度脈沖表現(xiàn)在平行于斷層走向的分量上；而對于傾滑斷層，破裂前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)引起的速度脈沖均發(fā)生在垂直于斷層面方向的分量上，此時這兩種速度脈沖疊加在一起，難以區(qū)分（Somervilleet al，1997）.然而由于近斷層地震動有很強的方向性特征，不同方向的地震動分量會有較大差別，雖然速度脈沖在垂直于斷層的方向上出現(xiàn)的可能性較大，但速度脈沖并不只出現(xiàn)在垂直于斷層的方向上，而是在一個方位角范圍內(nèi)出現(xiàn)（Howardet al，2005；Booreet al，2006；Shahi，Baker，2011）.所以，不能僅依據(jù)速度脈沖是在垂直或平行斷層方向來區(qū)分前方向性效應(yīng)速度脈沖和滑沖效應(yīng)速度脈沖，而通常是基于速度脈沖的速度和位移時程的波形進(jìn)行區(qū)分.如圖1a所示，含有速度脈沖的速度波形中存在雙向速度脈沖，且對應(yīng)的位移波形的永久位移較小，這種脈沖通常與斷層破裂傳播的前方向性效應(yīng)有關(guān)（Somervilleet al，1997；Somerville，2003；Bray，Rodriguez-Marek，2004）；而圖1b中速度脈沖波形中存在單向速度脈沖，且對應(yīng)的位移波形末尾有明顯的殘留永久變形，這種脈沖通常是由滑沖效應(yīng)引起 （Somervilleet al，1997；Huanget al，2000；Chenet al，2001）.

圖1中與前方向性效應(yīng)有關(guān)的速度脈沖來自1999年我國臺灣集集MW7.6地震，與滑沖效應(yīng)有關(guān)的速度脈沖來自2008年汶川MW7.9地震，這兩種速度脈沖通常分別來自于不同地震，但有時在同一地震中也會同時出現(xiàn)這兩種類型的速度脈沖，如1999年臺灣集集地震（謝俊舉，2014）.此外，圖1給出的兩類速度脈沖很容易通過眼觀進(jìn)行區(qū)分，但是有些速度脈沖記錄類型則很難區(qū)分，如圖2所示的2018年臺灣花蓮地震中HWA012臺站記錄到的速度脈沖記錄，該速度脈沖記錄在速度時程中有明顯的雙向脈沖，但是在位移時程中永久位移高達(dá)80 cm.根據(jù)Shahi和Baker （2013）的前方向性判斷準(zhǔn)則、震源機制以及斷層破裂情況，HWA012臺站記錄為前方向性效應(yīng)引起的速度脈沖型記錄（圖3）.因此，快速有效地區(qū)分前方向性效應(yīng)與滑沖效應(yīng)速度脈沖是未來研究的重點之一.如果只關(guān)注前方向性效應(yīng)引起的速度脈沖的影響，可參考Rupakhety 等（2011）通過采用從加速度時程記錄中減去半個正弦脈沖的方法去除永久位移影響的研究.

圖2 2018 年臺灣花蓮 MW6.4 地震中HWA012臺站的速度時程和位移時程記錄Fig.2 The velocity and displacement time histories of pulse-like strong ground motion from the station HWA012 during 2018 Taiwan Hualien MW6.4 earthquake

圖3 2018 年臺灣花蓮地震中 HWA012 臺站記錄的方向性速度脈沖，其中t17%和t5%分別為記錄能量達(dá)到17%和5%的對應(yīng)時間Fig.3 The pulse caused by directivity effect from the HWA012 station of 2018 Hualien earthquake，t17% and t5% present the times of 17% and 5% of the energy of the original ground motion and extracted pulse，repectively

2 近斷層速度脈沖型地震動識別方法及其數(shù)據(jù)庫

2.1 強震動記錄處理

一般而言，基線漂移僅會對20 s以上周期的反應(yīng)譜產(chǎn)生影響，這幾乎不具工程意義（Boore，2001；Wanget al，2011）.因此在大多數(shù)的工程應(yīng)用中，往往采用一種簡單的高通濾波對加速度記錄進(jìn)行處理（Chiu，1997；Boore，Bommer，2005）.美國下一代衰減模型 （Next Generation Attenuation，縮寫為NGA） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用了非因果的巴特沃斯（Butterworth）濾波器，對強震動記錄進(jìn)行頻域的巴特沃斯低通或高通濾波處理（謝俊舉等，2017）.濾波處理能夠使位移記錄中的高頻成分得到較好的恢復(fù)，但卻完全抑制了長周期信號.為了避免影響速度脈沖的識別結(jié)果、脈沖形狀并保存可靠的永久位移，建議采用基線校正方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.基線校正方法眾多 （Iwanet al，1985；Chiu，1997；Boore，2001；王國權(quán)，周錫元，2004；Wu，Wu，2007；Wanget al，2011；張斌等，2020），其中 Wang 等（2011） 提出的自動基線校正方法具有效率高和自動化程度高等優(yōu)點，且基線校正得到的永久位移與GPS觀測結(jié)果吻合得較好（Melgaret al，2013），目前該方法已在許多重要地震中得到應(yīng)用（李雪婧等，2017；Zhaoet al，2021）.為了考察基線校正的效果，將由該方法得到的永久位移與GPS觀測位移進(jìn)行對比.以2018年臺灣花蓮MW6.4地震中HWA008強震臺站為例，對該臺站的三分量（EW，NS和UD）強震動記錄校正后得到加速度、速度和位移時程，并與距其較近的GPS臺站GE46觀測到的同震位移進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示，可以看出校正后獲取到的EW，NS和UD向地面永久位移（7.6 cm，-44.5 cm和-3.4 cm）與GPS臺站GE46觀測到的EW，NS和UD向地面永久位移（7.8 cm，-39.8 cm 和-7.4 cm）較為吻合.

圖4 2018年臺灣花蓮MW6.4地震中臺站HWA008記錄經(jīng)基線校正后三分量的加速度、速度和位移時程（引自趙曉芬等，2021）Fig.4 Three-component acceleration，velocity and displacement time histories after baseline correction from HWA008 record during 2018 Taiwan Hualien MW6.4 earthquake （after Zhao et al，2021）

2.2 速度脈沖識別方法

以前在挑選脈沖型地震動時，通常是根據(jù)其速度時程，依靠眼觀憑借直觀和經(jīng)驗來判別是否含有脈沖，即定性地識別速度脈沖.這種定性識別方法具有很大的主觀任意性，因為不同的研究者基于自己的經(jīng)驗對地震動的判別結(jié)果可能不一致，尤其是在脈沖特性不明顯的情況下.隨后，一些學(xué)者提出采用簡化的脈沖模型捕捉速度脈沖的主要特征，以此對地震動速度時程進(jìn)行檢測，從而判別是否存在明顯的速度脈沖（Hallet al，1995；Makris，1997；Alavi，Krawinkler，2001；Mavroeidis，Papageorgiou，2003；Bray，Rodriguez-Marek，2004；Dickinson，Gavin，2011；Tang，Zhang，2011），稱之為半定量速度脈沖識別方法.此外，隨著強震數(shù)據(jù)的不斷累積，面對成千上萬條強震動記錄，采用定性方法或半定量方法識別速度脈沖，其工作量巨大且效率低（常志旺，2014；趙曉芬，2015）.因此，需要采用高效的定量方法進(jìn)行速度脈沖識別.然而對于識別速度脈沖的定量方法，尚無統(tǒng)一的、明確的判別原則.目前速度脈沖定量識別方法有基于小波變化的Baker方法（Baker，2007；Shahi，Baker，2011，2014）、基于能量的速度脈沖識別方法（Zhaiet al，2013； 常志旺，2014；Changet al，2016）、基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（empirical mode decomposition，縮寫為EMD）的速度脈沖識別方法（趙曉芬，2015）以及以希爾伯特-黃（Hilbert-Huang）變換為基礎(chǔ)的速度脈沖識別方法（Chenet al，2019；Chen，Wang，2020）.其中基于小波變化的速度脈沖識別方法應(yīng)用較為廣泛，包括Baker（2007）、Shahi和 Baker （2011）、Shahi和 Baker （2014）方法.Baker （2007）選用四階 Daubechies小波（db4）作為母小波對垂直或平行斷層方向分量的地震動記錄進(jìn)行一維連續(xù)的小波變換，提取原始地震動速度時程中的長周期脈沖信號，并提出了三個判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量識別.考慮到近斷層地震動有很強的方向性差異，不同方向分量的地震動特性會有較大差別，且速度脈沖并不僅僅出現(xiàn)在垂直斷層方向上，而是在一個方位角范圍內(nèi)（Howardet al，2005；Booreet al，2006；胡進(jìn)軍，謝禮立，2011；Shahi，Baker，2011；Zhaiet al，2013；謝俊舉等，2017），如圖5中2008年汶川地震中51JYT臺的記錄，陰影為出現(xiàn)顯著脈沖的區(qū)域（謝俊舉等，2017）.Shahi和 Baker （2011）采用將水平向地震動記錄在水平面內(nèi)0—360°各個方向上旋轉(zhuǎn)并識別.當(dāng)某一方向的地震動具有典型速度脈沖特征時，即判定該記錄為脈沖型記錄.該方法克服了Baker （2007）只能識別單一方向脈沖容易漏判的缺點，但其計算成本相對較高.Shahi和Baker（2014）對 Shahi和 Baker （2011）的識別方法和過程進(jìn)行簡化，提出基于兩個正交水平分量的地震動速度脈沖識別方法，該方法大大簡化了計算過程，提高了識別效率，但謝俊舉等（2017）認(rèn)為該方法可能會對明顯的脈沖記錄存在漏判問題.

圖5 2008 年汶川地震 51JYT 臺記錄的顯著速度脈沖的方位（引自謝俊舉等，2017）Fig.5 Azimuth showing distinct pulse for 51JYT record during 2008 Wenchuan earthquake （after Xie et al，2017）

傳統(tǒng)的速度脈沖定量識別方法（如小波方法和能量方法）可以有效地識別出單脈沖型地震動，但對于多脈沖不太適合.由于前方向性效應(yīng)引起的脈沖一般包含主、次脈沖（即多脈沖），且主、次脈沖的周期一般相差較?。╖haiet al，2018）.多脈沖的定量識別方法是近年來的研究熱點.Zhai等（2018）提出采用速度時程中的半循環(huán)捕捉速度脈沖的主要特性，再基于能量的方法予以定量識別.該方法可以有效地識別單脈沖、多脈沖以及不規(guī)則速度脈沖地震動記錄.

2.3 速度脈沖數(shù)據(jù)庫

對于速度脈沖的相關(guān)研究，首先要從強震動記錄中識別出速度脈沖記錄，并建立速度脈沖記錄數(shù)據(jù)庫.隨著強震動記錄的不斷累積，以及速度脈沖的識別方法從定性（Somerville，2003；Mavroeidis，Papageorgiou，2003；Bray，Rodriguez-Marek，2004） 到定量 （Baker，2007；Shahi，Baker，2011，2014；Zhaiet al，2013；趙曉芬，2015） 的不斷改進(jìn)，速度脈沖數(shù)據(jù)庫也在不斷地更新，為速度脈沖的相關(guān)研究奠定了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).2003年美國太平洋地震工程研究中心 （Pacific Earthquake Engineering Research Center，縮寫為 PEER）發(fā)起了 NGA 研究計劃，其中NGA-West1計劃已于2008年完成，并發(fā)布了NGA-West1強震數(shù)據(jù)庫.同時Baker （2007）提出基于小波分析的速度脈沖識別方法，利用該方法從NGA-West1數(shù)據(jù)庫的3500組強震動記錄中識別出91條速度脈沖記錄，建立了含有速度脈沖的強地震動記錄數(shù)據(jù)庫.2011年Shahi和Baker （2011）在Baker （2007）的基礎(chǔ)上提出考慮速度脈沖方向不確定性的速度脈沖識別方法，從NGA-West1數(shù)據(jù)庫中識別出179條含有速度脈沖的強地震動記錄.2013年美國太平洋地震工程研究中心在NGA-West1數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上又補充了2003—2011年全球構(gòu)造活動區(qū)淺地殼地震的強地震動記錄，發(fā)布了名為NGA-West2強震動數(shù)據(jù)庫，包括全球范圍內(nèi)發(fā)生的607次地震中的2萬1539條強震動記錄，其中也涵蓋了我國2008年汶川MW7.9地震的主震和 64 次強余震在內(nèi)的3950 多條強震動記錄（Anchetaet al，2014）.隨著 NGA-West2 強震動數(shù)據(jù)庫的發(fā)布，Shahi和Baker （2014）提出了基于多分量的速度脈沖識別方法，從NGA-West2強震動數(shù)據(jù)庫中識別出244條含有速度脈沖的強記錄.此后，趙曉芬等（2022a）采用Shahi和Baker （2011）的速度脈沖識別方法將2013年至今國內(nèi)外發(fā)生的地震事件的近斷層強震動記錄進(jìn)行速度脈沖識別，其中有我國的2014年魯?shù)镸S6.5地震、2016年臺灣美濃MW6.4地震、2018年臺灣花蓮MW6.4地震和境外的2015年尼泊爾MW7.8地震、2016年日本熊本MW7.0地震等，將其作為NGA-West2速度脈沖記錄數(shù)據(jù)庫的補充，得到316條速度脈沖記錄組成的速度脈沖記錄數(shù)據(jù)庫.在NGA-West3未發(fā)布之前，該數(shù)據(jù)庫是目前較全的速度脈沖記錄數(shù)據(jù)庫.

3 近斷層速度脈沖特性

近斷層速度脈沖的地震動特性研究主要是利用速度脈沖實際觀測記錄，基于統(tǒng)計分析方法較為詳盡地研究脈沖型地震動的幅值、頻譜、周期與震級、斷層類型、距離、場地條件等因素之間的關(guān)系（Mavroeidis，Papageorgiou，2003；Somerville，2003；Bray，Rodriguez-Marek，2004；謝俊舉等，2017；趙曉芬等，2018）.此外，速度脈沖型地震動方向性差異特點以及速度脈沖對反應(yīng)譜的放大作用是近年來的研究熱點.

3.1 地震動方向性差異

斷層破裂的前方向性效應(yīng)對地震動有顯著影響.當(dāng)破裂沿斷層面以剪切波速傳播時，破裂傳播前方的大部分破裂輻射能量幾乎同步到達(dá)觀測點.在能量累積效應(yīng)的作用下，在斷層破裂向前傳播方向所在區(qū)域觀測到的地震動被明顯放大（謝俊舉等，2018），如2008年汶川地震（Wanget al，2010；謝俊舉等，2010）、2013年蘆山地震（謝俊舉等，2018）以及 2018年臺灣花蓮地震（安昭等，2019）.而對于單個場點所獲取的記錄，前方向性效應(yīng)還會導(dǎo)致地震動強度隨記錄方向不同而發(fā)生顯著變化（韓淼等，2016，2017；Tianet al，2019），即地震動的方向性差異，主要表現(xiàn)為不同方向上的加速度反應(yīng)存在顯著差異，且反應(yīng)的最大方向隨自振周期發(fā)生變化（Shahi，Baker，2014；Bradley，Baker，2015；韓淼等，2016；謝俊舉等，2018；安昭等，2019；Tianet al，2019）.地震動的方向性差異會影響工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移變形和內(nèi)力反應(yīng) （Howardet al，2005；Booreet al，2006；Daiet al，2014），但針對于近斷層前方向性效應(yīng)速度脈沖記錄的方向性差異及其與近斷層普通地震動的方向性差異的對比研究很少涉及.因此，開展近斷層速度脈沖型地震動的方向性差異研究，將有助于深入認(rèn)識近斷層地震動速度脈沖特性，為近斷層區(qū)域工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時速度脈沖方向的確定提供重要依據(jù).

趙曉芬等（2021）以2018年臺灣花蓮縣近海發(fā)生的MW6.4地震為例，探討了速度脈沖型地震動方向性差異的特點，其結(jié)果表明：花蓮地震近斷層區(qū)域內(nèi)，速度脈沖記錄的方向性差異較非速度脈沖記錄更顯著.花蓮地震在斷層距30 km以內(nèi)地震動具有較強的方向性，即T≥1.0 s的長周期地震動卓越方向接近垂直斷層方向，這與Bradley和Baker （2015）的結(jié)果（斷層距Rrup＜30 km）以及謝俊舉等（2018）的結(jié)果（Rrup＜35 km）較為接近，但明顯超過了 Shahi和Baker （2014）給出的影響范圍（Rrup＜5 km）.值得注意的是，花蓮地震中斷層距在 5 km 范圍內(nèi)的強震動記錄的方位角最靠近垂直斷層方向，這與謝俊舉等（2018）研究蘆山地震時發(fā)現(xiàn)斷層距處于20—35 km之間時強震動記錄的方位角最靠近垂直斷層方向的結(jié)果存在差異.這是由于與近斷層普通地震動相比，速度脈沖記錄的方向性差異更明顯.因此，建議在斷層距約30 km范圍內(nèi)工程建設(shè)中需要考慮地震動方向性差異的影響，特別是在斷層距5 km范圍內(nèi)應(yīng)該考慮速度脈沖記錄方向性差異的影響，以確保工程結(jié)構(gòu)的薄弱位置盡量避開速度脈沖型地震動的卓越方向.另外，趙曉芬等（2021）還表明：近斷層前方向效應(yīng)對速度脈沖方向性差異的影響更大.

3.2 速度脈沖對反應(yīng)譜的放大作用

已有學(xué)者嘗試對以往的地震動預(yù)測值進(jìn)行修正，以便在地震危險性分析中考慮速度脈沖效應(yīng)的影響 （Somervilleet al，1997；Abrahamson，2000；Rowshandel，2006；Spudich，Chiou，2008）.早年有學(xué)者將近斷層地震動所有周期對應(yīng)幅值或者反應(yīng)譜相對于以往的地震動預(yù)測值一致提高，稱為寬頻段模型.隨著研究的不斷深入，相關(guān)結(jié)果顯示發(fā)現(xiàn)速度脈沖并不是對所有頻段地震動成分一致放大，而是僅僅放大了部分頻段的地震動，且不同頻段范圍內(nèi)的放大倍數(shù)也不相同 （Somerville，2003，2005；Tothonget al，2007；Baker，Cornell，2008；Shahi，Baker，2011；Changet al，2018），這種模型稱為窄頻段模型.在NGA-West2中的方向模型中，Shahi和Baker （2011）基于速度脈沖記錄建立了脈沖放大作用的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其中脈沖的平均放大譜表現(xiàn)為以特征周期Tp為中心的單峰曲線，且在0.88Tp附近最強，向兩側(cè)逐漸減弱.謝俊舉等（2017）收集了近年發(fā)生的汶川地震、魯?shù)榈卣鸷兔绹鳱GA數(shù)據(jù)庫選取的175次地震事件的3661組強震動記錄，考慮脈沖方向的不確定性，進(jìn)一步研究了速度脈沖放大作用預(yù)測模型，其結(jié)果顯示放大作用預(yù)測模型曲線表現(xiàn)為以脈沖特征周期Tp為中心的單峰曲線，在Tp處的放大倍數(shù)最高可達(dá)3.5 倍，向兩側(cè)逐漸變?nèi)酰饕绊懼芷诜秶鸀?.5Tp—2Tp.Chang 等（2018）的研究表明速度脈沖的放大作用最強處不是一個點而是一個平臺段（0.75Tp—1.09Tp），并在Shahi和 Baker （2011）的基礎(chǔ)上提出新的速度脈沖放大作用預(yù)測模型.Shahi和 Baker （2011）和Chang等（2018）能夠定量地預(yù)測速度脈沖的放大作用.趙曉芬等（2021）以我國臺灣花蓮地震為例探討了上述速度脈沖放大作用預(yù)測模型的有效性，發(fā)現(xiàn)花蓮地震中速度脈沖平均放大作用曲線形狀與Chang 等（2018）預(yù)測模型相似，且兩者的平臺段范圍及寬度均相近，但花蓮地震速度脈沖的平均放大作用系數(shù)曲線的平臺段高度明顯高于Chang 等（2018）的預(yù)測模型.隨后，趙曉芬等（2022b）采用更豐富的速度脈沖記錄，基于Chang 等（2018）模型更新了近斷層速度脈沖放大作用預(yù)測模型.此外，Shahi和Baker （2013）表明方向性差異對脈沖放大作用系數(shù)無顯著的影響.此外，對應(yīng)于特定周期的放大系數(shù)值由脈沖周期Tp和比值T/Tp共同決定，而速度脈沖周期Tp受震源特性、距離及場地條件等因素影響，放大系數(shù)還與場地類別和震源特征等諸多因素有關(guān).謝俊舉等（2017）關(guān)于震級和場地剪切波速對脈沖放大作用系數(shù)曲線的影響研究表明：隨著震級的增大，脈沖放大作用影響的周期范圍變寬，放大系數(shù)曲線的峰值周期向長周期方向移動；隨著場地剪切波速的增大，脈沖放大作用的影響范圍和峰值均向短周期移動，與震級相比，場地剪切波速對放大系數(shù)曲線的影響較小.目前尚無探討斷層距對脈沖放大作用影響的相關(guān)研究，因此，需要在定性分析的基礎(chǔ)上定量研究震級、斷層距以及場地條件對脈沖放大作用的影響，建立考慮脈沖放大作用的地震動參數(shù)預(yù)測模型，提出考慮速度脈沖影響的概率地震危險性分析方法，為近斷層抗震設(shè)防和抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù).

4 近斷層速度脈沖型地震動輸入

速度脈沖型地震動具有幅值大、周期長等特點，這與普通地震動特性差異顯著.因此，需要針對近斷層地震動速度脈沖的選取和調(diào)整方法加以研究.

4.1 速度脈沖型地震動記錄選取調(diào)研

總結(jié)前人的研究成果，速度脈沖型地震動選取和調(diào)整目前尚無統(tǒng)一的方法，各國的相關(guān)方法下面分述之.

我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB 50011—2010 （中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2010）對近斷層速度脈沖記錄的選取無具體規(guī)定，缺乏具體的速度脈沖選波方法.因此，還需加大近場地震動特性及近場地震動輸入的研究，以完善我國規(guī)范關(guān)于近場地震設(shè)防的規(guī)定.

UBC97 （International Conference of Building Official，1997）明確提出考慮近斷層地震動效應(yīng)，以反應(yīng)譜放大因子來反映近斷層地震動效應(yīng)，當(dāng)震級小于6.5時則不予考慮.UBC97對近場地震的考慮主要體現(xiàn)在以下三方面：① 對地震動反應(yīng)系數(shù)分別乘以大于1的值，這樣中短周期設(shè)計譜值得以提高；② 對設(shè)計譜的平臺段乘以近場系數(shù)，加大設(shè)計譜的平臺寬度；③ 設(shè)計譜下降段乘以大于1的近場因子，使其變得更為平緩；④ 對近場設(shè)計譜的長周期下降段增加一個平臺，以期控制響應(yīng)力，考慮了長周期地震動的影響.UBC97對近場地震效應(yīng)的考慮比較合理，特別是加大了加速度敏感區(qū)的寬度，較好地考慮了近場地震動的影響.但是，UBC97未對速度脈沖型地震動記錄選取進(jìn)行具體規(guī)定.

NIST （National Institute of Standard and Technology，2011）用脈沖記錄占總選波數(shù)量的比例因子來確定速度脈沖型地震動記錄的選波數(shù)量.NIST規(guī)定：如果按照設(shè)定地震選取速度脈沖，需要遵守普通地震動選波方法，即基于地震震級、震中距、場地條件等條件，并且按照脈沖記錄所占比例因子選??；如果按照譜匹配方法選取脈沖記錄，則含速度脈沖地震動記錄反應(yīng)譜值（脈沖周期對應(yīng)值）不能超過目標(biāo)譜的15%—30%，且不能小于目標(biāo)譜值（遠(yuǎn)離脈沖周期對應(yīng)值）的10%—20%；此外，在匹配過程中不能丟失備選記錄的非平穩(wěn)性.NIST給出了指導(dǎo)性的原則，但未給出具體的實施細(xì)則.

Shahi和Baker （2014）基于概率地震危險性分析方法建立了脈沖發(fā)生的概率模型，確定了在近斷層區(qū)選取速度脈沖的數(shù)量，但是尚未詳細(xì)研究速度脈沖型地震動記錄的選取方法；他們提出在脈沖記錄少的情況下需要增加人工速度脈沖地震動，要求人工速度脈沖地震動與真實的速度脈沖地震動具有相似的特征.這些研究均給出了指導(dǎo)性的建議，但未給出具體的實施細(xì)則.

Hayden 等（2014）提出了速度脈沖記錄選取方法的指導(dǎo)意見：① 當(dāng)選用的地震動記錄較少時，選取的速度脈沖記錄的脈沖周期要與結(jié)構(gòu)自振周期接近；② 當(dāng)選用的地震動記錄較多時，需要盡可能地滿足一系列設(shè)定地震條件，如震級、斷層距等，從而與設(shè)定地震危險性水平一致；③ 脈沖記錄與目標(biāo)譜的匹配過程中應(yīng)保持脈沖的非平穩(wěn)性；④ 建議采用條件平均譜的概念進(jìn)行速度脈沖反應(yīng)譜的譜匹配，在指定的周期范圍（如0.2T—1.5T）進(jìn)行目標(biāo)譜匹配，且在匹配過程中不能消除脈沖的關(guān)鍵時域特征，也不能通過增加額外的脈沖能量以免產(chǎn)生不真實的時間序列.為此，規(guī)定脈沖周期對應(yīng)的譜值不得超過脈沖周期對應(yīng)目標(biāo)譜的15%—30%，不得小于10%—20%.Hayden同樣只給出了指導(dǎo)性建議，但并未給出具體論證指導(dǎo)意見的根據(jù)，以及詳細(xì)的速度脈沖記錄選取和調(diào)整方法.

此外，目前比較常用的地震動選取方法有條件平均譜（conditional mean spectrum，Baker，2011）、條件譜（conditional spectrum，Jayaramet al，2011）、廣義條件參數(shù)分布（generalized conditional intensity measure，Bradley，2010），其中廣義條件參數(shù)分布方法可以用于速度脈沖型地震動記錄的選取.就速度脈沖型地震動記錄選取和調(diào)整方法的專題研究而言，前人給出了較多速度脈沖型地震動記錄選取和調(diào)整方法的指導(dǎo)性建議，但尚無系統(tǒng)的、具體的方法性研究.

4.2 速度脈沖型地震動強度表征參數(shù)

針對一般地震動記錄的地震動強度表征參數(shù)（intensity measure，縮寫為IM）的研究較多（王建民，朱晞，2006；葉列平等，2009；陳波，2013；杜永峰等，2017）.由于速度脈沖型地震動具有長周期、大幅值、能量瞬時累積大、非平穩(wěn)性強且對結(jié)構(gòu)有特殊的破壞作用等區(qū)別于一般地震動的特征（楊迪雄等，2005；Baker，2007；陳波，2013；趙曉芬，2015），因此需要研究速度脈沖型地震動強度表征參數(shù).許多研究（Shomeet al，1998；Luco，Cornell，2007）已證明基階模態(tài)周期譜加速度Sa（T）較其它參數(shù)是更有效的IM，但速度脈沖型地震動的Sa（T）之間的相關(guān)性隨著周期的增大而逐漸減弱，特別是對于長周期結(jié)構(gòu)Sa（T）無法有效地解釋結(jié)構(gòu)反應(yīng)的變異性 （Baker，Cornell，2004，2008）.因此除Sa（T）以外，需要考慮將速度脈沖非平穩(wěn)性譜形的參數(shù)作為速度脈沖型地震動強度表征參數(shù).周靖等（2010）提出Sa（T）和PGV是相對較優(yōu)的速度脈沖型地震動IM，但是以其作為IM來估算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的離散性，該離散性隨結(jié)構(gòu)體系周期、延性水平的變化較大.Baker和Cornell （2008）選用斷層距在20—30 km的70條速度脈沖記錄進(jìn)行研究，認(rèn)為Sa（T）和譜形參數(shù)R（T1，T2） ［R（T1，T2）＝Sa（T2）/Sa（T1） ］ 可作為速度脈沖型地震動IM.由于T2存在很大的不確定性和主觀性，并且R（T1，T2）無法有效地捕捉脈沖的非平穩(wěn)性，因此不適合作為IM.Tothong和Cornell （2008）通過研究70條速度脈沖記錄提出采用Sa（T）和反應(yīng)譜偏差參數(shù)ε作為速度脈沖型地震動IM.由于ε依賴于NGA經(jīng)驗預(yù)測模型，但是現(xiàn)有的經(jīng)驗預(yù)測模型未考慮速度脈沖的影響，因此ε不適合作為速度脈沖型地震動IM.Almufti 等（2015）分別對比研究脈沖和非脈沖記錄與條件平均譜的匹配，基于危險性分析發(fā)現(xiàn)速度脈沖周期是脈沖型地震動記錄選取的關(guān)鍵因素.Chioccarelli和Iervolino（2013）基于現(xiàn)有地震動預(yù)測模型提出近似脈沖譜（close-impulsive spectrum），該脈沖譜可以基于設(shè)定地震危險性考慮速度脈沖的影響（例如震級、距離以及脈沖周期）.然而Baltzopoulos等（2015）發(fā)現(xiàn)由于速度脈沖型地震動記錄稀缺，采用目標(biāo)譜進(jìn)行速度脈沖記錄選取是不可行的，因此，他們忽略了脈沖型地震動的譜形狀，采用與地震危險性相一致的脈沖周期進(jìn)行脈沖記錄選取.同理，Tarbali （2017）也不考慮脈沖型地震動的譜形，而是采用廣義條件參數(shù)分布方法從同時包含脈沖和非脈沖的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行脈沖記錄選取.Kohrangi 等（2019）采用與地震危險性相一致的脈沖周期以及對脈沖譜形狀敏感的平均譜加速度這兩個參數(shù)進(jìn)行速度脈沖型地震動記錄的選取.趙曉芬等（2019）從NGA-West2強震數(shù)據(jù)庫中識別出236條速度脈沖記錄，分析了42種地震動參數(shù)之間的相似性和相關(guān)性，其結(jié)果顯示：當(dāng)0＜T＜6 s時，速度脈沖對加速度反應(yīng)譜的放大系數(shù)可作為速度脈沖型地震動強度表征參數(shù)，但是對于該放大系數(shù)如何在速度脈沖型地震動記錄輸入中應(yīng)用，尚需進(jìn)一步研究.

4.3 地震動預(yù)測模型對速度脈沖型地震動的適用性研究

傳統(tǒng)的地震動預(yù)測模型未考慮速度脈沖的影響，可能會低估近斷層區(qū)域的地震危險性（Chiou，Youngs，2008； Shahi，Baker，2011； Changet al，2018）.Shahi和 Baker （2011）探討了NGA-West1的五個地震動預(yù)測模型中的Boore和Atkinson （2008）地震動預(yù)測模型（以下簡稱BA2008）對近斷層速度脈沖型地震動的適用性，結(jié)果顯示BA2008地震動預(yù)測模型會低估速度脈沖記錄，但是能夠較好地預(yù)測提取長周期脈沖后的殘余地震動（Shahi，Baker，2011）.基于更新的強震動記錄，NGA-West2還發(fā)布了四個新一代地震動預(yù)測模型，分別為ASK2014（Abrahamsonet al，2014），BSSA2014 （Booreet al，2014），CB2014 （Campbell，Bozorgnia，2014）和 CY2014 （Chiou，Youngs，2014）模型.趙曉芬等（2022a）利用小波提取出速度脈沖記錄中的長周期脈沖信號，基于偏差參數(shù)分析方法，定量地研究NGA-West2地震動預(yù)測模型分別對速度脈沖原始記錄和提取長周期脈沖后的殘余記錄的適用性.結(jié)果顯示，NGA-West2中的四個地震動預(yù)測模型均會低估近斷層速度脈沖記錄，特別是在脈沖周期附近的周期段內(nèi)速度脈沖觀測值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此四個預(yù)測模型的預(yù)測值，但殘余記錄觀測值與NGA-West2中四個地震動預(yù)測模型的預(yù)測值較吻合.值得注意的是，CB2014地震動預(yù)測模型能更好地預(yù)測殘余記錄.因此今后對近斷層速度脈沖預(yù)測時可以通過修正脈沖周期附近的NGA-West2地震動預(yù)測模型從而考慮速度脈沖的影響.這為近斷層概率地震動危險性分析、抗震設(shè)防以及結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中考慮速度脈沖的影響提供研究基礎(chǔ)，為NGA-West2地震動預(yù)測模型的修正（如通過建立速度脈沖放大作用預(yù)測模型對地震動預(yù)測模型進(jìn)行修正）從而建立速度脈沖型地震動預(yù)測模型，這將是下一步研究的重點.

5 近斷層速度脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)的影響

盡管由地震破裂前方向性效應(yīng)引起的長周期速度脈沖很早就已發(fā)現(xiàn)，但關(guān)于它對結(jié)構(gòu)破壞的研究卻相對較晚.Bertero 等（1978）最早認(rèn)識到近斷層前方向性效應(yīng)引起的地震動脈沖可能會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，并研究了方向性脈沖對柔性結(jié)構(gòu)的影響.直到1994年北嶺地震之后，人們才開始認(rèn)識到方向性脈沖對長周期結(jié)構(gòu)的危害性 （Hallet al，1995；Andersonet al，1999），于是在工程設(shè)計中開始考慮近斷層效應(yīng)的影響.此后，關(guān)于近斷層速度脈沖對結(jié)構(gòu)影響的研究主要集中在以下幾個方面.

一是速度脈沖型地震動與非脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)影響的對比研究.楊迪雄等（2005），李爽和謝禮立（2006）以及Kalkan和Gülkan （2004）等選用近斷層含速度脈沖的地震動記錄和遠(yuǎn)場不含速度脈沖地震動記錄分別作用于結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比研究.韋韜（2005），李明等（2010）和賀秋梅（2012）等選用含速度脈沖的地震動記錄和與其具有一致峰值加速度、彈性加速度反應(yīng)譜和持時的不含速度脈沖的模擬地震動進(jìn)行對比研究.趙曉芬（2015）將含速度脈沖地震動記錄進(jìn)行連續(xù)的小波分析，分離出脈沖分量和不含脈沖的剩余分量分別作為含速度脈沖記錄和不含速度脈沖記錄作用于結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究.

二是速度脈沖型地震動對不同類型結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響研究.多自由度體系在脈沖作用下的彈性和非彈性反應(yīng)分析表明，脈沖的幅值和周期是控制結(jié)構(gòu)變形的主要參數(shù)（Anderson，Bertero，1987；Hallet al，1995；Makris，1997；Alavi，Krawinkler，2001；楊迪雄等，2005）.近斷層脈沖對結(jié)構(gòu)的影響主要有兩個方面：一方面，考察速度脈沖對簡單的單自由度體系或多自由度體系地震反應(yīng)的影響 （Alavi，Krawinkler，2001）；另一方面建立實際工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，輸入實際的地震記錄或模擬地震動，采用試驗或數(shù)值分析的方法來考察速度脈沖對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等地震反應(yīng)的影響（李爽，謝禮立，2006；趙鳳新等，2008）.一些學(xué)者還研究了速度脈沖對隔震結(jié)構(gòu)、巨型結(jié)構(gòu)以及核電廠結(jié)構(gòu)體系的影響（李新樂，朱晞，2004；楊迪雄等，2005；李祥秀等，2021；孫亞琪等，2022）.

三是不同類型的速度脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)反應(yīng)影響研究.不同類型的近斷層速度脈沖在周期、幅值和波形上的顯著不同都會導(dǎo)致地震作用下結(jié)構(gòu)不同形式和不同程度的破壞（Kalkan，Kunnath，2006；Shahi，Baker，2011）.例如，前方向性脈沖主要增大結(jié)構(gòu)的高階振型響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的中上部樓層的層間變形較大，而滑沖效應(yīng)脈沖主要激起結(jié)構(gòu)的基本振型響應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)底部層間變形較大（Kalkan，Kunnath，2006）.同時，滑沖效應(yīng)速度脈沖可以使隔震建筑底部的層間變形和樓層剪力明顯增大，對長周期建筑結(jié)構(gòu)的破壞相比前方向性速度脈沖更具危害性（楊迪雄，趙巖，2010）.可見不同類型的近斷層脈沖對相同結(jié)構(gòu)的影響會有如此顯著的差異.此外，李帥等（2017）研究了合成的近斷層地震動對超大跨斜拉橋的影響，發(fā)現(xiàn)與脈沖循環(huán)數(shù)為偶數(shù)的脈沖型地震動相比，脈沖循環(huán)數(shù)為奇數(shù)的脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)的影響更為顯著.

6 結(jié)論

本文從速度脈沖成因、速度脈沖型地震動識別方法、速度脈沖特性、速度脈沖型地震動輸入以及速度脈沖對結(jié)構(gòu)影響等方面對相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)和梳理.

地震斷層破裂中的前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)是產(chǎn)生脈沖記錄的兩個主要原因，關(guān)于兩類速度脈沖的定量區(qū)分將是下一步的研究重點.速度脈沖識別方法經(jīng)歷了從定性到定量識別的不斷改進(jìn)，但目前的定量識別方法無法做到完全的自適應(yīng).此外，能夠綜合識別單、多以及不規(guī)則速度脈沖型地震動記錄的定量識別方法也是接下來的研究重點，對滑沖效應(yīng)速度脈沖型地震動的定量識別方法也需深入研究.目前對速度脈沖幅值、頻譜等特性研究較為詳盡，但是關(guān)于速度脈沖方向性差異以及脈沖放大作用預(yù)測模型還需要進(jìn)一步研究.與普通地震動相比，速度脈沖型地震動有非常明顯的非平穩(wěn)性，因此在速度脈沖型地震動輸入方法中需要充分考慮脈沖的非平穩(wěn).而現(xiàn)有的速度脈沖型地震動輸入方法大都還停留在理論研究階段.不同類型的速度脈沖型地震動對不同類型結(jié)構(gòu)的研究較多，但速度脈沖對大的建筑群以及城市區(qū)域的研究還較少.

速度脈沖相關(guān)研究隨著速度脈沖觀測數(shù)據(jù)的積累和結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展與時俱進(jìn)，但關(guān)于速度脈沖的研究大多停留在理論階段，與工程實踐之間還存在銜接問題，下一步重點是將較為成熟的理論成果轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用.