劉 偉,宋成科,夏 峰,鄭 宇,黨學(xué)會
(中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180)
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地震動加速度時程一致性評價(jià)方法研究*
劉偉,宋成科,夏峰,鄭宇,黨學(xué)會
(中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180)
摘要:為評價(jià)使用各種方法獲得地震動加速度時程與區(qū)域內(nèi)地震動加速度時程觀測資料的一致性,提出一種能夠綜合時頻特性的地震動時程一致性評價(jià)指標(biāo)及其相對性判據(jù),該方法可以量化分析待評價(jià)地震動時程對區(qū)域構(gòu)造信息的反映能力。通過評價(jià)唐山地區(qū)陡河地震臺和四座樓地震臺模擬結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果的一致性,給出了實(shí)用化的算例。
關(guān)鍵詞:地震動時程;一致性評價(jià);構(gòu)造信息;天津地震;唐山地區(qū)
0引言
各類超限建筑和大跨結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要求提供具有能夠反映區(qū)域構(gòu)造信息的加速度時程作為地震動輸入以滿足結(jié)構(gòu)時程分析的需要。但是現(xiàn)有強(qiáng)震觀測成果具有空間分布不均勻性、不可重現(xiàn)性以及場地條件依賴性的特點(diǎn),因此在與工程場地環(huán)境完全一致的強(qiáng)震觀測波形缺失的情況下,時程分析多采用場地條件相似地區(qū)的天然波形或人工合成波作為輸入。然而,不管是天然波的選擇,還是人工地震動的合成均橫跨地球科學(xué)與工程科學(xué)兩大研究領(lǐng)域,涉及到震源模式、地震波傳播方式、傳播介質(zhì)影響、場地條件約束、地震動基本參數(shù)標(biāo)定、地震動的模型簡化以及地震動的工程預(yù)測等諸多環(huán)節(jié),其中每一項(xiàng)都錯綜復(fù)雜且飽含不確定因素(張翠然,陳厚群,2008)。因此,所選擇或者合成的地震動加速度時程在應(yīng)用于工程實(shí)際之前,必須考慮該地震動時程能否代表工程廠址周圍的地震環(huán)境特征和場地條件特征。
人工合成的地震動時程需要達(dá)到什么樣的程度才能代表以上地震環(huán)境和場地條件,國內(nèi)工程場地地震安全性評價(jià)工作中人工地震動合成主要通過不同周期點(diǎn)上反映區(qū)域地震危險(xiǎn)性的目標(biāo)譜5%范圍內(nèi)的控制精度來對合成波質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)(胡聿賢,1999)。這種方法主要使用某種絕對指標(biāo),如地震動絕對加速度反應(yīng)譜、某實(shí)測地震動時程作為目標(biāo),以合成波或者所選擇的天然波與目標(biāo)之間的逼近程度作為地震動反映特定環(huán)境能力的評價(jià)指標(biāo)(Anderson,2004;孟慶筱等,2012)。但是值得思考的是,地震事件發(fā)生過程中獲得的強(qiáng)地面運(yùn)動加速度時程往往由于震源特性、傳播路徑以及場地條件的原因而具有很大的差異性,即使是相同地震臺站所觀測得到的兩個水平地震動分量之間都會由于破裂的方向性效應(yīng)和傳播介質(zhì)的各向異性等因素而產(chǎn)生不同。因此,在地震動時程之間差異性普遍存在的情況下,使用上述單一且具有絕對性的指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)難免有失偏頗,亟需提出一種綜合性評價(jià)指標(biāo)和建立在區(qū)域地震動統(tǒng)計(jì)特性之上的相對性判據(jù)來反映地震動輸入的區(qū)域構(gòu)造信息反應(yīng)能力。
本文綜合考慮地震動在幅值、頻譜和持時三要素的各類特征值,構(gòu)建總體一致度指標(biāo)SZ來表示代表地震動時程兩兩之間的絕對相似程度;然后基于研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的地震動觀測資料中相同臺站的兩個水平地震動加速度分量之間的絕對相似程度的統(tǒng)計(jì)特性來給出一種表征區(qū)域構(gòu)造信息相對性判據(jù);最后利用2012年5月28日唐山M4.7地震事件的地震動模擬結(jié)果(孟慶筱等,2014a,b),使用2000年以來國家測震臺網(wǎng)37個臺站觀測得到的5個M≥3.0地震事件的數(shù)據(jù)得到了唐山地區(qū)地震動時程的一致度評價(jià)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn),并用近斷層陡河地震臺(DOH)和遠(yuǎn)場四座樓地震臺(SZL)模擬結(jié)果作為算例對本文和標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn),證實(shí)了該方法的可行性和實(shí)用性。值得注意的是,本文重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)方法構(gòu)建,因此可能在算例數(shù)據(jù)的充足程度方面有所欠缺。
1區(qū)域構(gòu)造信息反映能力綜合評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建
地震動參數(shù)往往具備幅值、頻譜和持時三大主要特性。我們將擬作為工程結(jié)構(gòu)地震動輸入的地震動加速度時程或者強(qiáng)地面運(yùn)動模擬過程中所獲得的某一條加速度時程結(jié)果,稱為待評價(jià)加速度時程;同時將研究區(qū)域內(nèi)實(shí)際地震過程中觀測得到某一條波形,稱為目標(biāo)加速度時程。目標(biāo)加速度時程是研究區(qū)域內(nèi)實(shí)際得到的地震動觀測結(jié)果,因此包含了震源特性、傳播路徑和場地效應(yīng)的影響,本文擬通過待評價(jià)加速度時程與目標(biāo)地震動的一致性比較,提出區(qū)域構(gòu)造信息反映能力的綜合評價(jià)指標(biāo),即待評價(jià)地震動加速度時程與目標(biāo)地震動加速度時程一致性越好,則待評價(jià)地震動加速度包含了越多的構(gòu)造信息。其具體步驟為:首先選擇可以有效表征地震動特性的各類地震動參數(shù)并計(jì)算待評價(jià)加速度時程與目標(biāo)加速度時程之間各地震動參數(shù)的分項(xiàng)一致度Ci,然后構(gòu)建地震動參數(shù)的總體一致度SZ來表征以上兩條地震動時程之間的總體一致程度。最后,我們會進(jìn)一步說明該指標(biāo)的實(shí)際使用方法,并給出算例。
工程上所關(guān)心的強(qiáng)地面運(yùn)動是由震源釋放出來的地震波引起的(近地表)地面運(yùn)動,是由不同頻率、不同幅值在一個有限時間范圍內(nèi)組成的集合。而地震動加速度時程作為一個不規(guī)則的時間函數(shù),使用各種數(shù)學(xué)和力學(xué)處理方法可以獲得一系列表示地震動特性的特征值,大致可以分為幅值、頻譜和持時三類。前人對地震動反映地震環(huán)境的能力評價(jià)中,大多數(shù)使用較為單一的絕對指標(biāo),往往選擇以上各類指標(biāo)中的一個或者幾個,難以全面的反映兩個地震動時程之間的綜合一致程度。因此,本文選擇Arias持時、能量持時、Arias烈度、能量積分、峰值加速度、峰值速度、峰值位移、反應(yīng)譜、傅里葉譜共計(jì)9個地震動參數(shù)來綜合表示地震動特性,其具體表達(dá)式如表1所示。
對于所有的地震動參數(shù)比較而言,考慮2條地震動加速度時程a1(t)和a2(t)。令vi(t)和di(t)代表該地震動的速度時程和位移時程。令SA(fi)為5%阻尼比情況下fi時的加速度反應(yīng)譜,令FSi(fi)為第i條地震動時程在頻率fi時的傅里葉譜值。Arias積分為
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Arias(1970)將Arias烈度定義為IA=IA(Td),其中Td為加速度時程的完全持時。地面運(yùn)動的能量與速度積分相關(guān),而不是加速度積分相關(guān),因此,我們將能量積分定義為
(2)
地震動攜帶的全部能量與IE(Td)成線性相關(guān),完整的關(guān)系式包含了波速和地面介質(zhì)密度。

表1 擬用地震動參數(shù)表
注: ai(t)、 vi(t)和di(t)為第i條地震動時程的相關(guān)速度和位移,其中0≤t≤Td,Td為地震動的總持時.
為了評價(jià)特征地震動時程反映實(shí)際工程地震環(huán)境和場地條件的能力,必須建立待評價(jià)的特征地震動時程與代表地震環(huán)境和場地條件的目標(biāo)地震動波組之間的一致程度的標(biāo)準(zhǔn),即地震動參數(shù)分項(xiàng)一致度Ci。
(1)首先定義一般化的單值參數(shù)的一致度指標(biāo)S,對于單值地震動參數(shù)對(p1,p2)而言,兩者的一致程度為S(p1,p2),有
(3)

使用該指標(biāo)具有3個方面優(yōu)勢:(1)當(dāng)參數(shù)之間的差異性增大時,該指數(shù)將會單調(diào)遞減,因此該指標(biāo)可以用于遺傳算法等優(yōu)化類算法通過尋找最大相似度來獲得最優(yōu)指標(biāo);(2)該指標(biāo)是對稱的,因此不論是加速度a1(t)和a2(t)哪個的PGA更大,該指標(biāo)都會給出相同的參考結(jié)果;(3)小的差異性不會導(dǎo)致該指標(biāo)迅速下降,當(dāng)差異僅僅為參數(shù)本身的0.5倍時,該指標(biāo)的評價(jià)值約為8,當(dāng)指標(biāo)大于2~3時,在工程應(yīng)用意義上認(rèn)為是不合適的。
(2)定義頻域內(nèi)的函數(shù)類地震動參數(shù)的一致度指標(biāo)S。對于各種頻譜類地震動參數(shù),其表達(dá)形式一般為頻域內(nèi)的各種形式的函數(shù)。但是通常的觀測波和人工合成地震動并不能覆蓋整個頻域。觀測值往往受限于儀器響應(yīng)和噪聲水平,而人工地震動往往取決于其生成方法。因此必須考慮不同頻帶上的不同一致程度。因此本文將整個頻域劃分為表2中B1~B99個頻帶,同時令B10介于0.05~50.0Hz以代表整個頻域。根據(jù)地震動各個頻段的重要性不同,我們設(shè)定各個頻帶的間距基本上在對數(shù)坐標(biāo)下線性增長,有
(4)
其中,ki為頻帶權(quán)重系數(shù),p(fi)為第i個頻帶上的相應(yīng)地震動參數(shù)。

表2 頻帶劃分情況
進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)地震環(huán)境和場地條件,調(diào)整相應(yīng)的頻帶權(quán)重。例如,當(dāng)廠址所在區(qū)域范圍內(nèi)存在遠(yuǎn)場大震或者深軟場地,且建筑結(jié)構(gòu)形式對長周期分量反應(yīng)明顯時,可以適當(dāng)增加長周期頻帶的權(quán)重,從而達(dá)到重點(diǎn)考慮長周期分量的效果。在本文中,我們暫時不考慮ki的影響,在表3中將S統(tǒng)一取做各個頻帶的平均值。
因此,我們使用上述兩種分項(xiàng)一致度Ci的計(jì)算方法,得到擬選用的地震動參數(shù)的分項(xiàng)一致度指標(biāo)C1~C9,如表3所示。

表3 一致度分項(xiàng)指標(biāo)Ci
注: ai(t)、 vi(t)和di(t)為第i條地震動時程的相關(guān)速度和位移, 其中0≤t≤Td, Td為地震動的總持時.
1.2總體一致度SZ
我們已綜合考慮了地震動在幅值、頻譜和持時三要素中的不同參數(shù)的分項(xiàng)一致系數(shù)。但是單一化的分項(xiàng)一致系數(shù)難以有效體現(xiàn)地震動時程對的綜合一致程度,因此有必要構(gòu)建總體一致度SZ。對于需要進(jìn)行一致度評價(jià)的2條地震動加速度時程a1(t)和a2(t)而言,我們選取并構(gòu)造了C1~C9共計(jì)9個一致度指標(biāo),令這9個指標(biāo)的算術(shù)平均值作為總體一致度指標(biāo),有
(5)
其中,SZ為總體一致度指標(biāo);Ci為特征值一致度指標(biāo)(表3)。
在時域方面,峰值速度PGV、峰值位移PGD、Aria烈度和能量積分在指標(biāo)構(gòu)建過程中使用了相同的表達(dá)式。Arias烈度和能量積分指標(biāo)可用來評價(jià)地震動持時特征,因此我們提出使用C1和C2兩個指標(biāo)來靈敏的評價(jià)地震動時程標(biāo)準(zhǔn)化之后的積分特征差異性,如表3所示。
在頻域方面,C8和C9是兩個頻域指標(biāo),分別考慮5%阻尼比情況下的反應(yīng)譜和傅里葉譜。雖然兩者在某些程度上具有一定的相似性,但是在概念上卻完全不同。反應(yīng)譜在高頻和低頻段上具有漸近線性質(zhì),但是傅里葉卻沒有,同時反應(yīng)譜更為平滑。因此,有必要同時使用以上兩個頻域指標(biāo)。本文使用地震動時程不同頻段內(nèi)分量計(jì)算得到的反應(yīng)譜和傅里葉譜對地震動頻域相似性進(jìn)行評價(jià)。具體來講,本文使用不同頻段內(nèi)分量評價(jià)值的均值作為反應(yīng)譜和傅里葉譜形狀的總體評價(jià)值。由于地震動時程的重新構(gòu)建需要每一個頻率點(diǎn)上的傅里葉譜值都正確,因此使用C9指標(biāo)一一對其標(biāo)定。
2判據(jù)構(gòu)建方法和應(yīng)用算例
在本文的以上部分,我們構(gòu)建了一個待評價(jià)地震動加速度時程與目標(biāo)地震動加速度時程之間的構(gòu)造信息反映能力的綜合評價(jià)指標(biāo)。需要明確的是,不管是通過相似地區(qū)天然地震動選波、工程學(xué)方法還是地震學(xué)方法獲得的地震動加速度時程最終都會給出一組波進(jìn)行備選,因此面臨評價(jià)這些備選波或者待評價(jià)波的區(qū)域構(gòu)造信息反映能力的問題。然而上文給出的綜合評價(jià)指標(biāo)只能給出一對加速度時程之間的一致性程度,但是一致性程度指標(biāo)達(dá)到什么范圍才算是可以充分反映區(qū)域構(gòu)造信息,或者說一致性程度指標(biāo)達(dá)到什么范圍強(qiáng)地面運(yùn)動模擬結(jié)果效果良好,解決這些問題有必要給出相對性判據(jù)的構(gòu)建方法。
2.1目標(biāo)地震波組總體一致度判據(jù)構(gòu)建方法
地震事件中相同臺站觀測到的兩個水平方向分量的一致性是良好的,我們將研究區(qū)內(nèi)所有地震事件過程中的所有相同臺站觀測得到的加速度時程水平方向內(nèi)兩個分量的集合稱之為研究區(qū)內(nèi)的目標(biāo)地震動組,其中共計(jì)N對地震動加速度時程。通過計(jì)算目標(biāo)地震動組中各個地震動對的總體一致度SZ,則可以求得該研究區(qū)內(nèi)SZ的取值區(qū)間[SZmin,SZmax]。 假設(shè)存在一條待評價(jià)加速度時程a(t)與目標(biāo)地震動組中的第i條目標(biāo)地震動加速度時程Acci(t)的總體一致度SZi屬于[SZmin,SZmax], 則a(t)與Acci(t)之間的一致性要比目標(biāo)地震動組中至少1個臺站的水平面內(nèi)地震動加速度時程的兩分量之間的一致性要高, 此時我們認(rèn)為a(t)可以充分反映該區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造信息。為了進(jìn)一步獲得量化的相對判據(jù),我們建議給出如下的目標(biāo)地震動組中所有地震動對總體一致度SZ的累積概率分布曲線,有
F(x)=P(SZ≤x).
(6)
其中, F(x)為累計(jì)概率分布函數(shù),即隨機(jī)變量SZ小于或者等于某個數(shù)值x的概率。
2.22012年唐山M4.7地震算例
2012年5月唐山發(fā)生M4.7地震,孟慶筱等(2014a,b)使用基于有限單元法的非連續(xù)數(shù)值模擬給出了該地震事件過程中的強(qiáng)地面運(yùn)動結(jié)果。這對本文所提出的地震動加速度時程區(qū)域構(gòu)造信息反映能力評價(jià)方法的應(yīng)用提供了一次寶貴的機(jī)會。為了進(jìn)行目標(biāo)地震波組總體一致度判據(jù)的構(gòu)建,我們獲得了該區(qū)域內(nèi)2000年1月至今的M≥3.0地震動觀測資料,包含5次M≥3.0地震事件,其地震目錄及其簡單情況如表4所示。其中國家測震臺網(wǎng)在研究區(qū)域內(nèi)共有37個測震臺站(鄭秀芬等,2009),臺站分布見圖1。將以上實(shí)際觀測得到的地震動加速度時程作為目標(biāo)地震動組,將孟慶筱等(2014b)所得到的陡河地震臺(DOH)和四座樓地震臺(SZL)的數(shù)值模擬結(jié)果作為待評價(jià)地震動。需要注意的是,本文重點(diǎn)考慮一致度的評價(jià)方法且只使用了唐山地區(qū)5次地震事件過程中的37個測震臺站的數(shù)據(jù),因此以下判據(jù)不宜直接推廣,但可以作為今后提出判據(jù)的一個參考范例。

表4 2000年1月以來唐山地區(qū)M≥3.0地震目錄
圖2為4.7級地震情況下地震動時程對總體一致度SZ的累積概率分布,由圖2可見:該情況下,總體一致度指標(biāo)SZ的取值區(qū)間為[2.1,8.4],說明該區(qū)域內(nèi)相同臺站觀測得到的地震動時程的兩個水平分量的之間差異性分布較為分散。于此同時,我們獲得了研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造信息反映能力的判據(jù),即當(dāng)待評價(jià)地震動與目標(biāo)地震動的總體一致性指標(biāo)SZ介于[2.1,8.4]區(qū)間內(nèi)時,我們認(rèn)為待評價(jià)地震動初步具備反映構(gòu)造信息的能力,模擬結(jié)果較好,可以滿足構(gòu)成工程結(jié)構(gòu)地震動輸入對區(qū)域構(gòu)造信息的要求。
根據(jù)孟慶筱等(2014b)對2012年唐山M4.7地震陡河臺(DOH)和四座樓(SZL)水平面內(nèi)東西分量的模擬結(jié)果和該地震事件中相應(yīng)臺站的觀測結(jié)果,計(jì)算得到2組地震動對的總體一致度指標(biāo)SZDOH=7.23,SZSZL=2.07。說明孟慶筱等(2014a,b)對陡河地震臺的模擬結(jié)果與四座樓地震臺模擬結(jié)果相比具有更好的效果,或者說對于該地區(qū)的構(gòu)造信息具有更為充分的反映能力。同時,如圖3可見,SZSZL=2.07明顯小于2.1,不屬于[2.1,8.4]區(qū)間,其積累概率為0,說明四座樓地震臺的模擬結(jié)果未能達(dá)到現(xiàn)有觀測資料中相同臺站相同地震事件中兩個水平地震動分量之間的一致度,因?yàn)楸疚恼J(rèn)為四座樓地震臺的模擬結(jié)果較差,缺乏對區(qū)域構(gòu)造信息的反映能力,是一個較為失敗的強(qiáng)地面運(yùn)動模擬結(jié)果;同時陡河地震臺的模擬結(jié)果則明顯較好,其積累概率為0.87,說明該模擬結(jié)果與87%的觀測結(jié)果相比一致性更好。
3結(jié)論
本文通過分項(xiàng)地震動參數(shù)一致度Ci構(gòu)建了能夠考慮地震動時程時頻特性的總體一致度指標(biāo)SZ,同時給出了判據(jù)的構(gòu)建方法。使用唐山地區(qū)2000年1月以來觀測得到的M≥3.0的5次地震事件觀測波形給出了唐山地區(qū)小震情況下的區(qū)域構(gòu)造信息反映能力判據(jù)。在此基礎(chǔ)之上,使用孟慶筱等(2014a)的二維有限元方法模擬得到的陡河地震臺(DOH)和四座樓地震臺(SZL)的模擬結(jié)果作為待評價(jià)地震動時程給出了實(shí)用化的范例,并對結(jié)論進(jìn)行了簡要分析,檢驗(yàn)并證明了區(qū)域構(gòu)造信息反映能力指標(biāo)體系構(gòu)建方法的有效性。
唐山地區(qū)5次地震事件的觀測波形數(shù)據(jù)由中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”提供,在此表示感謝。同時感謝鄭秀芬研究員對本文的悉心指導(dǎo)以及寶貴意見。
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Keywords:seismicgroundaccelerationtimehistory;evaluationmethodoftheconsistence;tectonicinformation;Tianjinearthquake;Tangshanarea
*收稿日期:2013-09-16. 基金項(xiàng)目:中國地震局地震科技星火基金青年項(xiàng)目(XH14067Y)、中國地震局地震研究所所長基金(IS201266113)和中國地震局震情跟蹤專項(xiàng)工作任務(wù)(2014020212)聯(lián)合資助.
中圖分類號:P315.9
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1000-0666(2015)02-0285-07
ResearchonEvaluationMethodoftheConsistenceofSeismic
GroundAccelerationTimeHistory
LIUWei,SONGCheng-ke,XIAFeng,ZHENGYu,DANGXue-hui
(FirstCrustMonitoringandApplicationCenter,CEA,Tianjin300180,China)
Abstract