基于特征分類排序的典型海底地震動記錄研究1

田 浩 胡進軍 譚景陽 崔 鑫 石 昊

1）中國地震局工程力學研究所, 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

引言

隨著全球海洋開發的興起，各類海域工程不斷興建，其多處于地震頻發帶，需考慮地震的影響。進行海域結構動力分析時，輸入地震動的選取是重要環節，真實海底地震動可為海域工程輸入提供需求。1979-1980年美國在南加州地區建立了海底地震觀測系統（SEMS），為海洋石油系統記錄了海底地震（Boore 等，1999）。1996 年日本建立了地震和海嘯監測系統（ETMC），用于實時監測東京都市圈附近的海底地震與海嘯。SEMS、ETMC 等早期運行的系統為海底地震研究提供了寶貴觀測數據。海底地震觀測系統的發展對相關研究有重要推動作用，胡進軍等（2017a）基于K-NET 數據，發現日本濱海地區不同震源類型下的地震動衰減關系存在明顯差異；周旭彤等（2021）基于DONET1 數據，應用HVSR 方法研究海底場地效應分組時，發現應考慮地形和臺站布設方式的綜合影響；Dhakal等（2021）基于S-net 數據，發現陸地和S-net 臺網觀測到地震動的PGA 及自振周期＜0.5 s 的加速度反應譜譜值基本一致，而S-net 觀測到地震動的PGV 和自振周期約為0.5 s 的加速度反應譜譜值明顯較大。

在各類陸域工程結構抗震設計規范中，對地震動的輸入要求均有關于實際地震動的規定。我國《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2016）規定，選用場地相關的實際強震動記錄不應少于總數的2/3。歐洲規范Eurocode8: Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 1（CEN，2005）規定：在結構抗震設計過程中應選取3 組以上實際地震動作為輸入地震動。美國FEMA-355 報告（SAC Joint Venture, 2000）給出了44 條遠場和56 條近場地震動作為推薦輸入地震動。

目前，我國尚未制定專門的海洋結構抗震設計規范，針對海底地震動的研究主要聚焦于理論分析、數值模擬和海域地震動特征統計分析等。朱鏡清（1988）對地震激勵下海水和海床土耦合運動問題進行力學分析，建立了相應的數學模型，研究了海底振動時海水流場解析解。胡進軍等（2014）綜述了我國南海地區地震環境，建議充分考慮海域地震特征的影響。Diao 等（2014）通過研究海水對海底入射的P 波和SV 波影響，發現海水對P 波的影響遠比SV 波顯著。陳寶魁等（2014）研究表明，當周期＜1.5 s 時，若以陸地地震動代替海底地震動計算強度折減系數譜，會導致偏于不安全的結果。譚景陽等（2021b）對海底與陸地地震動反應譜進行定量分析，結果表明需考慮海底與陸地彈性反應譜和彈塑性反應譜之間的差異，應根據震源類型、震級和距離對其進行調整。王篤國等（2021）研究表明，場地土越軟，地震動輸入強度越大，PGA 放大系數越大，反應譜特征周期越大。李小軍等（2021）揭示了SBSR/HVSR 與HVSR 呈對數線性分布的統計特征，并給出了定量關系。對于海域工程結構抗震設計而言，由于其地震環境和場地等因素與陸地地震動有明顯差異，應采用由海底地震動記錄組成的工程設計數據庫，以更好地滿足設計需求。

進行工程抗震設計時，應格外關注具有典型特征的地震動記錄，如高頻地震動對短周期結構具有較大影響，長持時地震動對結構造成累積損傷，大位移地震動使海域長周期結構產生較大的響應。因此本文考慮海底地震動峰值、持時、頻率特征，并按各地震動強度指標值進行排序，為海域工程輸入地震動的選取提供數據庫。

1 海底地震動數據

1.1 臺站和數據概況

1996 年日本在東京都市圈南部相模灣海域安裝了地震海嘯監測系統（ETMC），該系統包括6 個海底臺站（KNG201～KNG206），海水深度為900～2 300 m（胡進軍等，2013），6 個海底臺站間隔為10～20 km，目前ETMC 已獲得包括2011 年“3·11”東日本大地震在內的海底強地震記錄，臺站分布情況如圖1 所示。

圖1 ETMC 系統海底臺站分布Fig. 1 Distribution of seafloor stations of ETMC system

本文收集了6 個臺站2006-2020 年所有海底地震事件，篩選震中距＜300 km 且矩震級為4.0～7.0 級的海底地震動記錄。為保證所選地震動記錄的全面性，略放大遠場大地震震中距，因此對于7 級以上的大地震，將震中距限制在500 km 以內，數據庫中共有949組海底地震動記錄，矩震級與震中距分布情況如圖2所示。

圖2 海底地震記錄矩震級與震中距分布Fig. 2 Distribution of moment magnitude and epicentral distance of seafloor ground motion records

1.2 數據處理

未經處理的海底地震動記錄中不僅含有地震動信息，同時含有噪聲，可通過濾波的方式濾掉對工程不敏感的低頻和高頻分量。另外，受儀器傾斜、移位及環境噪聲等因素影響，地震動時程偏離零基線位置，因此需進行基線校正。本文采用Boore 等（Boore，2004；Boore 等，2005）提出的基線校正方法，濾波處理時采用因果濾波器（周寶峰，2012），濾波帶寬為0.1～25.0 Hz。

1.3 震源類型劃分

為考慮震源特征差異，需按照震源對地震動類別進行劃分（胡進軍等，2017b）。根據俯沖傾斜角度及巖石圈厚度，可將俯沖帶地震劃分為板緣地震與板內地震（Tichelaar 等，1991）。Zhao 等（2015）根據全球俯沖帶模型，將俯沖帶地震分為淺地殼地震（UM）、上地幔地震（SC）、板緣地震（IF）和板內地震（SL）。本文采用Zhao 等（2015）提出的震源分類方法，將地震劃分為4 類。在分類過程中，通過Hayes 等（2018）提出的全球俯沖帶模型（Slab 2.0）獲取俯沖帶信息。經分類后，得到429 組板內地震記錄、74 組板緣地震記錄、228 組上地幔地震記錄、218 組淺地殼地震記錄。

2 按峰值分類推薦

2.1 高PGA 地震動

PGA 是描述地震動強度最常用的參數，也是地震動衰減研究中的基本參數，可與其他地震動參數組合得到復合強度指標或矢量強度指標（Yakhchalian 等，2019）。Bommer 等（2000）通過PGA 典型值確定了地震動衰減的對數模型。鐘德理等（2004）以PGA 為易損性曲線坐標，用PGA 代替相對模糊的、定性的烈度概念，符合相關規范規定（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2004）。Zhu 等（1988）通過計算PGA/PGV，發現低PGA/PGV 地震動一般較高PGA/PGV 地震動具有更長的強震持續時間。葉列平等（2009）發現以PGA 為代表的第1 類強度指標與短周期結構的相關性較高。短周期結構地震響應主要受PGA 控制，該類結構被稱為加速度敏感型結構。為給海域加速度敏感型結構設計和評估提供依據，本文推薦了不同震源機制下基于PGA 排序的前20 名條海底地震動記錄，如表1 所示。

表1 基于PGA 排序的海底地震動記錄Table 1 Recommended seafloor ground motion records based on PGA ranking

3 條PGA 較大的典型地震動加速度時程曲線如圖3 所示，對應記錄的加速度反應譜如圖4 所示，3 條記錄的震中距均＜10 km，為典型的近場地震動。由圖4 可知，3 條地震動反應譜峰值較大，最大值＞1 000 Gal，因此該地震動易對加速度敏感型海洋結構造成較大影響。但3 條地震動記錄頻率成分不同，導致反應譜峰值出現的周期點不同，對不同自振周期結構的影響存在較大差異。

圖3 典型高PGA 地震動加速度時程曲線Fig. 3 Typical high PGA ground motion acceleration time history curve

圖4 典型高PGA 地震動加速度反應譜Fig. 4 Typical high PGA ground motion acceleration response spectrum

2.2 高PGV 地震動

峰值速度（PGV）也是常見的地震動參數，Neumann（1960）認為PGV 相較于PGA 可更好地反應地震動強度。日本以速度為烈度物理標準，編制了全國等地震動速度線（郝敏等，2005）。Akkar 等（2008）用PGV 估計了非線性振蕩器峰值位移，發現由廣義矩量法計算的PGV 值可恰當地處理重要地震動參數對位移反應譜譜值（Sd）的影響。Masi 等（2011）開展RC 框架結構地震易損性研究，認為通過PGV 選擇天然和合成加速度記錄較PGA 合適。葉列平等（2009）發現PGV 在中周期范圍內與結構地震響應的相關程度較高，且PGV 具有較好的工程使用簡便性，PGV 是基于性能設計和評價較合適的單一地震動強度指標。為給速度敏感型海域工程結構提供可選擇的典型地震動輸入，本文推薦了不同震源機制下PGV 排名前20 名的海底地震動記錄，如表2 所示。

表2 基于PGV 排序的海底地震動記錄Table 2 Recommended seafloor ground motion records based on PGV ranking

3 條PGV 排序靠前的地震動速度時程曲線、速度反應譜如圖5、圖6 所示。由圖可知，3 條記錄的速度反應譜峰值較大，最大值＞70 cm/s，因此該地震動易對速度敏感型海洋結構造成較大影響，選用本文給出的高PGV 類海底地震動作為結構自振周期適中的速度敏感型海洋結構抗震設計和評估輸入地震動較合適，且可為RC 框架結構易損性分析提供合適的輸入地震動。

圖5 典型高PGV 地震動速度時程曲線Fig. 5 Typical high PGV ground motion acceleration time history curve

圖6 典型高PGV 地震動速度反應譜Fig. 6 Typical high PGV ground motion velocity response spectrum

2.3 高PGD 地震動

峰值位移（PGD）同樣是重要的地震動參數。王飛（2016）通過研究峰值位移對鋼結構彈塑性地震反應的影響，發現PGD 對短周期結構地震反應的影響較小，但對自振周期較大的結構影響顯著。郝明輝等（2017）通過研究PGD 對SDOF 體系地震響應的影響，發現隨著PGD 的增大，中長周期SDOF 體系彈塑性位移、永久位移和速度增大，且增大效應對彈塑性位移的影響更顯著。譚景陽等（2021a）對長周期海底地震動特性進行研究，發現PGD 和SDOF 體系位移需求的相關性程度最高，對于不同強度折減系數的單自由度體系，位移需求和PGD 的相關性離散性最小。因此在海洋結構設計中應考慮PGD，為給位移敏感型海洋結構設計與評估提供可選擇的典型輸入地震動，本文推薦了不同震源機制下PGD 排序前20 名的海底地震動記錄，如表3 所示。

表3 基于PGD 排序的海底地震動記錄Table 3 Recommended seafloor ground motion records based on PGD ranking

3 條PGD 較大的地震動位移時程曲線如圖7 所示，所選記錄的位移反應譜如圖8 所示。由圖8 可知，3條地震動位移反應譜峰值較大，且幅值出現在長周期位置。因此高PGD 類海底地震動易對長周期位移敏感型，尤其對延性較差的海洋結構造成較大影響，該類地震動可為海洋長周期結構，尤其是SDOF 體系位移驗算提供輸入地震動（譚景陽等，2021a）。

圖7 典型高PGD 地震動位移時程曲線Fig. 7 Typical high PGD ground motion acceleration time history curve

圖8 典型高PGD 地震動位移反應譜Fig. 8 Typical high PGD ground motion velocity response spectrum

3 按持時分類推薦

3.1 長持時地震動

作為地震動三要素之一，持時是重要的地震動參數。長持時地震動會使結構發生疲勞破壞（袁峰等，2018）。Ds5-95為Arias 烈度與總Arias 烈度比值由5%增至95%所經歷的時間，Ds5-75為 Arias 烈度與總 Arias烈度比值由5%增至 75% 所經歷的時間，二者是目前工程實踐中應用較廣泛的持時參數，本文選用Ds5-95作為長持時地震動數據的推薦依據。本文給出不同震源機制下Ds5-95排序前20 名的海底地震動記錄，如表4所示。

表4 基于Ds5-95 排序的海底地震動記錄Table 4 Recommended seafloor ground motion records based on Ds5-95 ranking

Ds5-95排序靠前且PGA 較大的3 條海底地震動記錄加速度時程曲線如圖9 所示，歸一化的Arias 烈度時程曲線如圖10 所示。3 條地震動記錄的PGA 均為20～30 Gal。由圖10 可知，3 條地震動能量釋放較緩慢，Ds5-95較大，可能對結構造成疲勞損傷。因此，該類記錄可用于海洋結構抗震設計與現有結構評估過程中的疲勞驗算，也可用于動力、靜力設計方法的對比研究。

圖9 典型長持時地震動加速度時程曲線Fig. 9 Acceleration time history of typical long duration ground motion curve

圖10 典型長持時地震動歸一化Arias 烈度時程曲線Fig. 10 Normalized Arias intensity time history of typical long duration ground motion

3.2 短持時地震動

短持時地震動能量在較短時間內迅速釋放，會對結構造成較大的沖擊。已有研究發現近斷層地震動具有短持時的特點（顏桂云等，2018），當地震動能量主要集中于高頻段時，長周期結構瞬態位移反應隨著結構周期的增大持續增大，有高于共振位移的可能（王博等，2013）。由于Ds5-75和Ds5-95均通過Arias 烈度定義，且含有能量因素，因此選擇Ds5-75/Ds5-95作為本文推薦的短持時地震動量化指標。Ds5-75/Ds5-95越小，說明能量釋放越快，符合短持時地震動定義。為給短持時地震動研究提供依據，本文給出了不同震源機制下Ds5-75/Ds5-95排序前20 名的海底地震動記錄，如表5 所示。

表5 基于Ds5-75/Ds5-95 排序的海底地震動記錄Table 5 Recommended seafloor ground motion records based on Ds5-75/Ds5-95 ranking

選取編號為KNG2010604210250.EW 的海底地震動作為典型地震動進行分析，該地震動震級為7 級，震中距為76.44 km，PGA 較大，達123.29 Gal，且大部分能量在30.24 s 內迅速釋放，屬于典型的短持時地震動。本條地震動加速度及Arias 烈度時程曲線如圖11 所示，由圖可知，本條地震動能量釋放迅速。本條地震動記錄的加速度反應譜如圖12 所示，由圖可知，由于能量釋放較集中，反應譜峰值較大，接近300 Gal，可為結構瞬態位移反應研究等提供輸入地震動。

圖11 KNG2010604210250.EW 加速度時程及Arias 烈度時程曲線Fig. 11 Acceleration and Arias intensity time history curve of KNG2010604210250.EW

圖12 KNG2010604210250.EW 加速度反應譜Fig. 12 Acceleration response spectrum of KNG201060 4210250.EW

4 按頻率分類推薦

4.1 低頻地震動

地震動頻譜特性在結構隨機振動等研究中應用廣泛，不同自振周期的結構對低頻、高頻海底地震動敏感程度不同。跨海大橋等海洋結構自振周期較長，為防止海洋結構在地震發生時產生共振現象，海洋結構抗震設計中應注意低頻地震動的影響（謝禮立等，1990）。廖述清等（2005）發現在低頻地震動作用下，高層結構動力系數大于短周期地震動作用。李雪紅等（2014）通過相關參數定義了低頻地震動識別參數βl，用于識別相應的地震動，該參數在低頻成分豐富的地震動研究中使用較廣泛，本文采用上述方法識別低頻地震動記錄。李雪紅等（2014）研究結果表明，βl＞0.4 時地震動為低頻成分豐富的地震動。本文基于選出不同震源機制下βl＞0.4 的低頻成分豐富的海底地震動數據，如表6 所示。

表6 基于低頻地震動識別參數βl 排序的海底地震動記錄（從大到小）Table 6 Recommended seafloor ground motion records based on defining parameters（βl） of low frequency （from large to small）

選取編號為KNG2041103111446.NS 的海底地震動記錄作為典型地震動進行分析，該地震動記錄震級為9.0 級，震中距為462.2 km，βl=0.44。為描述典型低頻地震動，選取編號為KNG2031901080135.EW 的高頻記錄作為對比，其震級為4.1 級，震中距為34.5 km，βl=0.001。所選的2 條海底地震動記錄加速度時程曲線如圖13 所示，對應記錄的傅里葉譜如圖14 所示。由圖14 可知，編號為KNG2041103111446.NS 的地震動記錄頻率＜1 Hz 的低頻成分豐富，該地震動可用于頻域角度海洋結構動力響應研究，尤其是在自振周期較長的海洋結構設計中具有重要參考價值。

圖13 典型低頻地震動加速度時程曲線Fig. 13 Acceleration time history of typical low frequency ground motion

圖14 典型低頻地震動傅里葉譜及其對比Fig. 14 Fourier spectrum of typical low frequency ground motion and its curve of comparison

4.2 高頻地震動

高頻地震動不僅對短周期結構的破壞能力極強，易與其發生共振現象，且會使長周期結構發生較大的瞬態振動響應。吳琛等（2011）發現當高頻地震動作用于長周期結構的低階振型時，結構振動受瞬態振動影響顯著。因此，高頻地震動對海域長、短周期結構均有較大的影響，但響應機理不同。近場地震動高頻成分豐富，李雪紅等（2014）研究發現，當βl＜0.2 時，地震動高頻成分占主導，因此本文推薦近場高頻地震動的依據為震中距＜20 km，且βl＜0.2。在949 組不同震源機制下的海底地震動記錄中，近場地震動有20 組，均滿足βl＜0.2 的條件，如表7 所示。

表7 基于低頻地震動識別參數βl 排序的海底地震動記錄（從小到大）Table 7 Recommended seafloor ground motion records based on defining parameters（βl）of low frequency （from small to large）

選取編號為KNG2061912140324.NS 的海底地震動作為典型地震動進行分析，該地震動記錄震級為4.3 級，震中距為9.9 km，βl=0.005，是典型的近場高頻地震動。為描述典型高頻地震動，選取編號為KNG2051103111515.NS 的低頻地震動進行比較，震級為7.7 級，震中距為211.5 km，βl=0.60。所選的2 條海底地震動記錄加速度時程曲線如圖15 所示，傅里葉譜如圖16 所示。由圖16 可知，編號為KNG20619 12140324.NS 的地震動頻率＞1 Hz 的高頻成分豐富，海域短周期結構對此地震動較敏感，因此該地震動可為短周期海洋結構激勵響應和長周期結構瞬態響應研究提供合適的輸入地震動。

圖15 典型近場高頻地震動加速度時程曲線Fig. 15 Acceleration time history of typical high frequency ground motion

圖16 典型近場高頻地震動傅里葉譜Fig. 16 Fourier spectrum of typical high frequency ground motion and its curve of comparison

5 結論

本文基于日本K-NET 的ETMC 海底地震動數據，篩選出可供工程輸入的949 組海底地震動，并按照震源類型對海底地震動進行分類，分析峰值、持時和頻率等地震動特征。面向不同結構的抗震需求，分別基于地震動幅值（PGA、PGV 和PGD）、能量持時（長持時和短持時）及長周期識別參數對海底地震動進行排序推薦，給出具有典型地震動特征的記錄，并建立基于地震動分類排序的海底地震動數據庫，結果可為海域工程結構抗震設計和評估提供初選的輸入海底地震動。致謝 感謝日本K-NET 臺網2https://www.kyoshin.bosai.go.jp/對本文提供的數據支持。