模擬汶川地震動持時的空間分布規律研究

　　摘要：利用隨機有限斷層時程模擬程序，模擬符合汶川地震區域特性的水平分量加速度時程，分析模擬加速度時程持時的空間分布和變化規律。結果表明：模擬加速度時程的各種持時分布均能很好地體現持時的破裂方向性效應，但未能清晰反映持時的上盤/下盤效應;模擬加速度時程的重要持時能反映近斷層區域持時明顯小于遠場持時的特點，但在總體空間分布上更為“單一”，未表現出明顯的區域“突變”現象;相較于重要持時，模擬加速度時程與臺站記錄時程的Bolt持時之間存在更大差異;模擬加速度時程的重要持時與相對Bolt持時隨斷層距的變化趨勢，總體上能反映水平分量記錄時程持時的空間變化特性。

　　關鍵詞：地震動持時;隨機有限斷層法;震源參數;汶川地震;空間分布

　　《地震工程與工程振動》是反映我國地震工程與工程振動領域最新成果和國外該領域最新進展的學術性期刊，旨在促進國際學術交流，推動地震工程與工程振動學科的發展，減輕地震災害。

　　0 引言

　　地震動持時(以下簡稱持時，記為Ts)是描述地震動工程特性的重要參數之一，對結構的動力響應具有重要影響。大量研究表明：地震動持時對結構的最大延性位移和累積滯回耗能均有明顯影響，尤其對結構積累破壞效應的影響更為顯著(Hancock，Bommer，2007;Iervolino et al，2006;盛明強等，2007);地震動持時對結構非線性反應的影響程度隨屈服強度系數的減小而增大(劉鳴等，1994)。持時對結構抗倒塌能力有重要影響，長持時的地震動將可能產生較長時間的循環荷載并導致更大的結構響應(Raghunandan，2013)。在長持時的地震動作用下，構件抗疲勞強度和剛度的退化將大大降低結構的抗倒塌能力(Chandramohan et al，2013)。地震動持時的重要性毋容置疑，但其在工程實際中并未像振幅和頻譜一樣得到廣泛應用，因此對地震動持時進行更為深入的研究將有助于推動其理論研究與工程應用。

　　近年來，不少學者對地震動持時的空間分布和隨斷層距(R)的變化規律等進行了研究。胡進軍(2009)分析發現，汶川地震中地震動的峰值、反應譜和持時均顯示出了明顯的方向性特征;破裂后方場點的地震動持時明顯大于破裂前方的持時，差別可達數倍;盧書楠等(2013)通過研究汶川地震臺站記錄，發現近斷層特征對地震動持時有顯著影響;任葉飛等(2014)通過研究蘆山地震臺站記錄，得出蘆山地震重要持時和Bolt持時高于全球經驗預測方程估算值，且Bolt持時衰減顯著慢于全球平均水平的結論;王巧臨(2014)認為重要持時的分布主要受發震斷層的控制，70%和90%重要持時均隨斷層距的增加而增大。以往研究往往是基于具體臺站記錄開展的，利用模擬地震加速度時程分析地震動持時特性的研究較少，因此，通過模擬時程分析地震動持時的空間分布等特性，對于提升地震動模擬的精確性具有一定意義。

　　為了揭示目前地震工程界常用的隨機有限斷層法模擬水平加速度時程地震動持時的空間分布及變化規律，在已有汶川地震震源參數研究成果的基礎上，本文采用隨機有限斷層時程模擬程序，對已獲取的汶川地震記錄的87個自由地表臺站場點(R<300 km)進行地震動加速度時程模擬，每個臺站取50條模擬水平分量加速度時程(簡稱模擬時程，用ES加以區分)的地震動持時的平均值作為分析對象，對比分析模擬時程地震動持時與汶川地震臺站記錄的兩水平分量(簡稱記錄時程，分別用EW和NS表示東西和南北水平分量)地震動持時的空間分布及變化規律，探討模擬地震動持時的空間分布規律和變化特性，以及震源參數對地震動持時空間分布的影響規律。

　　1 數據選取

　　汶川地震發生過程中，中國強震動臺網獲取了一大批高質量的地震動記錄，為研究近場地震動特性提供了豐富的數據。選取汶川地震中斷層距R< 300 km的87個臺站的EW和NS分量的地震動加速度記錄進行分析。其中11個基巖臺站，其余為Ⅱ類土層場地臺站，臺站的基本信息見表1(萬衛，2013)。

　　表1中R的計算是以汶川地震地表破裂帶為發震斷層在地表的投影位置，取多個地表破裂帶現場調查點的經緯度和臺站的經緯度計算得到的最小距離(萬衛，2013)。由于地震動持時計算過程中只涉及到加速度時程，受基線漂移等影響較小，因此本文所選的原始記錄數據不進行基線調整等數據處理。

　　2 參數選取及持時計算

　　國內外學者將汶川地震斷層模型分為單斷層模型和雙斷層模型(趙翠萍等，2009;張勇等，2008;畢研磊等，2017;Nakamura et al，2010)。由于雙斷層模型中的青川斷裂的應力釋放以及滑動位移相對于整個斷層比重很小，喻畑(2012)認為單斷層模型與雙斷層模型的選擇對有限斷層模型影響不大。為簡易起見，本文考慮使用單斷層模型進行模擬，所選汶川地震震源參數取值見表2。由于汶川地震存在明顯的上/下盤效應，因此應區分上/下盤影響對品質因子進行取值(喻畑，2012;華衛等，2009);不同場地條件的平均場地放大系數見表3;震源模型滑動分布選用王衛民等(2008)反演汶川地震得到的有限斷層模型。

　　采用隨機有限斷層法擬合得到了R<300 km的87個臺站的加速度時程，并計算得到模擬時程的70%和90%重要持時(分別記為Ts70和Ts90)以及絕對和相對Bolt持時(分別記為TsBA和TsBR)，并統計得到87個臺站模擬與記錄時程持時比值的均值和標準差，如表4所示。

　　由表4可知，參數調整前除Ts70的持時比均值很接近1.00外，其余3種都小于0.90，其中TsBR的ES/NS持時比均值只有0.70。因此，需進一步調整模擬汶川地震加速度時程的參數取值，使更多持時定義的模擬與記錄時程更為接近。

　　對于特定地震，Δσ、Q(f)和kappa值對Ts的影響較大，其中kappa值與相對持時成正相關而與絕對持時成負相關，即kappa值對各種Ts的影響趨勢不一(袁峰，2017)。這里采取調整Δσ和區分上下盤影響的Q(f)中Q0和f值的方式。參考以往對四川地區Δσ和Q(f)的研究成果，經反演確定用于模擬汶川地震的Δσ= 95 Pa，Q(f)上盤= 360f0.70，Q(f)下盤=315f0.92，由此得到參數調整后的87個臺站模擬時程與記錄時程比值的均值和標準差見表4。對比參數調整前后的4種持時比值均值和標準差可知，調整參數后的均值整體上有了明顯升高，除Ts70比值的均值與1.00差值更大外，其余3種持時比值的均值都更接近于1.00，且此時標準差仍較小，大都在0.30左右波動，最大也不超過0.65。調整參數后的Ts90及TsBR的持時比均值分別達到0.96和0.94以上，擬合結果能夠很好地滿足地震工程界對模擬時程持時的精度要求。