地震学报  2010, Vol. 32 Issue (1): 41-50
引用本文
贾俊峰, 欧进萍. 2010. 近断层竖向与水平向加速度反应谱比值特征. 地震学报, 32 (1): 41-50. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2010.01.005   
Jia J F, Ou J P. 2010. Vertical-to-horizontal acceleration response spectrum ratio of near-fault ground motion. Acta Seismologica Sinica , 32 (1): 41-50. doi: 10.3969/j.issn.0253-3782.2010.01.005   
近断层竖向与水平向加速度反应谱比值特征
贾俊峰 , 欧进萍    
哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨, 150090
收稿日期 2009-01-04收到初稿， 2009-07-21决定采用修改稿.
基金项目： 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目
通讯联系人,E-mail:jiajunfeng_hit@126.com
摘要：显著的竖向地震动是近断层地震动区别于远场地震动的重要特征之一,为更合理地确定竖向地震动作用,研究了近断层区域竖向地震动的反应谱特征及其与水平向反应谱比值的影响因素.首先,选取1952-1999年世界范围内震级在M5.4-7.6之间的18次地震的地震动记录,研究竖向地震加速度反应谱及其与水平向加速度反应谱比值特征; 然后统计分析了断层距、场地条件、震级以及断层机制对竖向与水平向加速度反应谱比的影响.结果表明,一般情况下竖向加速度具有更丰富的短周期分量,并且竖向加速度反应谱衰减较慢; 断层距在20 km以内的近断层区域、软弱土层场地、中等震级地震和逆断层大震级中长周期范围等条件下,具有较大的竖向与水平向加速度反应谱比值; 在近断层区域的结构抗震设计中应充分考虑竖向地震动的影响.
关键词： 近断层地震动    竖向地震动    反应谱特性    反应谱比值    
Vertical-to-horizontal acceleration response spectrum ratio of near-fault ground motion
Jia Junfeng , Ou Jinping    
School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150090
Abstract: Prominent vertical ground motion is one of the important characteristics of near-fault ground motions. The characteristics of vertical acceleration response spectra and the ratio of vertical to horizontal spectrum were investigated to provide essential references for rational determination of the vertical seismic action. Recordings of 18 worldwide earthquakes of magnitude 5.4-7.6 during 1952-1999 were used in the investigation. The influence of the distance to fault rupture, site condition, magnitude and focal mechanism on the response spectrum ratio was also discussed based on these records. The results indicate that vertical response spectra contain more abundant short period components and show slower attenuation as compared with horizontal ones. Large response spectrum ratio appears in the regions within 20 km from a fault rupture, with soft soil condition or within medium-to long-period range of moderate-size and large earthquakes with reverse fault. The influence of vertical seismic motion should be taken into full consideration in earthquake resistant design of structures in near-fault regions.
Key words: near-fault ground motion    vertical ground motion    response spectrum characteristics    spectrum ratio    
引言

上世纪末期，世界范围内发生了几次强烈地震，如1994年Northridge地震，1995年Kobe地震，1999年土耳其Duzced地震和Kocaeli地震，以及台湾集集(Chi-Chi)地震等. 这些强烈地震造成了比较严重的人员伤亡和结构破坏，同时也获得了大量的近场地震动记录，为研究地震断层破裂、 近断层地震动特征及其破坏效应提供了宝贵的基础资料． 近年来近断层地震动的相关研究也成为在地震学领域和地震工程领域研究的一个热点问题． 很多研究表明，近断层地震动具有断层破裂的方向性效应和滑冲效应，逆冲断层地震的上盘效应，大幅值竖向加速度特性等显著区别于远场地震动的特性(Bertero et al，1978； Somerville，2002)． 在很多次强烈地震的近断层区域地震动记录和震害调查中都反映有显著的 竖向地震动． 早在1971年美国San Fern and o地震中就记录到竖向为1.25g(1g=9.8 m/s2)的加速度，当时曾被认为是记录到的最大加速度之一． 在1989年Loma Prieta地震、 1994年Northridge地震、 1995年Kobe地震中也都观测到显著的竖向地震动，以及由于强烈竖向地震动造成现代建筑物的结构损害． 1994年Northridge地震中很多仪器首次记录到了不同寻常的很大竖向加速度，并且观察到了由于强烈的竖向地面运动造成现代建筑的结构破坏，此次地震成为竖向地震动研究的里程碑(Papazoglou，Elnashai，1996; Chouw，Hirose，1999)，此后竖向地震动及其可能对结构造成的严重损害得到了更多的关注． 竖向地震动反应谱是体现竖向地震动特征的一个重要方面，得到了较多的研究． Bozorgnia和Niazi(1995)以及Dimitriu等(1999)研究了强地震动中水平向和竖向加速度反应谱比值及其影响因素． Ambraseys和Douglas(2003)利用到断层在地表投影距离在15 km内的186次强震记录(震级5.8—7.8)，研究了水平向和竖向的峰值加速度、 谱加速度、 能量密度和最大绝对输入能量的衰减关系及竖向和水平方向的比值． Bozorgnia和Campbell(2004)研究了近场大震时场地条件对反应谱比值的影响，认为在短周期部分(＜0.2 s)密实土上的V/H比值远比其它类型的场地大，达到了1.8； 在中长周期部分(>0.2 s)硬基岩场地上的谱比值略大． 国内部分学者也针对竖向与水平反应谱比值进行了统计分析和研究(王国权，2001; 周正华等，2003; 倪永军，朱晞，2004； 贺秋梅等，2006)．

从已有研究结果看，竖向地震动反应谱及其与水平地震反应谱的比值受到断层距、 地震动强度、 场地条件、 断层机制等因素的显著影响，在不同的条件下该比值可能变化比较大． 一般抗震设计规范中只按照水平加速度的某一固定比例(2/3)计算竖向地震动是不太合适的． 本文在搜集整理大量地震动记录的基础上，采用世界上18次地震动记录数据，研究竖向地震动加速度反应谱特征及其与水平向加速度反应谱比值受断层到场地距离、 场地条件、 断层机制、 震级等因素的影响．

1 数据来源

本研究所用的地震动记录数据均来自美国太平洋地震工程中心(PEER)强地面运动数据库(http://peer.berkeley.edu/smcat/search.html)． 表 1为本文采用1952—1999年世界范围内矩震级在5.4—7.6之间的18次地震的1 009个台站的记录，其中有676个台站断层距在60 km内，占总数据的67%． 图 1为表 1中数据对应的震级-断层距分布图，从图中可以明显看出，本文所采用的大部分数据为断层距在100 km以内的近断层地震动记录．

表 1 本研究用到的18次地震记录信息 Table 1 Seismic records of 18 earthquakes used in this study

图 1 震级(M)与断层距(R)分布图 Fig. 1 Magnitude-distance from fault rupture

以往的研究(Campbell，1989; Ambraseys，Bommer，1991; 霍俊荣，胡聿贤，1992)主要用近震震级和面波震级，但是这两种震级都存在震级饱和现象； 而矩阵级不仅能反映地震形变规模的大小，而且无震级饱和现象，因此近年来在地震动研究中得到大量应用(Boore et al，1997; 王国权，2001). 本文中的震级也采用矩震级表示，断层距采用场地到断层破裂的最短距离．

2 竖向与水平向加速度反应谱比值特征

反应谱法是目前常用的结构抗震设计方法之一，各国抗震设计规范在特殊情况下考虑竖向加速度反应谱设计时，大部分都是采用水平向加速度反应谱的2/3作为竖向设计加速度反应谱. 但是近年来的很多研究表明，竖向加速度反应谱，特别是位于近断层区域的竖向加速度反应谱具有一些新的特征. 本文主要考察竖向加速度反应谱特征及其与水平向加速度反应谱比值(简称反应谱比，下同)随断层距、 场地、 震级和断层机制等条件的变化，为近断层区域的竖向加速度反应谱的确定提供基础参考资料． 由于本文的数据来源于PEER强地面运动数据库，因此文中的场地分类也均按照美国地质勘探局(USGS)对场地的分类方法(Boore et al，1993)，按场地土层剪切波速分为A，B，C，D四类场地，对应的场地剪切波速分别为>750 m/s，360—750 m/s，180—360 m/s和＜180 m/s．

2.1 断层距对反应谱比的影响

以1994年Northridge地震和1999年集集(Chi-Chi)地震为例，分别统计分析了近断层范围内B类和C类场地条件下，竖向与水平向加速度反应谱比随断层距的变化关系. 其中断层距分为0—20 km，20—40 km和40—60 km三个级别．

图 2为Northridge地震C类场地，3个级别的台站数分别为11，17和23，共51个台站． 图 3为集集(Chi-Chi)地震C类场地，3个级别的台站数分别为42，11和50，共103个台站． 其中图 3a为竖向和两个水平向的平均加速度反应谱. 从图中可以看出，从统计意义上讲，无论是Northridge地震还是集集(Chi-Chi)地震中，两个水平方向的平均加速度反应谱卓越周期基本一致，加速度反应谱在卓越周期处的幅值略有差别，但是差别也比较小，在其它周期处相差就更小，因此可以认为在两个水平方向上的反应谱是一致的. 在计算竖 向和水平方向加速度反应谱比值时，可以将两个水平方向加速度反应谱进行平均. 图 3b均为竖向加速度和两个水平向加速度反应谱平均值的比值．

图 2 1994年Northridge地震C类场地加速度反应谱 (a)水平向和竖向平均加速度反应谱;(b)竖向和水平向加速度反应谱比 Fig. 2 Acceleration response spectra at site C for the 1994 Northridge earthquake (a)Horizontal and vertical mean acceleration response spectra;(b)vertical-to-horizontal response spectrum ratio

图 3 1999年集集(Chi-Chi)地震C类场地加速度反应谱 (a)水平向和竖向平均加速度反应谱;(b)竖向与水平向加速度反应谱比值 Fig. 3 Acceleration response spectra at site C for the 1999 Chi-Chi earthquake (a)Horizontal and vertical mean acceleration response spectra;(b)vertical-to-horizontal response spectrum ratio

从图 2和图 3中可以看出，两个水平方向的加速度反应谱在统计意义上基本一致，在进行统计分析时可以使用其中一个方向的反应谱或者取两个方向反应谱的平均值，这与王国权(2001)的研究结论也是一致的． 竖向加速度的卓越周期(0.1 s左右)明显小于水平向加速度反应谱的卓越周期(0.2—0.3 s左右)，并且在中长周期范围竖向加速度反应谱随周期衰减相对较慢． 短周期(0.03—0.2 s)范围内，0—20 km断层距内的反应谱比显著高于断层距大于20 km范围的反应谱比，均大于一般规范规定的2/3比值，并且在0.05—0.1 s之间达到最大，甚至在1994年Northridge地震中最大达到了1.5左右； 而在周期小于0.03 s时该比值相对较小，在1999年集集(Chi-Chi)地震中该比值小于2/3． 值得注意的是在1999年集集(Chi-Chi)地震中20 km断层距范围内的长周期段(2—6 s)具有较大的反应谱比，说明集集(Chi-Chi)地震中也具有相对较大的长周期竖向地震动．

2.2 场地条件对反应谱比的影响

同样以1994年Northridge地震和1999年集集(Chi-Chi)地震为例，统计分析了场地条件对竖向与水平向加速度反应谱比值的影响． 图 4是Northridge地震中断层距在0—60 km内的A，B，C类场地的加速度反应谱和反应谱比，3类场地的记录台站数分别为6，37和51，共94个台站． 图 5是集集(Chi-Chi)地震中断层距在0—60 km内B，C，D类场地的加速度反应谱和反应谱比，3类场地的记录台站数分别为39，103和29，共171个台站． 其中图 5a分别是两个水平方向和竖向加速度反应谱的平均值，图 5b是不同场地条件下的反应谱比． 由于Northridge地震D类场地和集集(Chi-Chi)地震A类场地数据较少，在此分析中不包括这两类场地的情况．

图 4 1994年Northridge地震A，B，C类场地加速度反应谱 (a)水平向和竖向平均加速度反应谱;(b)竖向和水平向加速度反应谱比值 Fig. 4 Acceleration response spectra at sites A，B and C for the 1994 Northridge earthquake (a)Horizontal and vertical mean acceleration response spectra;(b)vertical-to-horizontal response spectrum ratio

图 5 1999年集集(Chi-Chi)地震B，C，D类场地加速度反应谱 (a)水平向和竖向平均加速度反应谱;(b)竖向和水平向加速度反应谱比值 Fig. 5 Acceleration response spectra at sites B，C and D for Chi-Chi earthquake (a)Horizontal and vertical mean acceleration response spectra;(b)vertical-to-horizontal response spectrum ratio

从图 4和图 5中可以看出，竖向加速度反应谱具有较小的卓越周期，两个水平向的加速度反应谱基本一致． 几乎所有场地上的反应谱比在短周期(0.03—0.2 s)范围内均具有较大的反应谱比，而且较软弱土层场地上的反应谱比更大，较硬场地上反应谱比相对较小． Northridge地震中的A类场地的反应谱比在中长周期处产生较大的振荡现象，这可能是由于该类场地上的地震动记录引起的统计偏差．

2.3 震级对反应谱比的影响

为了研究震级对竖向与水平向加速度反应谱比的影响，分别考察了在近断层范围相同断层机制(逆断层或走滑断层)、 相同场地条件(B或C类场地)时地震震级对反应谱比的影响. 其中震级采用矩震级，场地条件仍采用USGS的场地分类标准，统计了断层距60 km范围内的平均加速度反应谱． 表 2为5次逆断层地震和10次走滑断层地震的发震时间、 震级以及B和C类场地的记录台站数． 由于逆断层型5.0—5.9级地震数据较少，因此统计分析中没有包括逆断层较小震级的地震动数据．

表 2 逆断层型和走滑断层型地震B类和C类场地记录台站数 Table 2 Number of seismic stations at sites of class B and C for reverse and strike slip fault earthquakes

图 6为逆断层地震B和C类场地条件下，不同震级的反应谱比． 图 7为走滑断层地震B和C类场地条件下，不同震级的反应谱比比较． 其中水平方向加速度反应谱采用两个水平方向加速度反应谱的平均值． 由图 6和图 7中可以看出，无论是对于逆断层还是走滑断层地震，在周期小于0.03 s范围内，除了走滑断层地震的中等震级地震，其它地震的反应谱比基本上均小于2/3，反应谱比值约在0.5—0.67之间． 在0.03—0.2 s周期范围内，各震级地震的反应谱比均大于2/3，其中走滑断层地震的反应谱比最大达到了1.2—1.8左右，但中等震级(6.0—6.9级)地震的反应谱比接近甚至略大于较大震级(7.0—7.9级)地震的反应谱. 这与通常所认识的强烈地震近断层区竖向地震更为显著有所不同. 分析其 原因，可能是因为7.0—7.9级地震记录大部分为1999年集集(Chi-Chi)地震记录，该次地震的特征对统计结果影响比较大. 具体原因有待于搜集更多的较大震级地震记录以进行更客观的分析和比较． 走滑断层地震反应谱比一般小于2/3，大约在0.3与2/3之间； 而集集(Chi-Chi)地震是中等震级逆断层地震，致使在中长周期段具有较大的反应谱比值； 小震级地震(5.0— 5.9级)的反应谱比一般在0.3—0.5之间． 另外，还可以明显看到，在中长周期段(>0.2 s)，所有走滑断层型地震反应谱比值均小于规范规定的比值2/3．

图 6 逆断层地震B类和C类场地加速度反应谱比 (a)B类场地加速度反应谱比；(b)C类场地加速度反应谱比 Fig. 6 Acceleration response spectrum ratio at sites of calss B and C for reverse-fault earthquakes (a)V/H response spectrum ratio at B class sites;(b)V/H response spectrum ratio at C class sites

图 7 走滑断层地震B类和C类场地加速度反应谱比 (a)B类场地反应谱比；(b)C类场地反应谱比 Fig. 7 Acceleration response spectrum ratio at B and C class sites for strike-slip-fault earthquakes (a)V/H response spectrum ratio at site B;(b)V/H response spectrum ratio at site C
2.4 断层机制对反应谱比的影响

目前断层机制对反应谱比的影响研究并不是很多． 本文统计分析了6.0—6.9级地震条件下，逆断层、 走滑断层和倾滑断层型地震对反应谱比的影响． 表 3是6.0—6.9级地震 B类和C类场地条件下9次地震的地震台站记录信息. 其中地震记录台站数仍为断层距在0—60 km范围内的台站， 采用USGS场地分类标准．

表 3 6.0—6.9级地震B类和C类场地记录台站数 Table 3 Number of seismic stations at B and C class sites for M6.0—6.9 earthquakes

图 8为6.0—6.9级地震的B类场地和C类场地反应谱比： 从图中可以看出，中等震级地震(6.0—6.9级)在周期小于0.03 s时两类场地逆断层地震的反应谱比均不大于2/3，但是走滑断层和逆-平移断层地震的反应谱比值均大于2/3； 在0.03—0.2 s周期范围内，两类场地3种类型地震的反应谱比值均大于2/3，并且在0.05—0.1 s内达到最大值，走滑断层地震的反应谱比值最大，最高达到1.3—1.8左右，逆-平移断层次之，逆断层最小． 同时，在6.0—6.9级地震中，3种断层机制下的中长周期范围内(>0.2 s)的反应谱比基本上都小于2/3，大致在0.4—0.67之间．

图 8 6.0—6.9级地震B类和C类场地加速度反应谱比 (a)B类场地反应谱比;(b)C类场地反应谱比 Fig. 8 Acceleration spectrum ratio at B and C class sites for M6.0—6.9 earthquakes (a)V/H response spectrum ratio at B class sites;(b)V/H response spectrum ratio at site C class sites
3 结论

本文采用1952—1999年世界范围内矩震级在5.4—7.6之间的18次地震中1009个台站的竖向地震动记录，其中有676个台站记录断层距在60 km以内，分别统计分析了竖向地震动加速度反应谱特征； 然后，以1994年Northridge地震和1999年集集(Chi-Chi)地震为例，探讨了在0—60 km断层距范围内断层距、场地条件对竖向与水平向加速度反应谱比值的影响； 最后统计分析了震级、断层机制对反应谱比的影响． 通过分析，可得到以下结论：

1)对0—60 km断层距范围内的水平向和竖向加速度反应谱统计分析研究表明，水平方向的两个加速度反应谱在统计意义上基本一致，竖向加速度反应谱的卓越周期(0.1 s左右)明显小于水平方向反应谱的卓越周期(0.2—0.3 s左右)，并且在中长周期范围竖向加速度反应谱值随周期衰减相对较慢．

2 )周期小于0.03 s范围内，逆断层地震的竖向与水平向反应谱比值一般小于2/3，而走滑断层和逆-平移断层地震的反应谱比一般大于2/3． 在0.03—0.2 s周期范围内，逆断层地震0—20 km断层距范围内的反应谱比显著高于20 km断层距之外远场的反应谱比； 几乎所有的地震在此周期范围内的反应谱比值都大于一般抗震规范规定的2/3比值，并在0.05—0.1 s之间达到最大． 在中长周期范围(2—6 s)，逆断层较大震级(7.0—7.9级)地震的反应谱比可能会大于2/3，这点值得关注．

3)在0.03—0.2 s周期范围内，所有场地的反应谱比值均大于2/3，较软弱的土层场地(C类和D类场地)上的反应谱比相对较大，最大可能达到1.1—1.2左右； 较硬场地(A类和B类场地)上的反应谱比相对较小． 在此周期范围内较大震级(7.0—7.9级)地震的反应谱比需要根据更多的地震记录进行分析. 值得注意的是逆断层较大震级(7.0—7.9级)地震在中长周期段(2—6 s)具有较大的反应谱比，说明逆断层强烈地震中竖向地震动显著，走滑断层地震中长周期反应谱比较小． 在该周期范围内，走滑断层的反应谱比相对较大，最高达到1.3—1.8左右，逆-平移断层地震次之，逆断层地震相对较小，说明走滑断层地震中竖向地震动相对更为显著． 在逆断层软弱土层场地和可能发生走滑断层地震的场地上进行结构抗震设计应特别注意竖向地震作用的影响．

4 )根据以上分析，不同周期范围内竖向与水平加速度反应谱比值并不是一个定值，并且在不同周期范围内比值相差很大. 反应谱比值受断层距、 场地条件和断层机制的影响十分明显，震级对反应谱比的影响还需要根据更多的地震动记录进行详细研究． 大部分抗震设计规范中按照水平地震动的2/3作为竖向地震动是不合适的，有必要根据已有的强震记录提取竖向地震动反应谱用于结构竖向抗震设计. 本研究为下一步定量研究加速度反应谱比，进而更合理地确定竖向地震动提供了基础．

本文所用的地震动记录数据均来自美国太平洋地震工程中心(PEER)强地面运动数据库. 在此表示感谢．

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