地震动不确定性及其影响因素的初步分析

第29卷　第2期

2006年4月

地震研究

JOU RNAL O F SE I SM OLO G ICAL R ESEA RCH

V ol 129, N o 12A p r 1, 2006

地震动不确定性及其影响因素的初步分析

董　娣　周锡元

1, 2

　闫维明　徐国栋　杨润林

121

(1北京工业大学北京工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京100022;

2北京工业大学抗震减灾研究所, 北京100022)

摘要:选取欧洲强震记录数据库中, 同一台站记录到的两次地震以及两个不同台站记录到的同一地震的强震记录, 分析了它们的PGA 比值、卓越频率和反应谱的不确定性以及不确定性对结构反应的影响, 得出:影响地震动不确定性的因素主要有震源机制、地震波传播途径、场地类别等。在此基础上, 进一步分析了地震动不确定性对结构反应的影响。

关键词:地震动; PGA; 卓越频率; 反应谱; 不确定性; 结构反应

中图分类号:P 31519　文献标识码:A 　文章编号:1000-0666-(2006) 02-0167-09

震记录, 0　引言

地震是一种随机现象, 描述。王国权等明显的随机成分, 超随机特性。以往由于强震记录的缺乏, 人们通过研究某些强震记录较丰富地区的衰减关系以及经验公式, 来估测和模拟破坏性地震记录比较缺乏地

[3]

区的地面运动规律。杜修力等通过分析不同区域介质品质因子来研究其对地震动参数衰减的影响,

[4]

崔江余等试图通过不同地区介质品质因子的差异规律来实现地震动参数衰减特性的相互转换, 从而估计地震动参数。B oore , 王国权等分别对台湾集集地震的主震和5次余震的地震动衰减关系作了分析并将其与美国加利福尼亚州的经验公式作对比后发现, 集集地震强震记录数据明显小于利用经验公式计算得到的数据。B oore 进一步在文献[7]中指出, 同一地震不同场地上地震动不同; 相同场地不同地震得到的地震动也有差异, 因此利用衰减关系及经验公式预测某一场地结构反应具有很大的不确定性。而地震动的不确定性则会直接影响到地震危

[8, 9]

险性分析的可靠程度。近年来, 由于强震仪数量的增加和性能的改善, 人们获得了丰富的高质量强

3收稿日期:2005-04-13.

[5]

[6]

[2]

[1]

。这三个因素会对强震地面运动特性产生什么样的影响, 这样的影响是否具有规律性, 一直是研究人员关心的问题。由于强烈地震及其引起的地面运动的复杂性和不确定性, 要想区分各种不同因素的影响是很困难的, 比较简单的方法是在其他因素保持不变的条件下观察和研究其中一个因素的影响。这需要应用许多记录。目前主要有美国、日本、欧洲、中东、西亚地区和我国台湾地区的强震记录数据库可以使用。由于欧洲的强震记录数据库的信息比较完整①, 因此本文将此数据库作为资料来源进行对比分析, 观察各种因素对强震地面活动的影响。

1　数据基础

在本研究中, 震级均采用近震震级M L , 距离采用台站震中距, 场地分类采用的标准为欧洲规范8抗震规范设计中的场地分类, 一般按照30m 范

围内的平均剪切波速(V S ) 、30cm 的标准贯入捶击数以及土的无侧限剪切强度来划分, V S 大于800

m /s 的为基岩场地, V S 在360～800m /s 之间的为

基金项目:国家自然科学基金“近断层强震地面运动特性”(50408005) 资助.

①Ambraseys N, S m it P, Berardi R, et al . D isse m inati on of Eur opean Str ong 2Moti on Doti on Data . CD 2ROM collecti on . Eur opean Council, En 2

vir onment and Cli m ate Research Pr ogra mme . 2000.

168地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

硬土场地, V S 在180～360m /s 之间的为alluv ium

场地, V S , 小于180m /s 的为软土场地, V S 小于100m /s 的为极软土场地。

笔者选取两类不同的地震动来研究其不确定性, 第一类是在相同震级、相同震中距和场地类别的条件下, 同一强震观测台站得到的两次不同地震的强震记录, 震级范围为M L 314～515, 其强震记录参数见表1。此类数据包含6个台站的地震动, 每个台站位置上有两组强震数据(每组包含两条水平分量和一条竖向分量) , 即两次地震的记录。从表1中所列的6次地震的经纬度可以发现, 每一对地震的震中位置都很接近。同一台站上两次记录的差异可能是发震构造不

表1

地震名称

同所造成的影响。第二类是在相同震级、震中距和同类场地类别的条件下, 同一次地震而在两个不同台站位置上的地震动, (表2) 。此类数据包含5次不同地震的记录, 每次地震有两组台站位置不同的地震动(每组也是包含两条水平分量和一条竖向分量) 。震级为M L 314～517, 震中距为1～53k m 。从表2可以看出, 除第3组(Foligno Santa M aria Infraportas 2B ase 和N orcia 2A ltavilla ) 和第4组(O ni 2B ase Ca mp 和

Am brolauri ) 中的两个台站相距较远外, 其余组中的

两个台站都很接近, 从而更能地反映地面运动的不确定性。本文将依据以上两类强震数据, 分别研究地震动的若干特性来说明其不确定性。

同一强震台站得到的两次地震的强震记录

　　　　　　　　　　　　　地震参数

) 　年-月-日时:分λE /°/([1**********]8:[1**********]515:[***********]0:[1**********]111:[1**********]415:[1**********]616:[1**********]512:[1**********]518:[1**********]506:[1**********]105:20

[***********][***********][1**********]8

[***********][***********][***********]083

1417412515

场地

类别基岩基岩基岩硬土

震中距

/km

A ftershock of Um bro 2M archigiana earthquake A ftershock of Um bro 2M archigiana earthquake

Potenza Potenza

A ftershock of L azio A A ftershock of L azio A A ftershock of Um bro 2M A ftershock of Um bro 2M archigiana earthquake

Kalam ata Se of Kalam ata

N orcia N orcia

N ocera Um bra R ionero in V ulture

Pescasseroli C olfiorito Kalam ata 2

Prefecture, LONG

N orcia

10371413

315314

硬土硬土

101

表2

地震名称

不同强震台站得到的同一次地震的强震记录

　　　　　　　　　　　　　　地震参数

M L

λE /(°) λφ/(°) 　　年-月-日时:分

[1**********]1:[1**********]623:48

[1**********]

517513

　　　　台站位置

A thens 3(Kallithea D istrict )

A thens 4(Kipseli D istrict )

Forgaria 2C ornio San R occo Foligno Santa M aria Infraportas 2B ase N orcia 2A ltavilla O ni 2B ase C am p Am brolauri

场地类别基岩硬土

震中距

/km

A thens Friuli

aftershock of Um bro 2M archigiana earthquake aftershock of R acha

earthquake L azio A bruzzo

234

[1**********]5:[**************]15冲积层19

[1**********]3:[1**********]717:49

4215841173

431291319

5517

软土1353

Garigliano 2Centrale N ucleare 1

极软土

Garigliano 2Centrale N ucleare 2

2　地震动相应分量的PGA 比值

峰值加速度PGA 一直以来被看作是表示地震

动强弱的最具代表性的物理量, 相应的研究也最

多。本文通过研究上述两类地震动PGA 比值特性, 来考察地震动的不确定性。考虑到地震断层方向与记录方向的不一致, 因此, 取两水平方向PGA 的

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析169

几何平均作为水平向的PGA 。

对应表1中的第一类地震动, 计算同一台站两次地震的地震动水平以及竖向分量的PGA 的比值, 结果见表3。对应表2中的第二类地震动, 计算同一地震在两个台站位置的地震动水平以及竖向分量PGA 比值, 结果见表4。PGA 比值均为较大者除以较小者。两类地震动数据共11组, 相应的水平与竖向分量PGA 比值22个。由表3和表4中的结果可知, 这两类地震动水平以及竖向分量的PGA 比值仅有两个为1, 且PGA 最大比值为511。值得注意的是这组中两个台站的震中距离虽然相同, 但相距是比较远的, 这应该是造成不确定性最大的原因。比值大于4的有4个, 比值在3～4之间的有5个, 比值在2～3之间有6个, 比值在1～2之间的仅有6个, 这意味着这两类地震动的PGA 都有较

表3

M L

大的不确定性。

进一步的分析还可以发现, 尽管在R ionero in V ulture 台站上记录到的两次地震的震级、震中距

(或传播途径) 和场地条件三个要素都相同, 但其PGA 还是有很大的差异, 这应该是震源机制不同造

成的, 同时也说明仅用震级来表示震源的全部特性是不够的。对照表2和表4中的数据, 我们不难发现, 在Friuli 和L azio A bruzzo 地震中作为对比的个台站, 其中震中距离比较大(53km ) 的两个台站的PGA 比值为1, 而震中距离小(4km ) 的两个台站, PGA 的比值竟达2倍多。这说明在近断层区, 地面运动场的变化和场地条件的影响都很复杂。在同一次地震中, 两个靠得很近的场地尽管被分在同一类, PGA 还是有很大的差异, 其原因(例如地形影响, 建筑物影响等) 同一台站上两次地震的λ) 　　φ) Ε/(°N /(°

[***********][**************]1

[***********]1096

ocera V Colfiorito

Kalam ata 2Prefecture, LONG

N orcia

基岩

基岩基岩硬土硬土硬土

/km

[1**********]

水平分量　竖向分量

[***********]

表4

地震名称

A thens Friuli

A ftershock of Um bro 2M archi 2

giana earthquake A ftershock of R acha earthquake L azio A bruzzo

同一次地震不同台站位置的地震动相应分量的PGA 比值

年2月2日时:分

[1**********]1:[1**********]623:[1**********]415:[1**********]323:[1**********]717:49

M L 　　　震中位置　　　　　　　场地

λE /(°) 　　φ) 　　　类别N /(°

[***********]215841173

[***********]31291319

震中距

/km 水平分量　竖向分量

[**************]

[1**********]17

基岩

硬土冲积层软土极软土

234191353

3　地震动频谱特性的不确定性分析

一般来说, 地震动的特性可通过其三要素来描述, 即振幅、频谱和持时。频谱组成对结构反应的影响已得到普遍认可。结构物有其自振频率, 假若地震动的卓越频率在低频段, 它将引起长周期结构物的较大反应; 若地震动的卓越频率在高频段, 则它对短周期的刚性结构物的危害较大; 若地震动的卓越频率与结构物自振频率接近, 那么将会发生类似共振的效应。

鉴于地震动卓越频率在结构反应中的重要性, 本文对两类强震记录的卓越频率进行比较, 判断其是否具有较大的不确定:

(1) 同一台站记录到的相同震级和震中距的

两次地震的卓越频率。

本文采用地震动功率谱来粗略判断地震动的卓越频率。为了便于比较卓越频率的异同, 采用归一化的功率谱(即功率谱幅值最大值为1) 。功率谱一般可以分解为平滑化部分和随机噪声部分, 随机噪声部分相对于平滑化部分的平均值可以设定为零, 这样地震动的总能量将全部由平滑化部分控

170地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

制, 叠加在其上的随机噪声尽管振幅很大, 其影响

[10]

并不大, 因此本文只考虑功率谱的平滑化部分。在此采用12次多项式进行拟合, 拟合所得曲线最大值所对应的频率就是该地震动的卓越频率。

图1a 为Kalam ata 和Se of Kalam ata 地震在Kalam ata 2Prefecture, LON G 台站(场地类别为硬土) 上的地震动南北分量的归一化功率谱以及12次多项式拟合所得曲线。图1表明, 在场地类别为硬土的台站, Kalam ata 地震的地震动南北分量卓越频率明显的小于Se of Kalam ata 地震的相应值, 这两次地震东西分量以及垂直分量的卓越频率也类似于南北分量。图1b 为1997年Um bro 2M archigiana 余震和1998年Um bro 2M archig iana 余震在N oceva

Um b ra 台站的地震动南北分量的归一化功率谱以及

12次多项式拟合所得曲线。由图2可知, 两次余

震南北分量的卓越频率比较一致, 东西分量以及竖向分量卓越频率之间的差别很小。由以上结果可知, 率差别不大, 。, 源位置也有差异, 。

(2) 震中距离相同的台站上记录到的地震动卓越频率。

图2a 为A thens 地震在A thens 3(Kallithea D is 2trict ) 以及A thens 4(K ipseli D istrict ) 基岩场地上地震动竖向分量的归一化功率谱以及12次多项式拟合所得曲线。图2a 表明, A thens 地震在A thens 3台站上地震动的频带较宽, 12多项式拟合所得曲

线随频率的变化很平缓, 在曲线峰值之后几乎为一直线, 说明地震动竖向分量包含更多的高频成分; 而在A thens 4台站上, 地震动竖向分量与A thens 3台站上的地震动竖向分量相比频带较窄, 但是与地震动水平分量比较, 仍可以看出包含较多的高频成分。图2b 为Friuli 地震在Forgaria 2C ornio 以及San R occo 台站(这两个台站的经纬度完全相同, 说明它们靠得很近) 上地震动竖向分量的归一化功率谱以及12次多项式拟合所得曲线。比较图2b 和图2a 中场地上的地震动竖向分量功率谱, 可以看到在硬土场地上地震动竖向分量包含的高频成分有所减少, 这说明经过土层滤波之后, 地震动高频成分会减少。

为了进一步研究这两类地震动卓越频率的不确

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析171

定性, 表5给出了对应于图1、2中8条地震动记录的卓越频率及其相应比值。表5中数据表明, 这4组地震动卓越频率有不同程度的差别, 最小为111, 最大为319, 基岩场地上地震动相应分量的

它们的卓越频率都有不同程度的差别, 卓越频率最大比值接近4倍, 从而对结构反应产生明显的影响。现行建筑抗震设计规范中规定, 对高层和其他重要结构要采用多遇地震下的时程分析作为地震反应分析的补充。选用实际强震记录和人工模拟加速度时程进行抗震分析时, 加速度时程卓越频率的大小会直接影响抗震计算结果(关于这一点在本文第5部分中还将进一步加以讨论) , 因此, 地震动卓越频率的不确定性值得注意。

卓越频率之间的差别小于硬土场地上卓越频率之间的差别。由于数据还比较少, 地震动卓越频率不确定性程度的大小是否随着场地依次变硬而随之减小还有待更进一步研究。

由图1、图2以及表5可知, 无论是相同台站位置的两次地震还是同一地震不同台站位置的地震动,

表5

地震名称

Kalam ata Se of Kalam ata

地震动卓越频率

台站名称

Kalam ata 2Prefecture, LONG

N ocera Um bra

A thens 3(Kallithea D istrict ) A thens 4(K i pseli D )

Forgaria 场地类别硬土基岩地震动分量南北分量竖向分量

卓越频率

/Hz 卓越频率比值

[1**********]

[***********]119

1997年Um bro 2M archigiana 余震1998年Um bro 2M archigiana 余震

A thens Friuli

4　在现行建筑抗震设计规范(GB 50011-2001) 中, 对一般建筑均采用反应谱振型分解法进行抗震计算。绝对加速度反应谱除以地震动加速度时程最大绝对值所得结果称为正规化加速度反应谱, 也称为动力放大系数。考虑到反应谱在我国结构抗震验算中的重要性, 与研究地震动的PGA 以及卓越频率相当, 以下也分别研究这两类地震动反应谱之间的差异。

(1) 同一站震级和距离几乎相同地震的地震动反应谱。

鉴于单条地震动的反应谱形状不够规则, 本文以两条地震动反应谱差值的绝对值来反映它们之间的差别。图3a 为1997年Um bro 2M archigiana 余震和1998年Um bro 2M archig iana 余震在C o lfiorito 台站上地震动竖向分量的反应谱及其差值, 场地类别为硬土。可以看出, 两余震的地震动竖向分量反应谱形状明显不同, 前者比较宽而最大值较小, 后者比较窄而最大值较大, 它们之间的差别主要体现在中短周期范围内, 最大差值为2142, 两条反应谱最大值中的较大值为4147, 最大差值为较大值的

54%。需要注意的是尽管震级和距离都相同, 这两

次地震的具体位置还是有差异的, 这也是造成反应谱形状不同的原因之一。图3b 为1990年5月5日

172地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

7点21分Potenza 地震和1990年5月5日7点38

分Po tenza 地震在R ionero in V ultu re 台站上地震动

竖向分量的反应谱及差值, 场地类别为基岩。由图中可知, 这两次地震的地震动加速度竖向分量反应谱无论是峰值的大小还是形状的宽窄差别都不大, 最大差值约113, 而两条反应谱最大值中的较大值约为4, 最大差值为较大值的32%; 在中长周期内, 7点38分的Potenza 地震的地震动反应谱相比而言衰减较快。由于这两次地震的经纬度和震级完全一致, 反应谱的差别主要是由于震源机制不同造成的。

表6　　　　　　　结构参数　　　　　　　

参　　数质量矩阵

M /kg

数　　值

98100

217417-[1**********]1

09810

00013691-11×10611刚度矩阵

K /N・m

-1

-[1**********]2-116248

(2) 图4a 为A thens A th 2

ens 3(Kallithea D istrict ) 台站和A thens 4(Kipseli D istrict ) 台站上的地震动南北分量的反应谱及其差

由图3、4可知, 以上研究的两类地震动, 其反应谱幅值、形状、卓越周期以及低频段的衰减都有一定程度的差别。值得注意的是, 他们之间的差别都主要集中在高频段。尽管有些地震动反应谱之

间幅值、形状之间的差别比较小, 但是在反应谱峰值附近的差别仍是不容忽视的。从文中列出的两类场地的分析结果可初步判断, 随着场地变软, 反应谱之间的差别似乎有增大的趋势。

值。可看出A thens 3(Kallithea D istrict ) 台站上的反应谱形状略宽于A thens 4(Kipseli D istrict ) 台站, 最大差值约113, 两条反应谱最大值中的较大值约为314, 最大差值为较大值的38%。值得注意的是这两个台站的位置十分接近, 距离不到100m , 相对于震源而言, 几乎可以看作同一个点。图4b 为Racha 余震在场地类别为软土的Am brolauri 以及O ni 2B ase Cam p 台站上地震动南北分量的反应谱及其差值。可以看出, 其地震动南北分量反应谱的形状有显著的不同, 不仅表现在最大值的数值方面而且体现在最大值对应的周期上, 这表明在O ni 2B ase Cam p 台站以及Am brolauri 台站上的地震动反应谱卓越周期也是不同的, 最大差值约为

214, 两条反应谱最大值中的较大值约为318, 最大差值为较大值的63%。在O ni 2B ase Cam p 台站上的反应谱幅值大于Am brolauri 台站上的相应值, 周期明显偏短(约为012s ) ; 但是当周期大于013时, O ni -B ase Cam p 位置上反应谱幅值又是明显小于Am brolauri 位置上的相应值。由此看来在软土场地上地震动的卓越周期也有偏短的情况。

5　地震动不确定性对结构反应的影响

现行建筑抗震设计规范规定, 采用时程分析法时, 应按建筑场地和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线, 加速度时程的最大值按规范选取

[11]

。本文分

析地震动不确定性对结构反应的影响时, 选取地震烈度为V III 度, 中多遇地震下的峰值加速度均调整为110cm /s 。

本文所采用的结构参数见表6, 等效阻尼比为0102。经计算得知结构的三阶频率依次为0171H z, 2117H z 和3167H z, 结构的基本频率为0171H z 。

图5a, b 分别为1997年Um bro 2M archigiana 余

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析173

震和1998年Um bro 2M archigiana 余震在C olfiorito 台的地震动加速度南北分量输入下, 结构底层和顶层相对地面的位移反应时程曲线。由图可看出, 在结构时程反应曲线上最大值的差别是比较明显的。为了进一步分析结构反应的差别, 表7给出了相同台站上两条地震动输入下, 结构每个楼层的最大位移以及最大层间位移反应, 可以看到, 在两条地震动输入下, 结构相对于地面的最大位移差别还是很明显的, 其底层比值为218, 第二层比值为311, 顶层比值为3。最大层间位移的比值分别为218, 217和119

。

图6为1997年Um bro 2M archigiana 余震和1998年Um bro 2M archig iana 余震在C olfiorito 台的南北分量归一化功率谱, 可以看出, 在结构基本频率附近, 1998年Um bro 2M archigiana 余震的地震动归一化功率谱幅值比1997年Um bro 2M archigiana 余震的相应值明显偏大, 所以, 虽然地震动加速度峰值相同, 不同地震动时程输入下结构反应明显不同, 这也是地震动频谱特性影响结构反应的具体表现。同时, 由于这两次地震相距比较远, 尽管震级和台站震中距都相同, 但是发震构造不相的, 因此其地震动特性是有差别的

。

图7a, b 分别为A thens 地震在A thens 3(Kal 2

174地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

lithea D istrict ) 以及A thens 4(K i pseli D istrict ) 台

上的地震动加速度南北分量输入时, 结构底层和顶

层相对地面的位移反应时程曲线。由反应时程曲线可知, 在输入不同台站位置上的两条地震动时, 结构时程反应曲线最大值附近的差别比较明显。这种差别可能是由于以下两方面的原因造成的:(1) 虽然台站都位于基岩场地上, 但是其岩性和地形条件可能还是有差别; (2) 地震动场在小范围内就有较大的变化。在宏观震害调查中常常可以看到, 两栋相距很近的建筑物, 其震害完全不同, 这主要就是由上述两个原因造成的。为直观地看出不同台站地震动输入下结构反应的差别, 表8列出了同一次地震中, 在不同台站地震动输入下, 结构每层反应最大值以及最大层间反应。从表8中可知, 结构相对地面最大位移、层间最大位置差别与在相同台站位置不同地震动输入下的差别相比稍小一些, 此时底层比值为215, 第二层比值为214, 顶层比值为214。最大层间位移比值分别为215, 213, 21图8为A thens 地震在A thens 3(D ) 以及A thens 4(K 表7

结构反应最大相对地面位移/mm最大层间位移/mm

加速度南北分量归一化功率谱。可以看出, 在结构基本频率0171附近, 即±013H z 之间, A thens 4(K ipseli D istrict ) 基岩场地上的归一化功率谱包围的面积稍大于A thens 3(Kallithea D istrict ) 场地上相应的面积。尽管功率谱幅值差别不大, 但由于建筑物的放大作用, 结构反应的差别还是会比较大的。

由图5～8以及表7, 8所得结果可知, 在相同台站不同地震以及同一地震不同台站地震动输入下, 尽管地震加速度时程的最大值已按照规范调整为相同的数值, 但由于在结构基本频率附近不同地震动加速度的功率谱有一定差别(即使这种差别并不很大) , 故尔仍能使得结构的反应产生较大的差别。本文算例中最大相对地面位移的比值已达311, 218, 说明由于, 在震级、震中距和, 无论是地面运动强, 而建筑物还可能对这, 从而导致差异更大的震害现象。

　底层　　　第二层　　　顶层

313

418

612

底层　　　第二层　　　顶层

913

1511

1813

1998年地震与

底层　　　第二层　　　顶层

218218

311217

310119

313　　　211　　　117　　　　　913　　　517　　　　312

表8

结构反应最大相对地面

位移/mm最大层间位移/mm

同一次地震不同台站地震动输入下结构每层反应最大值以及最大层间反应

　　　A thens 3(Kallithea D istrict ) 　　　　　A thens 4(Kipseli D istrict ) 　　A thens 4与A thens 3对应结果比值　　底层　　　第二层　　　顶层　　底层　　　第二层　　　顶层底层　　　第二层　　　顶层

411

619

817

1012

1617

2015

215215

214213

214211

411　　　218　　　118　　　　1012　　　　615　　　　411

6　结论

(1) 两类分组强震数据的PGA 、卓越频率以

不同, 对于一次地震, 相同震中距的不同记录位置

上观察到的地震动不确定性来源于场地类别的不同以及传播途径的影响。

(3) 单纯用震级来反映地震的影响, 及用平均剪切波速确定的场地类别来反映局部场地条件的影响是不够的, 还需要考虑震源机制的影响。在考虑场地条件的影响时, 还需要区分近断层和中、远场地面运动的不同特性。此外, 由于结构对地面运动特性存在某种放大作用, 地震动强度和频谱特性

及反应谱都有较大的不确定性, 尤其PGA 最大比值达到511, 卓越频率最大差别也接近4倍。

(2) 地震动的不确定性来源于两个因素, 对于震级相同的两次地震, 同一台站记录的地震动, 其不确定性主要来源于震源机制和地震波传播途径

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析175

方面存在的不确定性可能会造成结构反应的明显差异。参考文献:

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[2]Boore D M, W B Joyner, Fumal T E . Equati ons f or esti m ating hori 2

z ontal res ponse s pectra and peak accelerati on fr om western North A 2merican earthquakes:a summary of recent work [J ].Res . Lett . 1997, 68(1) :128-153.

[3]杜修力, 崔江余. 区城介质品质因子对地震动参数衰减关系

Seis m.

的影响[J ].地震工程与工程振动, 1999, 19(1) :15-20.

[4]崔江余, 杨伟毅. 地震动参数衰减规律的研究[J ].世界地

震工程, 2002, 18(3) :116-122.

[5]Boore D M. Comparis ons of Gr ound Moti ons fr om the 1999Chi 2Chi

Earthquake with E mp irical Predicti ons Largely Based on Data fr om California [J ].Bulletin of the Seis mol ogical Society of America,

究[J ], 地震工程与工程振动, 2005, 25(2) :1-9.

[11]G B 50011-2001, [S].

Uncerta i n ty of ary Ana lysisof Its Effect Factors

DON G D i X i 2yuan

1, 2

　YAN W ei 2m ing 　XU G uo 2dong 　YAN G R un 2lin

221

(1. B eijing Key L abora tory of Ea rthquake Engineering and S tructura l Retrofit,

B eijing U niversity of Technology, B eijing 100022, C hina )

(2. Institute of Ea rthquake Engineering and D isaster Reduction, B eijing U niversity of Technology, B eijing 100022, C hina )

Abstract

From the European strong ground m otion database, on the basis of the sam e m agnitude, ep icen ter distance and si m ilar site condition, w e co llect the accelerations reco rded by the sam e station but from differen t earthquakes and by different stations but from the sam e earthquake, and analyze the certainty of the PGA ratio of the corre 2spond ing com p onents, p redom inan t frequency and resp onse spectra . The results show that there are m any factors influencing the uncertainty of ground m otion, such as focal m echanis m , path of seis m ic w ave p ropagation and site typ e, etc . A ccording to th is, w e further analyze the influence of the uncertainty on structural resp onse .

Key words :ground earthquake m otion, PGA , p redom inant frequency, response spectrum , uncertainty,

structural response

第29卷　第2期

2006年4月

地震研究

JOU RNAL O F SE I SM OLO G ICAL R ESEA RCH

V ol 129, N o 12A p r 1, 2006

地震动不确定性及其影响因素的初步分析

董　娣　周锡元

1, 2

　闫维明　徐国栋　杨润林

121

(1北京工业大学北京工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京100022;

2北京工业大学抗震减灾研究所, 北京100022)

关键词:地震动; PGA; 卓越频率; 反应谱; 不确定性; 结构反应

中图分类号:P 31519　文献标识码:A 　文章编号:1000-0666-(2006) 02-0167-09

震记录, 0　引言

[3]

区的地面运动规律。杜修力等通过分析不同区域介质品质因子来研究其对地震动参数衰减的影响,

[4]

[8, 9]

险性分析的可靠程度。近年来, 由于强震仪数量的增加和性能的改善, 人们获得了丰富的高质量强

3收稿日期:2005-04-13.

[5]

[6]

[2]

[1]

1　数据基础

在本研究中, 震级均采用近震震级M L , 距离采用台站震中距, 场地分类采用的标准为欧洲规范8抗震规范设计中的场地分类, 一般按照30m 范

围内的平均剪切波速(V S ) 、30cm 的标准贯入捶击数以及土的无侧限剪切强度来划分, V S 大于800

m /s 的为基岩场地, V S 在360～800m /s 之间的为

基金项目:国家自然科学基金“近断层强震地面运动特性”(50408005) 资助.

①Ambraseys N, S m it P, Berardi R, et al . D isse m inati on of Eur opean Str ong 2Moti on Doti on Data . CD 2ROM collecti on . Eur opean Council, En 2

vir onment and Cli m ate Research Pr ogra mme . 2000.

168地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

硬土场地, V S 在180～360m /s 之间的为alluv ium

场地, V S , 小于180m /s 的为软土场地, V S 小于100m /s 的为极软土场地。

表1

地震名称

Am brolauri ) 中的两个台站相距较远外, 其余组中的

两个台站都很接近, 从而更能地反映地面运动的不确定性。本文将依据以上两类强震数据, 分别研究地震动的若干特性来说明其不确定性。

同一强震台站得到的两次地震的强震记录

　　　　　　　　　　　　　地震参数

[***********][***********][1**********]8

[***********][***********][***********]083

1417412515

场地

类别基岩基岩基岩硬土

震中距

/km

A ftershock of Um bro 2M archigiana earthquake A ftershock of Um bro 2M archigiana earthquake

Potenza Potenza

A ftershock of L azio A A ftershock of L azio A A ftershock of Um bro 2M A ftershock of Um bro 2M archigiana earthquake

Kalam ata Se of Kalam ata

N orcia N orcia

N ocera Um bra R ionero in V ulture

Pescasseroli C olfiorito Kalam ata 2

Prefecture, LONG

N orcia

10371413

315314

硬土硬土

101

表2

地震名称

不同强震台站得到的同一次地震的强震记录

　　　　　　　　　　　　　　地震参数

M L

λE /(°) λφ/(°) 　　年-月-日时:分

[1**********]1:[1**********]623:48

[1**********]

517513

　　　　台站位置

A thens 3(Kallithea D istrict )

A thens 4(Kipseli D istrict )

Forgaria 2C ornio San R occo Foligno Santa M aria Infraportas 2B ase N orcia 2A ltavilla O ni 2B ase C am p Am brolauri

场地类别基岩硬土

震中距

/km

A thens Friuli

aftershock of Um bro 2M archigiana earthquake aftershock of R acha

earthquake L azio A bruzzo

234

[1**********]5:[**************]15冲积层19

[1**********]3:[1**********]717:49

4215841173

431291319

5517

软土1353

Garigliano 2Centrale N ucleare 1

极软土

Garigliano 2Centrale N ucleare 2

2　地震动相应分量的PGA 比值

峰值加速度PGA 一直以来被看作是表示地震

动强弱的最具代表性的物理量, 相应的研究也最

多。本文通过研究上述两类地震动PGA 比值特性, 来考察地震动的不确定性。考虑到地震断层方向与记录方向的不一致, 因此, 取两水平方向PGA 的

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析169

几何平均作为水平向的PGA 。

表3

M L

大的不确定性。

进一步的分析还可以发现, 尽管在R ionero in V ulture 台站上记录到的两次地震的震级、震中距

(或传播途径) 和场地条件三个要素都相同, 但其PGA 还是有很大的差异, 这应该是震源机制不同造

[***********][**************]1

[***********]1096

ocera V Colfiorito

Kalam ata 2Prefecture, LONG

N orcia

基岩

基岩基岩硬土硬土硬土

/km

[1**********]

水平分量　竖向分量

[***********]

表4

地震名称

A thens Friuli

A ftershock of Um bro 2M archi 2

giana earthquake A ftershock of R acha earthquake L azio A bruzzo

同一次地震不同台站位置的地震动相应分量的PGA 比值

年2月2日时:分

[1**********]1:[1**********]623:[1**********]415:[1**********]323:[1**********]717:49

M L 　　　震中位置　　　　　　　场地

λE /(°) 　　φ) 　　　类别N /(°

[***********]215841173

[***********]31291319

震中距

/km 水平分量　竖向分量

[**************]

[1**********]17

基岩

硬土冲积层软土极软土

234191353

3　地震动频谱特性的不确定性分析

鉴于地震动卓越频率在结构反应中的重要性, 本文对两类强震记录的卓越频率进行比较, 判断其是否具有较大的不确定:

(1) 同一台站记录到的相同震级和震中距的

两次地震的卓越频率。

170地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

制, 叠加在其上的随机噪声尽管振幅很大, 其影响

[10]

并不大, 因此本文只考虑功率谱的平滑化部分。在此采用12次多项式进行拟合, 拟合所得曲线最大值所对应的频率就是该地震动的卓越频率。

Um b ra 台站的地震动南北分量的归一化功率谱以及

12次多项式拟合所得曲线。由图2可知, 两次余

震南北分量的卓越频率比较一致, 东西分量以及竖向分量卓越频率之间的差别很小。由以上结果可知, 率差别不大, 。, 源位置也有差异, 。

(2) 震中距离相同的台站上记录到的地震动卓越频率。

为了进一步研究这两类地震动卓越频率的不确

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析171

由图1、图2以及表5可知, 无论是相同台站位置的两次地震还是同一地震不同台站位置的地震动,

表5

地震名称

Kalam ata Se of Kalam ata

地震动卓越频率

台站名称

Kalam ata 2Prefecture, LONG

N ocera Um bra

A thens 3(Kallithea D istrict ) A thens 4(K i pseli D )

Forgaria 场地类别硬土基岩地震动分量南北分量竖向分量

卓越频率

/Hz 卓越频率比值

[1**********]

[***********]119

1997年Um bro 2M archigiana 余震1998年Um bro 2M archigiana 余震

A thens Friuli

(1) 同一站震级和距离几乎相同地震的地震动反应谱。

54%。需要注意的是尽管震级和距离都相同, 这两

次地震的具体位置还是有差异的, 这也是造成反应谱形状不同的原因之一。图3b 为1990年5月5日

172地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

7点21分Potenza 地震和1990年5月5日7点38

分Po tenza 地震在R ionero in V ultu re 台站上地震动

表6　　　　　　　结构参数　　　　　　　

参　　数质量矩阵

M /kg

数　　值

98100

217417-[1**********]1

09810

00013691-11×10611刚度矩阵

K /N・m

-1

-[1**********]2-116248

(2) 图4a 为A thens A th 2

ens 3(Kallithea D istrict ) 台站和A thens 4(Kipseli D istrict ) 台站上的地震动南北分量的反应谱及其差

5　地震动不确定性对结构反应的影响

[11]

。本文分

析地震动不确定性对结构反应的影响时, 选取地震烈度为V III 度, 中多遇地震下的峰值加速度均调整为110cm /s 。

本文所采用的结构参数见表6, 等效阻尼比为0102。经计算得知结构的三阶频率依次为0171H z, 2117H z 和3167H z, 结构的基本频率为0171H z 。

图5a, b 分别为1997年Um bro 2M archigiana 余

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析173

。

图7a, b 分别为A thens 地震在A thens 3(Kal 2

174地　震　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷

lithea D istrict ) 以及A thens 4(K i pseli D istrict ) 台

上的地震动加速度南北分量输入时, 结构底层和顶

结构反应最大相对地面位移/mm最大层间位移/mm

　底层　　　第二层　　　顶层

313

418

612

底层　　　第二层　　　顶层

913

1511

1813

1998年地震与

底层　　　第二层　　　顶层

218218

311217

310119

313　　　211　　　117　　　　　913　　　517　　　　312

表8

结构反应最大相对地面

位移/mm最大层间位移/mm

同一次地震不同台站地震动输入下结构每层反应最大值以及最大层间反应

411

619

817

1012

1617

2015

215215

214213

214211

411　　　218　　　118　　　　1012　　　　615　　　　411

6　结论

(1) 两类分组强震数据的PGA 、卓越频率以

不同, 对于一次地震, 相同震中距的不同记录位置

上观察到的地震动不确定性来源于场地类别的不同以及传播途径的影响。

及反应谱都有较大的不确定性, 尤其PGA 最大比值达到511, 卓越频率最大差别也接近4倍。

(2) 地震动的不确定性来源于两个因素, 对于震级相同的两次地震, 同一台站记录的地震动, 其不确定性主要来源于震源机制和地震波传播途径

第2期　　　　　　　　　　　董　娣等:地震动不确定性及其影响因素的初步分析175

方面存在的不确定性可能会造成结构反应的明显差异。参考文献:

[1]王国权, 周锡元1集集地震近断层强震地面运动加速度时程

2001, 91(5) :1212-1217.

[6]WANG Guo 2quan , DavidM. Boore, Heiner I gel, et al . . Compari 2

Earthquake Engineering, 2004, 8(1) :1-41.

[8]Sigbj oernss on R, AmbraseysN N. Uncertainty analysis of str ong 2mo 2

ti on and seis m ic hazard [J ].Bulletin of Earthquake Engineering, 2003, 1(3) :321-347.

[9]Bommer J J. D iscussi on ‘Uncertainty Analysis of Str ong 2Moti on

and Seis m ic Hazard ’by R. 267.

[10]徐国栋, 周锡元, 董娣, 等. 强震地面运动的超随机特性研

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[2]Boore D M, W B Joyner, Fumal T E . Equati ons f or esti m ating hori 2

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[11]G B 50011-2001, [S].

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DON G D i X i 2yuan

1, 2

　YAN W ei 2m ing 　XU G uo 2dong 　YAN G R un 2lin

221

(1. B eijing Key L abora tory of Ea rthquake Engineering and S tructura l Retrofit,

B eijing U niversity of Technology, B eijing 100022, C hina )

(2. Institute of Ea rthquake Engineering and D isaster Reduction, B eijing U niversity of Technology, B eijing 100022, C hina )

Abstract

Key words :ground earthquake m otion, PGA , p redom inant frequency, response spectrum , uncertainty,

structural response

地震动不确定性及其影响因素的初步分析

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