基于東部地區(qū)基巖地震動(dòng)關(guān)系的反應(yīng)譜研究

田 利，蓋 霞，陶九慶

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2.山東省地震工程研究院，山東濟(jì)南 250021）

基于東部地區(qū)基巖地震動(dòng)關(guān)系的反應(yīng)譜研究

田 利1，蓋 霞1，陶九慶2

（1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟(jì)南 250061；2.山東省地震工程研究院，山東濟(jì)南 250021）

文章研究了中國東部地區(qū)基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系與基巖加速度反應(yīng)譜.①對(duì)比分析了美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系，選取了合理的衰減關(guān)系.②根據(jù)美國NGA強(qiáng)地震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫得到的美國西部地區(qū)的基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系和中國東部地區(qū)烈度衰減關(guān)系，確定了中國東部地區(qū)基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系.③研究了臨沂地區(qū)的基巖加速度反應(yīng)譜.提出的中國東部地區(qū)基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系，可以生成東部任意場點(diǎn)的基巖加速度反應(yīng)譜.生成的臨沂地區(qū)基巖加速度反應(yīng)譜可為該地區(qū)地震動(dòng)分析提供依據(jù).

烈度衰減關(guān)系；地震動(dòng)衰減關(guān)系；東部地區(qū)；基巖加速度反應(yīng)譜；臨沂地區(qū)

地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究在場地安全性評(píng)價(jià)、地震小區(qū)劃及地震動(dòng)模擬等方面有至關(guān)重要的作用.近年來，地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究受到越來越多的關(guān)注，我國學(xué)者在這方面也取得了一系列的研究成果.汪素云等［1］采用獨(dú)立測(cè)定的震級(jí)與烈度資料，通過近遠(yuǎn)場補(bǔ)點(diǎn)的方法得到了中國東西部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，運(yùn)用映射法得到了東西部地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系.盧建旗等［2］基于霍俊榮的美國西部峰值加速度衰減關(guān)系［3］，采用映射法生成了中強(qiáng)地震活動(dòng)區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系.地震動(dòng)衰減關(guān)系是以實(shí)際觀測(cè)資料為基礎(chǔ)的，有價(jià)值的強(qiáng)震觀測(cè)記錄有利于衰減關(guān)系的研究［4］.觀測(cè)資料的全面與準(zhǔn)確決定了研究成果的實(shí)用性，以往的研究大多基于2000年之前的美國西部地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系，這與實(shí)際情況存在偏差.俞言祥等［5］補(bǔ)充了1986年之后的幾次大震記錄，采用轉(zhuǎn)換法得到了中國東西部地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系，但其長周期的資料是由美國南加州地區(qū)的寬頻記錄轉(zhuǎn)換得到的.迄今為止，基于美國最新的強(qiáng)震觀測(cè)資料對(duì)我國東部地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系的研究還沒有.對(duì)于地區(qū)性的衰減關(guān)系，我國學(xué)者也開展了一些研究工作.如趙永慶等［6］采用回歸分析法研究了云南地區(qū)的峰值加速度衰減規(guī)律，石樹中等［7］研究了上海及鄰近地區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系，但關(guān)于高烈度地震區(qū)臨沂的地震動(dòng)參數(shù)研究甚少.

基于上述研究現(xiàn)狀，本文對(duì)比分析了美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系，選取了合理的烈度衰減和地震動(dòng)衰減關(guān)系，確定了中國東部地區(qū)的基巖地震動(dòng)衰減規(guī)律，進(jìn)一步研究了臨沂地區(qū)的基巖加速度反應(yīng)譜，為場地安全性評(píng)價(jià)和地震動(dòng)模擬奠定基礎(chǔ).

1 美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系

地震動(dòng)衰減關(guān)系對(duì)于地震危險(xiǎn)性的研究意義重大，其通常是通過強(qiáng)震觀測(cè)資料回歸而得到的.由于我國的強(qiáng)震觀測(cè)資料較少，地震動(dòng)衰減規(guī)律研究通常采用“借用法”.由于考慮的因素、選取的烈度資料與烈度衰減關(guān)系的不同，美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系的研究成果存在差異，因此，在“借用法”中選取合理的烈度關(guān)系至關(guān)重要.國內(nèi)外關(guān)于美國西部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系研究如下.

CHANDRA［8］對(duì)美國圣安德烈斯地區(qū)1906～1966年間的10次地震的烈度等震線資料進(jìn)行了研究，得到的美國西部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系如下：其中，I0是震中烈度，R是震中距，根據(jù)1956年GUTENBERG等［9］研究出的美國加州震中烈度與震級(jí)的關(guān)系式I0＝1.5M－1.5整理得到：

根據(jù)美國西部地區(qū)1932年至1971年的88次地震資料，ANDERSON［11］的美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系研究成果為

石樹中等［13］選取了有近代儀器測(cè)定震級(jí)的美國西部地區(qū)的地震資料，根據(jù)美國西部原始烈度點(diǎn)資料進(jìn)行研究，得出其烈度衰減關(guān)系公式如下：

田啟文等［15］根據(jù)ANDERSON選取的美國西部的88個(gè)地震等震線資料，采用不同的烈度衰減規(guī)律，獲得了美國西部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系為

為了能更好的擬合目標(biāo)地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系，本文將上述關(guān)于烈度衰減關(guān)系進(jìn)行了比較，圖1給出了美國西部地區(qū)不同模型的烈度衰減關(guān)系對(duì)比圖.

從圖1中的曲線走勢(shì)可見，ANDERSON的衰減關(guān)系在遠(yuǎn)場地區(qū)比較符合實(shí)際情況，而在近場地區(qū)曲線近乎為直線，與大多數(shù)烈度衰減規(guī)律不符.與ANDERSON相比，沈建文等擬合的曲線在震中地區(qū)烈度值減小，但幅值仍偏高.汪夢(mèng)甫等根據(jù)ANDERSON提供的烈度數(shù)據(jù)，選取了與ANDERSON不同的烈度衰減模型，在不同震中距其幅值明顯偏高.HOWELL等的烈度衰減規(guī)律衰減過快，這是由于中場選取的烈度數(shù)據(jù)較少所致.石樹中根據(jù)美國西部原始烈度數(shù)據(jù)回歸得到衰減關(guān)系，隨著距離的增大，烈度值衰減減緩.霍俊榮、田啟文和CHANDRA研究的美國西部的烈度衰減關(guān)系曲線比較接近，與實(shí)際情況比較符合，但田啟文的擬合曲線在遠(yuǎn)場區(qū)域烈度值偏小，可能會(huì)低估遠(yuǎn)場時(shí)大震的破壞程度.

圖1 美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系Fig.1 Intensity attenuation relationships in the west of the U-nited States

基于以上烈度衰減規(guī)律的對(duì)比研究，并且考慮借用法中參考地區(qū)與研究地區(qū)烈度衰減模型的一致性，選取與中國第4代地震動(dòng)區(qū)劃圖中相同的CHANDRA的衰減關(guān)系.

2

基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系

本文采用胡聿賢等［17］提出的缺乏強(qiáng)震觀測(cè)資料地區(qū)地震動(dòng)參數(shù)的估算方法，參考美國西部地區(qū)的基巖峰值加速度衰減關(guān)系，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，基于我國東部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系換算得到東部地區(qū)的基巖加速度衰減關(guān)系.

選用常用的基巖地震動(dòng)衰減模型［3］，其表達(dá)式為

式中，Y為加速度值，M為震級(jí)，R為震中距，c1，c2，c3，c4，c5與c6為回歸系數(shù)，c3M2主要考慮的是遠(yuǎn)場的大震飽和特性，選取c3＝0．鄭桐［18］根據(jù)美國NGA強(qiáng)地震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)庫研究得出了美國西部地區(qū)的基巖加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系，其研究采用最新的美國西部地區(qū)的強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)全面并經(jīng)過嚴(yán)格校驗(yàn)，準(zhǔn)確性與權(quán)威性具有保障，表達(dá)式如下：

汪素云［1］根據(jù)橢圓長、短軸聯(lián)合衰減模型給出了中國東部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，其關(guān)系式如下：

其中，Ia和Ib分別為長軸、短軸方向的烈度值，M為震級(jí)，R為震中距．

根據(jù)CHANDRA的美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系、鄭桐的美國西部地區(qū)基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系及汪素云的中國東部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，運(yùn)用“借用法”得到中國東部地區(qū)長軸和短軸的基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系，如表1和2所示，其表達(dá)式為

式中，Y為峰值加速度，M為震級(jí)，R為震中距．

本文結(jié)果（長軸）與俞言祥［5］的研究結(jié)果對(duì)比見圖2.由圖2可見，2組衰減關(guān)系曲線均較為平滑，無異常突起，曲線走勢(shì)相同，雖由于選取資料的不同得到的加速度結(jié)果有所差異，但總體相差不大，說明本文的研究結(jié)果可靠.

3 基巖加速度反應(yīng)譜的生成

本文選取臨沂地區(qū)作為研究對(duì)象，其位于郯廬斷裂帶上，郯廬斷裂帶具有地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜和地震頻發(fā)等特點(diǎn)，研究其基巖加速度反應(yīng)譜可為地震動(dòng)模擬和場地安評(píng)工作提供依據(jù).文中選定臨沂地區(qū)的場地經(jīng)緯度分別為E118.30°和N34.48°，通過研究其周邊的地質(zhì)構(gòu)造，確定需要分析的潛在震源區(qū)的資料，根據(jù)上節(jié)得到的基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系，可以生成該地區(qū)的基巖加速度反應(yīng)譜.我國的抗震設(shè)計(jì)總體思想：小震不壞、中震可修和大震不倒，分別生成選取場地處50 a超越概率為63%、10%和2%的基巖加速度反應(yīng)譜，見圖3.

表1 長軸地震動(dòng)的衰減關(guān)系Table 1 Values of long axis of attenuation relationship

表2 短軸地震動(dòng)的衰減關(guān)系Table 2 Values of short axis of attenuation relationship

4 結(jié) 語

本文根據(jù)美國NGA強(qiáng)地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫得到的美國西部地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系，研究了中國東部地區(qū)的基巖地震動(dòng)衰減規(guī)律和臨沂地區(qū)的基巖加速度反應(yīng)譜.通過以上的研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)比國內(nèi)外的美國西部地區(qū)烈度衰減關(guān)系的研究成果，選取了與中國第四代地震動(dòng)區(qū)劃圖中相同的CHANDRA的衰減關(guān)系.

圖2 衰減關(guān)系對(duì)比圖Fig.2 Comparison of attenuation relation curves

圖3 基巖加速度反應(yīng)譜Fig.3 Acceleration response spectra at base rock

（2）基于美國西部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系、基巖加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系以及中國東部地區(qū)的烈度衰減關(guān)系，提出了中國東部地區(qū)的基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系.

（3）基于提出的基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系，生成了臨沂地區(qū)的基巖加速度反應(yīng)譜，為該地區(qū)的抗震設(shè)防、城市防災(zāi)減災(zāi)及地震動(dòng)分析研究提供依據(jù).

本文采用的研究資料準(zhǔn)確性高，轉(zhuǎn)換得到的中國東部地區(qū)的衰減關(guān)系更接近實(shí)際情況，具有更高的可信度與實(shí)用性，研究成果可為東部地區(qū)地震危險(xiǎn)性分析、烈度區(qū)劃與地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃等方面奠定基礎(chǔ)；同時(shí)根據(jù)提出的中國東部地區(qū)基巖地震動(dòng)衰減關(guān)系，可以生成東部任意場點(diǎn)的基巖加速度反應(yīng).

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Study on acceleration response spectra based on ground motion attenuation relation at base rock in east China

TIAN Li1，GAI Xia1，TA0Jiu-qing2
（1.School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；
2.Shandong Institute of Earthquake Engineering，Jinan 250021，China）

The ground motion attenuation relationship in eastern China and the acceleration response spectra are studied in this paper.Firstly，the comparison of intensity attenuation relationships in western America is made and the reasonable relationship is selected.Then，according to the attenuation relationship of western America based on the NGA database and the intensity attenuation relationships of eastern China，the attenuation relationships in the east of China are determined.Lastly，the acceleration response spectra at base rock are generated in Linyi area.Based on the attenuation relationship，the acceleration response spectra can be generated at arbitrary sites.The acceleration response spectra obtained provide a basis for seismic analysis in Linyi area.

intensity attenuation relationship；attenuation relationship；eastern China；acceleration response spectra on the base rock；Linyi area

P 315.9

A

【責(zé)任編輯：陳 鋼】

1671-4229（2015）05-0044-05

2015－07－10；

2015－08－27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51578325）；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51208285）

田 利（1982－），男，副教授，博士.E-mail：tianli＠sdu.edu.cn