近海域地震動的時頻特征與工程特性

陳 蘇， 周 越， 李小軍,2， 傅 磊

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081； 2.北京工業大學 建工學院，北京 100124)

隨著我國沿海經濟的持續、快速發展以及近年來“21世紀海上絲綢之路”構想的提出，在海域及濱海地區大量近海交通工程以及海洋工程的規劃和建設步入高潮。我國海域已有100余座石油平臺設施，東海跨海大橋、杭州灣跨海大橋以及港珠澳大橋等重大近海工程建設并投入使用。然而我國位處太平洋地震帶以及地中海-喜馬拉雅地震帶之間，海域地區的地質構造活動非常活躍。我國海域地震往往發生于近海，比如渤海海域和南黃海海域強震集中且頻度高；泉州、南澳以及瓊州海域的地震呈現出強度高頻度低的特征[1-2]。近海工程遭受強震破壞是重要的工程問題，一旦發生破壞修復難度大，費用高，如1989 年Loma Prieta地震中 San Francisco-Oakland海灣大橋發生落梁破壞現象[3]，1995年Kobe地震中兩個人工島發生液化[4]。我國海洋戰略的實施和南海開發與工程建設的重大需求必然面臨著海域潛在地震的巨大威脅，保證相應工程結構地震安全已經成為社會和經濟發展的迫切需求。近海域地震動的時頻特征及工程特性研究是設計地震動確定的關鍵問題，也是近海與海洋工程結構抗震安全性評價的基礎性工作。

美國和日本是世界上已較為系統開展近海強震動觀測的國家，針對美國加州SEMS近海強震動記錄數據，Hommert和Sleefe等[5-6]指出豎向峰值加速度較相同震中距陸地地震動小，水平向峰值加速度則與相同震中距陸地地震動的相當。Boore等[7]得出海水對水平向地震動強度影響較小，豎向地震動短周期部分平均值較相應水平向小的結論。Smith等[8]認為一些近海強震動強度豎向衰減要比相似條件下陸地豎向地震動的衰減快很多。日本學者主要集中于通過數值模擬研究海水對地震動特性的影響。Hatayama[9]指出海水對瑞利波的傳播影響顯著，海水越深，能夠影響的瑞利波波長越長；Nakamura等[10]的研究結果表明海水和海底地形會影響近海海底臺站以及陸地臺站接收到的地震波形。我國胡進軍等[11]總結了全球現有近海海域海底地震觀測系統的發展進程與相應強震動記錄的研究現狀，周越等[12]運用小波方法分析了近海場地地震動記錄特性，Chen等[13-14]討論了海底地震動的彈塑性反應譜以及等延性強度折減系數譜。目前針對近海域地震動的研究工作多集中于在對地震波動理論分析的背景下結合數值模擬技術，利用有限的近海強震動記錄，進行近海地震動的模擬，研究海水、海底軟弱土層以及深海地形等因素對近海場地地震波的影響。而近海域地震動記錄本身作為一種非平穩和時變信號，受到了近海復雜的地震地質和工程地質環境的耦合影響，其地震動特性中蘊含有相應的工程特征信息和傳播規律。考慮到我國尚未對近海以及海洋工程制定專門的抗震設計規范，相應的工程抗震設計多參照陸域或國外的相關規定。本文期望通過對近海場地震動工程特性的分析，為近海與海洋工程的抗震設計地震動參數確定與海域地震區劃提供依據。

1 近海強地震動觀測及數據分析

1.1 近海強地震動觀測

美國是世界上最早部署近海域海底強震動儀的國家，其初衷是為了研究海底地震動特性進而為海洋石油以及鉆井平臺的抗震設計服務。20世紀70年代，美國設立了海底地震監測系統(Seafloor Earthquake Measurement System SEMS)計劃，主要是研制海底強震動儀并將其部署在南加州近海域石油平臺附近海底，目前在運行的是第四代SEMS。海底強震儀所在海水深度多為50～200 m，部署于典型淺海工程場址，其積累的數據可直接用于相應工程的抗震設計，同時也可為我國近海工程地震反應研究提供參考。日本為了實時監測相模灣海底及附近區域的地震活動和海嘯的相關情況，于 1996 年在東京都市圈南部的相模灣海底俯沖帶部署了地震海嘯監測系統(Earthquake and Tsunami Monitoring Cablc,ETMC)，包括 6 臺強震動儀、6 臺地震儀和 3 臺海嘯壓力傳感器[15]。6臺強震動儀編號分別為：KNG201-KNG 206，布設于水深為900 m到2 300 m的海底。美國及日本強震動臺站具體布設位置及場地水深參見圖1。鑒于目前我國僅臺灣地區建有一個海底強震動觀測臺，大陸地區近海域還未布設強震動儀。本文所使用到的近海域強震動數據篩選自SEMS和ETMC強震動觀測系統，如圖2所示。表1列出了所采用的2003～2014年間的8次不同地震事件的詳細信息。

(a) 美國SEMS臺站及場地水深分布

(b) 日本近海域場地強震觀測系統及水深分布圖1 美國及日本近海域場地強震觀測系統及水深分布(m)Fig.1 The offshore strong earthquake observationsystem andits depth in USA and Japan (m)

圖2 近海域地震動數據篩選與預處理Fig.2 Offshore site ground motion data screening and pretreatment

基本信息日期時間緯度經度震級震源深度/kmPGA/galKNG2012014/02/1104:14:0034.193N140.163EMs 5.391151.577KNG2022006/10/1406:38:0034.893N140.303EMs 5.164229.218KNG2032006/04/2102:50:0034.940N139.195EMs 5.8784.955KNG2042006/05/0218:24:0034.917N139.330EMs 5.115101.279KNG2052012/07/0311:31:0035.000N139.870EMs 5.288155.703KNG2062007/10/0102:21:0035.225N139.118EMs 4.914203.176CGS259022008/07/2911:42:1533.95N117.77EMw5.41599CGS269032003/12/2211:15:5635.71N121.10EML 6.512639

1.2 近海域強震動儀布設場地條件

鑒于SEMS與ETMC均沒有提供海底臺站的具體場地條件，只提到強震動儀是嵌入至海底幾米至幾十米深度處。通過查找有限的文獻資料，類比相關或者同類場地及地質信息推測強震動儀所在位置的場地條件。

Boore根據陸地強震動臺站的場地資料以及鉆孔數據推測SEMS近海臺站所在的加利福尼亞南部海域剪切波速Vs30約為220 m/s左右。鑒于中國與日本位于亞洲大陸東部、太平洋西緣，同屬環太平洋大陸邊緣的溝-弧-盆體系，地質構架類似，近些年我國在渤海海域石油平臺場址地震安評工作中積累的相應場地不同埋深、巖性的土動力學參數結果，可類比日本近海海底場地特性。中國渤海海域第四紀地層主要包括粉質黏土、粉砂質細砂、粉砂、砂質粉砂、淤泥質細砂、粉土(黏質粉砂)6類，推測該場地平均剪切波速建議值為220～280 m/s[16]。ETMC臺站多布設于由砂土、小型鵝卵石、碎石覆蓋的場地處，考慮到其周圍陸地臺站場地類型多為二類或者三類，而近海海底一般都覆蓋有深厚的淤泥質土與軟土沉積層，推斷ETMC系統所在場地的平均剪切波速應小于附近陸域場地平均剪切波速，參考渤海海域的場地剪切波速值，其平均值約為250 m/s。表明加州SEMS和日本ETMC觀測系統臺站所在具體場地條件類似。

2 近海強地震動時頻特征及工程特性

2.1 希爾伯特黃變換分析方法簡介

希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform, HHT) 時頻分析方法本質上是將原始信號從由高頻到低頻逐步篩選一系列固有模態函數，每個模態函數具有不同的頻率分辨率，包含了原始信號不同尺度的局部特征信息，進而計算出信號的瞬時頻率，瞬時振幅等瞬時屬性，得到信號的Hilbert譜。這一方法體系主要包括兩部分內容，第一部分為經驗模態分解(Empirical Mode Decomposition, EMD)，第二部分為Hilbert譜分析[17]，具體流程圖如圖3所示。

基于邊際譜的信號分析處理方法目前已成功應用在故障診斷、語音分析以及生物信號處理等領域[18]。信號的希爾伯特邊際譜是由希爾伯特譜對時間積分得到，可以理解為邊際譜中固定頻率f處的值是由希爾伯特譜中該頻率所對應所有時刻的幅值之和，即信號持時內頻率f處所含總能量。本文通過對近海強地震動數據進行HHT邊際譜分析，提取其能量分布特征。

圖3 HHT算法流程圖Fig.3 Flow diagram of HHT algorithm

2.2 近海場地地震動時頻特性分析

本文利用HHT方法進行時頻分析使用的數據來自加州CGS25902臺站收集到的ChinoHills地震動記錄、CGS26903臺站收集到的SanSimeon地震動記錄以及日本KNG 2020610140638臺站記錄。圖4給出了利用HHT方法得到的三次地震動記錄的時頻分析結果。圖4表明，ChinoHills以及SanSimeon地震事件水平向和豎向能量主要集中于0～4 Hz頻率段內，低頻以及超低頻成分較為豐富，能量高值主要集中在0～2 Hz頻段內，與邊際譜特征表現一致；KNG 2020610140638臺站記錄能量在頻域分布范圍相對更寬，水平向能量在0～5 Hz和5～10 Hz頻率段均勻分布，相較于其余近海域地震動，在20 Hz的高頻段內亦有明顯的豎向能量成分；地震動水平向能量強度普遍高于豎向三倍左右。

為了突出邊際譜的概率意義，將地震動邊際譜進行歸一化處理，具體結果如圖5所示。圖5中邊際譜結果更為直觀表現出了近海場地地震動記錄中低頻乃至超低頻成分能量比重高的特性，并可觀察到SanSimeon地震動水平向和豎向邊際譜曲線相似，呈現類似于脈沖式分布的特征；能量比高值聚焦于0～2 Hz內，于0.3 Hz處達到極大值，此峰值是其余地震動邊際譜峰值的2倍以上，而超過2 Hz的高頻段能量幾乎可以忽略不計。通過對SEMS Ⅳ計劃采集到的另外4條地震動加速度記錄進行相同的處理，發現Parkfield、Calexico地震動邊際譜都有與SanSimeon地震類似的結果，這三次地震的震中距較大，分別為126 km，137.4 km，443 km；震中距為49.4 km的Islavista地震事件的邊際譜特征與本文選取的震中距50 km范圍內KNG201-206地震動邊際譜結果類似。鑒于前文得出的SEMS和ETMC的布設臺站的具體場地情況類似的結論，推測近場范圍內震中距對地震動頻率能量的分布特征具有一定影響。

圖4 近海域地震動希爾伯特-黃變換時頻特征圖Fig.4 Hilbert-Huang transform time-frequency feature of offshore site ground motion

在時域范圍內，本文所采用的日本地區近海域地震動普遍在20～40 s將主要能量釋放完畢，加州地震動能量釋放過程在整個地震動持續時間內較日本更為均勻，在持時末端依舊會有相當量級的地震動作用。在時頻圖中可觀察到地震動能量隨著頻率的降低在整個地震動持時內趨于豐富，也表明近海域地震動中含有大量長周期成分。

為了直觀體現長周期段能量在頻域的分布情況，圖6統計了0～4 Hz、0～2 Hz、0～1 Hz各頻段能量占地震動整體能量的比例。可觀察到水平向地震動中，0～4 Hz范圍內能量比普遍在60%以上，部分達到了90%。0～2 Hz頻段能量占總能量的40%以上，ChinoHills以及SanSimeon地震事件中該頻率段能量占總能量的70%及以上，0～1 Hz頻段能量在總能量中比例也普遍達到了20%。豎向地震動中，0～4 Hz頻率段的能量比例較水平向的稍低，但0～2 Hz及0～1 Hz低頻范圍內能量比例普遍高于水平向，直觀表明近海場地地震動能量分布于低頻段的特征。

考慮到近海場地的工程地質條件中多有含水飽和軟弱土層以及淤泥質粘土，會對地震動高頻部分產生強抑制作用而對低頻部分有放大作用，且目前大量興建的海洋石油平臺、跨海隧道和橋梁工程的主體結構均具有自振周期較長的特點，例如江陰長江公路大橋第一自振周期為19.6 s(主跨1 385 m)，虎門大橋第一自振周期為11 s(主跨888 m)，楊浦大橋第一自振周期12.8 s(主跨602 m)，日本茨城縣鹿島基地的地上式油罐晃動周期為13.2 s，地下油罐(35.3萬千升) 晃動周期也長達10.6 s及部分海洋石油平臺的自振周期達到10 s以上[19]。因此，近海及跨海工程抗震設防應關注地震動的長周期特性影響，特別是遠場大震引起的深厚軟土層上的地震動對結構反應的控制性作用。

圖5 近海域地震動邊際譜特征Fig.5 Offshore ground motion’s spectrum feature

圖6 邊際譜能量分布特征Fig.6 Spectrum energy distribution feature

2.3 近海域地震動工程特性

針對目前興建較多的海洋石油平臺，近海橋梁等重大近海工程，本文收集了較為常用的抗震設防標準，包括GB17503—1998《海上平臺場址工程地質勘查規范》，美國石油協會API RP2A-WSD以及石油、天然氣及化工工程的行業標準等，規范列表見表2。

表2 現行工程結構抗震設防標準Tab.2 Current standards for seismic fortification of engineering structures

下文中選擇行業標準《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ116—2011)、國家標準《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)(見表3)以及地震安全性評價工作確定的渤海某油田的場地地震動參數[21]進行具體分析。

圖7給出了近海域地震動記錄反應譜動力系數β譜與規范標準反應譜及錦州渤海海洋石油平臺(JZ25-1WHPC平臺)場地地震動反應譜的β譜對比結果。可以看到，近海域地震動的動力放大系數β譜的峰值遠遠超過目前常用抗震設計規范所規定平臺值，最大可達到5.36。這說明我國常用抗震規范動力放大系數β值的取值2.25嚴重偏低、存在很大的風險，而美國、歐洲、新西蘭、臺灣等地震多發區多采用2.5。即使渤海海洋石油平臺場地參數采用βmax=2.5，其設計譜值也遠小于近海域地震動的β值。

圖8給出了近海域地震動記錄反應譜與錦州渤海海洋石油平臺(JZ25-1WHPC平臺)場地地震動反應譜，以及與已給定峰值加速度標定的規范設計反應譜的對比結果。分析中，錦州渤海海洋石油平臺(JZ25-1WHPC平臺)場地對應于地震重現期200年、1000年以及50年超越概率2%的地震動峰值加速度分別取值為0.07 g、0.13 g，0.18 g。而在利用《城市橋梁抗震設計規范》和《建筑抗震設計規范》的標準設計反應譜方面，設計基本地震加速度根據渤海海域地震動參數區劃圖[22]取0.15 g和0.20 g。由圖8可知，對于本文分析的中強震(震級4.9～6.5，見表1)，渤海海洋石油平臺，即便采取50年超越概率2%(水平設計基本加速度為0.18 g)的抗震設防水準，仍有2條近海域地震動反應譜峰值超過了場地反應譜平臺值；而采用《城市橋梁抗震設計規范》及《建筑抗震設計規范》標準譜以0.20 g作為水平地震加速度標定的地震動反應譜，基本上可以包絡本文選取的加州、日本地區的近海域地震動反應譜，而以PGA=0.15 g地震動輸入的反應譜，仍有1條近海域地震動反應譜峰值超過了場地反應譜平臺值。表明采用這兩類規范譜進行近海工程地震動設計，需要考慮采用足夠大的設計地震動峰值加速度，才能在中強震(震級4.9～6.5)環境下獲得對工程的抗震設計安全保障。

表3 選用抗震設計規范Tab.3 The selected seismic design specifications

圖7 不同抗震規范設計動力放大系數譜Fig.7 Dynamic amplification factor spectrum in different seismic standards

圖8 不同抗震規范設計反應譜Fig.8 Design spectra in different seismic standards

以上分析表明，與近海域地震動記錄反應譜相比，已有海域工程場地地震安全性評價結果的場地地震動反應譜和現行規范的標準反應譜在中長周期部分均存在偏低甚至嚴重偏小的情況。由于設計規范譜下降段控制著地震動長周期段的譜值，而近海域地震動具有豐富的長周期成份且該頻段內所占能量較高。因此，在近海及海洋工程抗震設計中需要更加關注設計地震動參數給出的中長周期、長周期段特性，提高抗震設計的安全性標準。

3 結 語

本文采用HHT方法提取收集到的近海域地震動時頻分布特性，分析近海域地震動反應譜，并與我國相關抗震設計規范進行對比。希望通過對有限的近海場地地震動記錄研究，為近海以及海洋工程結構和設施的設計地震動參數提供參考。得到的結論如下：

(1)對有限的近海場地強地震動記錄采用HHT方法進行時頻分析，結果表明強震動記錄中含有大量長周期成分，能量主要集中于長周期與超長周期段內(0.5 s以上)；震中距對地震動頻域能量分布特征具有一定影響；豎向分量強度明顯小于水平向，加州近海域地震動在整個地震持續時間內的能量釋放過程較日本更為均勻。

(2)根據本文選取的近海強震記錄研究、對比了近海域地震動動力放大系數與常用抗震設計規范標準，表明近海域地震動動力放大系數β值遠超目前常用抗震設計規范所規定平臺值。針對近海工程，采用現有陸域設計地震動參數存在一定地危險性，針對近海域復雜地震地質情況下地震動特征需要進行專門系統性的研究。

4 討論與展望

近年來，抗震設計中對地震動長周期成分關注不斷增加，建筑抗震設計規范反應譜的周期上限從1989年的3 s延長到現在的6 s。同時相關研究表明地震動峰值加速度主要反映地震動的高頻特征，峰值速度與地震動中頻特性相關，峰值位移與地震動的長周期部分有關。有學者提出使用寬頻帶地震記錄研究長周期地震動的方法[23]。因此，在相應的近海與海洋工程地震問題中是否需要考慮地震動的寬頻帶特征有待進一步研究、探討。

鑒于《建筑抗震設計規范》及《城市橋梁抗震設計規范》其設計地震動參數主要是依據內陸的地震危險性分析統計得到，但不同抗震設防規范譜考慮不同地震動特征得到的設計地震動參數會具有較大的差異性。目前我國近海與海洋工程抗震設防多參照陸地地震危險性資料，而近海地震動與陸域地震動不論是在震源機制、傳播介質還是場地條件等影響因素上均有很大的不同。采用不同設計地震動參數得到的反應譜與實際地震動反應譜的結果表明，單純套用內陸工程場地抗震設計規范可能會導致對地震動強度的誤判，因此需要進一步開展對近海域地震動記錄的收集與分析工作，為開展近海與海洋工程的抗震標準工作積累基礎資料。