基于強震記錄不同波動成份的HVSR譜比結果差異性研究

張鶴翔　李紅光

摘要：使用6個強震臺站記錄的2008年汶川8.0級地震強震記錄，通過對比強震記錄中各波動成份的HVSR譜比結果，分析了各波動成份對場地地震效應分析結果的影響;根據各波動成份的水平向和垂直向傅里葉譜結果，初步解釋了各波動成份HVSR譜比結果不同的原因，并指出了HVSR譜比方法在強震記錄和地脈動記錄中應用的區別和聯系。結果表明：強震記錄中由于包含了震源特性和路徑信息，故其HVSR譜比結果與地脈動的結果有明顯的區別，建議在使用強震記錄進行HVSR譜比分析場地地震效應時，盡量使用全波波形進行譜比研究。

關鍵詞：場地地震效應;HVSR譜比方法;波動成份;強震記錄;汶川地震

中圖分類號：P315.914?文獻標志碼：A?文章編號：1000-0666（2019）04-0555-07

0?引言

地震災害調查結果和理論研究表明：局部工程場地條件對地震動特性有顯著的影響（主要是對地震動峰值和頻譜的放大或者縮小），從而直接影響到地震災害的嚴重程度（Borcherdt，1970;Field，1996）。近年來國內外大地震都證實了位置相鄰但場地條件不同的工程場地上的震害差異極其明顯，研究工程場地在地震尤其是大震作用下的反應特征，進而對建筑物進行有針對性地抗震設計是目前地震工程界的一個重要研究方向（胡聿賢等，1980）。隨著強震臺陣的大量布設，強震記錄數量急劇增加，使用強震記錄進行場地效應研究成為了可能（Lermo，Chávez-García，1993;Field，Jacob，1995;魏勇等，2018;李世成等，2017）。

國外眾多學者對強震動記錄中不同波動成份的HVSR譜比曲線進行了對比：Nakamura（1989）最早提出使用地脈動記錄的水平與垂向分量做譜比，得到場地卓越周期，此結果與S波計算的結果一致;不僅卓越周期相近，許多學者研究認為二者結果在幅值大小上也很接近（Lermo，Chavez-Garcia，1994;Zhao?et?al，1997）;Tokimatsu和Miyadera（1992）認為由于地脈動主要成份是面波，HVSR譜比方法得到的結果與瑞利波的結果一致，與S波的結果不一致;Field和Jacob（1995）研究認為雖然二者在卓越周期上很相似，但在波峰的幅值高度上差距很大;?Toshimi?等（2001）對同一臺站的地脈動、S波、P波和尾波進行了對比，發現P波與地脈動的結果相差較大，S波與地脈動相近，而P波的尾波和S波的尾波都接近地脈動的結果。

由于地脈動振幅較小、頻率偏低，散射理論可以較好地解釋地脈動等微震的HVSR譜比結果，但對于強震記錄卻沒有給出較明確的解釋（Sanchez-Sesma?et?al，2011;Kawase?et?al，2011）。由于地脈動等微震動無法體現土體在強震下的非線性反應、高頻段的振動反應，而地表破壞均是由強震動引起的，故使用強震數據進行場地地震效應分析更具有現實意義。

強震動記錄較地脈動復雜的多，包含不同的波動成份，不同學者使用強震記錄時使用了不同的振動時段（Nagashima?et?al，2014;榮棉水等，2016;Caserta?et?al，2013）。那么在進行HVSR譜比計算時，各個波動成份是否能得出較一致的結果，哪個能更好地反映出場地特征是本文的研究內容。

1?強震記錄和前期處理

汶川8.0級地震伴隨有若干次不同震級的強余震，國家強震動臺網中心獲得了大量強震記錄，共有19個省（市、自治區）的420個強震臺站記錄到了主震的強震動，這些記錄為強震研究提供了非常好的基礎資料（Li?et?al，2008）。本文使用蒼溪氣象局強震臺等6個臺站記錄到的2008年汶川8.0級地震強震記錄，臺站信息和記錄信息見表1。為了說明本次研究對不同波動成份的劃分，以蒼溪氣象局強震臺站的記錄作為例子，如圖1所示：在地震波未到的0～15?s近似為地脈動成份;地震波初至至S波到達可看作P波振動成份;S波結束直至整個記錄末尾作為尾波振動成份（主要為各種波的折射、反射、散射等成份）。

在進行HVSR譜比前，要對強震記錄進行帶通濾波、基線校正等預處理（章文波等，2001;周寶峰，2012），本文使用的帶通濾波器通帶范圍為0.1～30?Hz;在計算HVSR譜比后，采用頻率對數軸等間距的譜平滑方法（Konno，Ohmachi，1998）對譜比曲線進行譜平滑。

2?各震相HVSR譜比分析

從圖1可以看出，強震記錄包含了多種振動成份，為了研究各波動成份HVSR譜比結果的異同，分別對各波動成份進行了截取，然后分別對其進行HVSR譜比計算，結果如圖2所示。

從圖2中看出5種波動成份對比結果各不相同：全波和S波窗口的結果最為相似，從0.1～30?Hz兩者基本完全吻合，僅在中段部分在峰值高度上存在細小的區別;尾波的結果與前兩者相差不大，尤其是與S波的結果最為相近，區別是在峰值對應的頻率有所不同，峰值高度相差不大;地脈動和P波的結果與前3種震相結果相差很大，在低頻段（1～9?Hz）峰值對應的頻率與前3者一致，但峰值高度相差甚遠，在頻率大于20?Hz后，地脈動的譜比結果趨近于1，而其他4種數據的結果在高頻段存在很大幅度的變化，結果不趨近于1，這個結果也與盧滔等（2006）結果一致;P波的譜比結果在頻率0.1～1?Hz時遠低于其他的結果，隨著頻率的增加，差距越來越小。

6個臺站中只有新津梨花臺站的場地類別為基巖，由圖2可見，其記錄與其他5個臺站差異較大：在低頻段，新津梨花臺站記錄的HVSR譜比結果波峰不明顯，相對較平緩，值得說明的是，新津梨花臺站記錄5種不同波動成份HVSR結果之間的異同與其他5個臺站基本吻合。

3?滑動窗口方法分析

強震記錄中各段波動成份的HVSR譜比結果存在一定的異同，為了進一步研究強震記錄中各波動成份的譜比結果變化趨勢，利用滑動時間窗口方法對強震記錄中各個時間段地震波進行HVSR譜比計算，以分析HVSR譜比結果隨時間變化的趨勢，結果見圖3（圖3，4均為蒼溪氣象局臺站的記錄結果，其他臺站的強震記錄結果相似）。

使用窗口寬度10?s、步長10?s的滑動窗口，對強震記錄的0～300?s段進行移動的HVSR譜比分析，可以大致分成3個階段：第一階段是P波到來前，地震波中的主要成份為地脈動噪聲，HVSR譜比結果表現為地脈動噪聲的譜比特性，能夠較好地反映場地特征;第二階段為P波到來后S波到來前，震相主要為P波，這時的HVSR譜比與地脈動和S波的結果都有較大的區別，低頻處（2?Hz附近）對應的峰值消失了，只有5～7?Hz處有對應的峰值，且峰值高度明顯變低;第三階段是S波到來后，HVSR譜比結果變化不大（包括峰值高度和對應的頻率），這與第二節的結果是一致的。在時間段50～120?s范圍內，HVSR譜比結果中峰值對應的頻率有向左移動的趨勢，在120?s后這個趨勢回歸正常，這應該與土體遭遇大的地震動時產生了非線性反應有關。

4?結果分析與討論

對強震記錄中各波動成份的HVSR譜比結果進行對比發現：強震記錄中每個波動成份的HVSR譜比都能體現場地的特征周期，但它們之間存在較大的差別。全波、S波和尾波3種波動成份的HVSR譜比結果在0.1～30?Hz頻段內非常相近，不論峰值對應的頻率還是幅值都比較一致，尾波由于振幅較小，未引起土體的非線性反應，峰值對應的特征頻率較其他2種略高，頻率大于30?Hz后，全波的譜比結果與其他2種出現了不同;地脈動的結果在低頻段（小于10?Hz）與上述3種波動成份在特征頻率上能得到較一致的結果，但在峰值高度上差距較大，在高頻段地脈動的結果在1附近上下波動;P波震相的結果在中段（1～9?Hz）與地脈動結果較接近，低頻段譜比值特別低，僅為0.1，隨著頻率增加，譜比值逐漸增加，在高頻段，譜比值也小于1。

全波的HVSR譜比公式為：

式中：H表示水平;V表示垂直;M表示地脈動;P表示P波;下標S表示S波;W表示尾波。

為了比較各波動成份的譜比結果，分別計算了各波動成份水平向和垂直向的傅里葉譜（圖4）。

由圖4可以看出，S波的水平向和垂直向傅里葉譜值與全波的值基本相同，在0.1～40?Hz頻率段，S波攜帶的能量遠高于其他幾種震相的能量，在式（1）中，若SHS遠大于SHP，SHM和SHW，且SVS遠大于SVP，SVM和SVW，則：

也就是說在進行HVSR譜比分析時，使用全波與S波相差不大（甚高頻除外）。

尾波的水平向和垂直向傅里葉譜值基本與S波平行，只是小了一個數量級。P波的傅里葉譜值與前面三者不同，在低頻段，垂直向的傅里葉譜值大于水平向，隨著頻率的增加，水平向的傅里葉譜值慢慢追上垂直向，到了高頻段，又出現了反轉。地脈動的傅里葉譜值趨勢與P波相近，只是水平向和垂直向的傅里葉譜比值較P波的結果小得多，小于0.3?Hz和大于20?Hz時兩者比值接近1。

地震波在傳播過程中由于介質的各向異性產生了散射，這些散射波是強震記錄中尾波的主要組成部分（Aki，Chouet，1975）。地脈動（背景噪聲）也可以看做是各種震動在地球介質中散射形成的，但從以上結論來看，地脈動和尾波的HVSR譜比結果有較大的區別。

已有研究結果表明，強震記錄在基巖處并不滿足NaKamura的假設（盧滔等，2006;Sato，1982）。李紅光和冷崴（2019）研究發現震源、震中距和方位角對HVSR譜比結果影響很大。由于強震動記錄中包含了震源信息、傳播路徑和方向信息，以致強震記錄的HVSR譜比結果也包含了這些信息，這可能是強震記錄與地脈動記錄得出不同結果的根本原因。

NaKamura（1989）研究發現在低頻段地表土層對垂直向分量基本不放大，而水平向分量會被放大。但隨著頻率的增加，土層對垂向分量的放大倍數會慢慢超過對水平向的放大倍數。根據射線理論，基巖處地震波入射會存在一個角度，垂直分量與水平分量按照入射角進行能量分解，由于P波和S波的振動方向互相垂直，以致在不同方向分量記錄到的P波或S波分量存在不同，這與地震波的入射角有關。

5?結論

本文對汶川強震記錄中的地脈動、P波、S波和尾波波動成份分別進行HVSR譜比分析，對各個波動成份的結果進行對比，得到以下結論：

（1）在對強震記錄進行HVSR譜比分析時，全波和S波窗口結果相近，近震時由于P波和S波窗口重合嚴重，建議使用全波記錄進行HVSR譜比研究。

（2）地脈動和P波波動成份得到的結果與全波、S波和尾波不同，主要表現在峰值高度上。這些差別可能是由震源特性和傳播路徑引起的，在進行HVSR譜比計算時，應適當考慮震源特性和路徑信息。

（3）尾波雖然也是由于地震波的散射造成的，但它與地脈動有本質的區別，兩者在進行HVSR譜比分析時可能得出不同的結果。

本文研究成果是基于汶川8.0級地震的強震記錄完成的，由于此數據是大震中遠場記錄，故研究結論不一定適用于近場地震的強震記錄，相關問題還需在今后的研究中進行分析對比。

感謝中國地震局工程力學研究所“國家強震動臺網中心”為本研究提供數據支持和技術支持。

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Study?on?Discrepancy?of?HVSR?Spectrum?Ratios?of?Different?Seismic?PhaseComponents?Based?on?Different?Strong?Motion?Records

ZHANG?Hexiang1，LI?Hongguang2

（1.Foundation?Department?Institute?of?Disaster?Prevention，China?Earthquake?Administration，Sanhe?065201，Hebei，China）

（2.Engineering?Department?National?Earthquake?Response?Support?Service，Beijing?100049，Hebei，China）

Abstract

Based?on?the?earthquake?records?of?the?2008?M8.0?Wenchuan?earthquake?recorded?by?six?strong?motion?stations，we?compare?and?analyze?their?HVSR?spectral?ratio?results，and?study?on?the?effects?of?HVSR?spectral?ratio?method?in?analysis?site-effects?with?each?seismic?phase?of?the?strong?motion?records.According?to?the?horizontal?and?vertical?Fourier?spectrum?of?each?seismic?phase，we?try?to?explain?the?difference?and?relationship?between?the?strong?motion?records?and?microtremor?records?who?using?the?HVSR?spectral?ratio?method?to?analyze?the?site-effects.Finally，we?give?some?suggestions?in?the?use?of?strong?earthquake?records?with?the?method?of?the?HVSR?spectral?ratio.The?results?show?that，due?to?the?inclusion?of?the?source?characteristics?and?path?information，the?HVSR?spectral?ratio?results?of?strong?motion?records?and?microtremor?results?have?obvious?differences，so?when?using?the?HVSR?spectral?ratio?in?analysis?of?site-effects?caused?by?strong?motion?records，It?is?suggested?that?the?full-wave?recording?of?the?strong?motron?rewrds?be?sued?to?study?HVSR?spetral?ratio.

Keywords：Site-effects;Horizontal-to-Vertical?Spectral?Ratio;seismic?phase;Strong?Motion?Records;Wenchuan?earthquake