郭曉云

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

汶川地震反應(yīng)譜研究

郭曉云

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

20世紀(jì)30年代M.A.Biot提出反應(yīng)譜理論，至20世紀(jì)50年代G.W.Housner給出第一條抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。從此，反應(yīng)譜方法在世界范圍內(nèi)被廣泛接受，這也標(biāo)志著地震工程學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了反應(yīng)譜理論階段，工程界對(duì)反應(yīng)譜的研究也一直持續(xù)到今天。目前，世界上多數(shù)國(guó)家均采用抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為抗震設(shè)計(jì)中確定地震動(dòng)輸入的主要依據(jù)。通常，歸一化的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜其形狀由幾個(gè)特征參數(shù)確定，其中最重要的是反應(yīng)譜平臺(tái)值和特征周期，反應(yīng)譜的研究中大量的工作是如何科學(xué)地確定這兩個(gè)特征參數(shù)。場(chǎng)地條件是影響反應(yīng)譜特征參數(shù)的重要因素，但我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范只考慮了場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜特征周期的影響而沒(méi)有考慮場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)值的影響，其重要原因之一是缺少有場(chǎng)地條件的強(qiáng)震記錄。

2008年5月12日14時(shí)28分，我國(guó)四川省汶川縣附近發(fā)生了里氏8.0級(jí)特大地震，此次地震是新中國(guó)成立以來(lái)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、救災(zāi)難度最大的一次地震災(zāi)害，給我國(guó)人民帶來(lái)了巨大的災(zāi)難?！笆濉逼陂g，中國(guó)地震局在南北地震帶上布設(shè)了大量的強(qiáng)震臺(tái)，這些強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)在汶川特大地震中獲得了豐富的高質(zhì)量強(qiáng)震記錄，并且很多強(qiáng)震記錄具有詳細(xì)的場(chǎng)地條件資料，這為我們研究反應(yīng)譜和場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜特征參數(shù)的影響提供了重要的基礎(chǔ)資料。本文全面系統(tǒng)地歸納、總結(jié)和評(píng)述了當(dāng)前本領(lǐng)域的前沿成果和相關(guān)文獻(xiàn)，在系統(tǒng)整理汶川地震強(qiáng)震資料的基礎(chǔ)上，對(duì)汶川特大地震的加速度反應(yīng)譜及其特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，深入研究了抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的標(biāo)定方法，探索反應(yīng)譜特征參數(shù)與場(chǎng)地條件等因素之間的關(guān)系，開(kāi)展了如下研究工作：

（1）全面收集和整理了汶川特大地震的強(qiáng)震記錄，收集了川、陜、甘三省的158個(gè)非基巖臺(tái)站和16個(gè)基巖臺(tái)站的強(qiáng)震記錄、臺(tái)址場(chǎng)地條件和地理位置等詳細(xì)資料。對(duì)強(qiáng)震記錄進(jìn)行了整理，計(jì)算了每條強(qiáng)震記錄的峰值加速度和修正后的峰值速度。

（2）研究并提出了反應(yīng)譜新的標(biāo)定方法。反應(yīng)譜的標(biāo)定方法直接關(guān)系到反應(yīng)譜特征參數(shù)的確定，本文在綜述各種反應(yīng)譜標(biāo)定方法的基礎(chǔ)上，提出了基于坐標(biāo)變換的最小二乘法分段擬合方法，并通過(guò)對(duì)比不同反應(yīng)譜標(biāo)定方法，指出最小二乘法分段擬合方法是簡(jiǎn)便且合理的反應(yīng)譜標(biāo)定方法。采用此方法對(duì)汶川特大地震強(qiáng)震記錄的反應(yīng)譜進(jìn)行了標(biāo)定并獲取了每條反應(yīng)譜的特征參數(shù)。

（3）研究了場(chǎng)地條件和斷層距對(duì)反應(yīng)譜特征參數(shù)的影響。加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值表征了地震動(dòng)的強(qiáng)度特性，該參數(shù)與多種影響因素有關(guān)。本文統(tǒng)計(jì)分析了不同場(chǎng)地條件和斷層距區(qū)間內(nèi)的加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值，指出場(chǎng)地條件對(duì)加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值有較大影響，隨著場(chǎng)地變軟，加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值增大，并采用不同的分組方法計(jì)算了加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值的場(chǎng)地影響系數(shù)。

（4）研究了汶川地震強(qiáng)地震動(dòng)的頻譜特征。反應(yīng)譜特征周期表征了地震動(dòng)的頻譜特性，本文通過(guò)對(duì)反應(yīng)譜特征周期、加速度反應(yīng)譜卓越周期和平滑化加速度反應(yīng)譜卓越周期與場(chǎng)地類(lèi)別、斷層距離之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析，得到這3種頻譜周期均隨場(chǎng)地變軟而增大，隨著斷層距離增加而增大。本文還擬合了加速度反應(yīng)譜卓越周期和平滑化卓越周期與加速度反應(yīng)譜特征周期之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

（5）研究了汶川地震豎向地震動(dòng)反應(yīng)譜。計(jì)算近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的豎向與水平（V／H）加速度反應(yīng)譜比，對(duì)其表現(xiàn)出的不同特點(diǎn)和影響因素進(jìn)行分析，指出近場(chǎng)V／H加速度反應(yīng)譜比值明顯受到上盤(pán)效應(yīng)的影響，短周期上盤(pán)V／H反應(yīng)譜比值大于下盤(pán)V／H反應(yīng)譜比值，長(zhǎng)周期下盤(pán)V／H反應(yīng)譜比值大于上盤(pán)V／H譜比值。遠(yuǎn)場(chǎng)短周期段和長(zhǎng)周期段的V／H反應(yīng)譜比值均隨著場(chǎng)地變軟而減小，也隨著斷層距離增加而減小。

（6）研究了場(chǎng)地條件和斷層距離對(duì)豎向加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值和特征周期的影響。研究得出，相同條件的豎向加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值小于水平加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值。計(jì)算了豎向加速度反應(yīng)譜平臺(tái)值的場(chǎng)地影響系數(shù)。研究結(jié)果表明，近場(chǎng)豎向加速度反應(yīng)譜特征周期略小于水平加速度反應(yīng)譜特征周期，遠(yuǎn)場(chǎng)豎向加速度反應(yīng)譜特征周期略大于水平加速度反應(yīng)譜特征周期。

世界上的任何災(zāi)難無(wú)不以人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步為補(bǔ)償。汶川特大地震給我們帶來(lái)了巨大的災(zāi)難，災(zāi)區(qū)人民蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。但是汶川特大地震也為我們提供了極為豐富的地震資料，為我們研究地震災(zāi)害提供了平臺(tái)。總結(jié)和研究汶川特大地震的震害，深入研究強(qiáng)地震動(dòng)的特征，對(duì)提高抗震能力具有重要的意義。本文的結(jié)論只來(lái)源于對(duì)汶川特大地震強(qiáng)震資料的詳細(xì)研究，有些結(jié)果可能與我們通常的認(rèn)知不一致?？茖W(xué)是一種探索，探索就會(huì)有失誤，不足之處請(qǐng)批評(píng)指正。

汶川地震；強(qiáng)震記錄；反應(yīng)譜特征參數(shù)；場(chǎng)地條件；豎向反應(yīng)譜

（作者電子信箱，郭曉云：guoxyun2005＠163.com）

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10.3969／j.issn.0235-4975.2012.04.014