聞 銳，陳 立

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海200434)

基于NGA-BSSA13地震動衰減模型的主余震序列構(gòu)造方法

聞 銳，陳 立

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海200434)

地震的發(fā)生都伴隨著主震、余震或震群的地震序列，因此考慮主余震序列地震動能夠更加合理地反映工程的抗震能力。參照已有的相關(guān)研究成果，考慮震級、震距、發(fā)震機(jī)制、發(fā)震構(gòu)造類型、局部場地條件、盆地效應(yīng)、上盤效應(yīng)等各類影響因素，基于NGA-WEST2-BSSA13地震動衰減模型，建立了主余震序列地震動參數(shù)構(gòu)造方法。

地震動參數(shù)；衰減模型；主余震序列；NGA-WEST2；BSSA13

0 引 言

地震的發(fā)生并不是一個單獨的強(qiáng)震過程，往往都伴隨著主震、余震或震群的地震序列。近年的汶川、玉樹強(qiáng)震也記錄了大量余震序列數(shù)據(jù)，并且強(qiáng)余震的強(qiáng)度與頻次均很高[1-2]。大量震害表明，一些在主震已經(jīng)受到損傷的結(jié)構(gòu)，在余震作用下會產(chǎn)生二次損傷，引起了越來越多的學(xué)者的關(guān)注。然而，目前在現(xiàn)行地震危險性分析中，僅考慮單次主震的作用，并沒有考慮到主余震序列作用對結(jié)構(gòu)的影響。因此，綜合考慮主震及其強(qiáng)余震對工程場地的作用，能夠使抗震設(shè)計更為安全、合理。

在合成地震動序列工作中，當(dāng)現(xiàn)有地震動資料不足時，選擇和使用能充分反映地震相關(guān)因素的地震動衰減模型是十分重要的環(huán)節(jié)[3]。雖然我國學(xué)者針對地震動衰減關(guān)系做了大量的研究工作，但目前還缺乏一個公認(rèn)而穩(wěn)定的地震動衰減模型。本文在前人研究成果之上，考慮震級、震距、發(fā)震機(jī)制、發(fā)震構(gòu)造類型、局部場地條件、盆地效應(yīng)、上盤效應(yīng)等各類影響因素，基于NGA-WEST2-BSSA13地震動衰減模型，建立了主余震序列地震動參數(shù)構(gòu)造方法。

1 主余震序列地震動合成方法

主余震序列包括主震的地震動記錄與余震的地震動記錄，由于主余震序列的數(shù)據(jù)較少，學(xué)者們一般通過主震與余震的震級及烈度表征其之間的關(guān)系。

目前，大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計都是以地震烈度和場地類別為基礎(chǔ)的，現(xiàn)行抗震規(guī)范均以地震烈度作為我國抗震設(shè)防的主要依據(jù)。本文以主震烈度為基礎(chǔ)，通過烈度-震級統(tǒng)計關(guān)系，得到相應(yīng)的主余震震級。結(jié)合實際工程場地的震中距、場地條件等因素，選擇合適的地震動衰減關(guān)系，求出相應(yīng)的主余震的地震動參數(shù)，包括地震動峰值加速度PGA、加速度反應(yīng)譜PSA或地震峰值速度PGV?；谒傻牡卣鸱磻?yīng)譜，采用通用的地震波合成方法，可以擬合出相應(yīng)的主余震地震動時程序列。主余震序列地震動構(gòu)造流程見圖1。

圖1 主余震序列地震動構(gòu)造流程

許多學(xué)者針對烈度-震級、主震-余震問題進(jìn)行了大量研究，得到一系列可靠的研究成果，如文獻(xiàn)[4- 8]，在地震分析中可根據(jù)區(qū)域場地不同，得到相應(yīng)的震級等參數(shù)。

表1 BSSA13模型適用范圍

2 地震動衰減模型

在確定烈度、震級等參數(shù)后，地震動衰減模型是地震動序列構(gòu)造中最重要的部分，選擇的地震動衰減關(guān)系要能充分反映震源、傳播途徑以及場地條件等因素。

2.1 NGA-WEST項目

2003年，太平洋地震工程研究中心(PEER)發(fā)起了一項大型研究項目——美國下一代衰減關(guān)系計劃(Next Generation Attenuation，NGA)。NGA-WEST項目旨在針對美國西部淺源地震條件，預(yù)測新一代的地震動衰減關(guān)系。其中，NGA-WEST1項目在2008年完成，提出了Abrahamson和Sliva、Boore和Atkinson、Campbell和Bozorgnia、Chiou和Youngs、Idriss等模型(分別簡稱為AS08、BA08、CB08、CY08、I08)。NGA-WEST2于2010年啟動，旨在改進(jìn)與修正NGA-WEST1中的研究成果，并于2013年完成。雖然NGA衰減關(guān)系針對于美國西部淺源地震情況，但中國大陸和美國大陸在構(gòu)造環(huán)境、地殼組成、現(xiàn)代應(yīng)力狀態(tài)、地震成因與地震活動特點等方面均具有一定的相似性，2個地區(qū)地震記錄相互借用有一定的理論基礎(chǔ)[9-10]，地震動衰減關(guān)系也有相應(yīng)的類比性。

2.2 BSSA13模型

NGA-WEST2-BSSA13模型選用超過21 000條地震記錄中的16 000多條作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含了更多更新的全球地震動數(shù)據(jù)，汶川余震一些數(shù)據(jù)也被收集，選用的回歸方法與理念近似于NGA-WEST1模型中BA08模型[11-12]。BSSA13模型能夠針對廣泛的震級、震距以及場地條件范圍內(nèi)，更加明確地描述地殼活動區(qū)淺層地震的地震動參數(shù)，能夠更好地模擬震級M<6的地震運動[13]，特別是對于震距在20 km 范圍內(nèi)，適用于地殼運動活躍的地區(qū)。由于該模型無法分別出主震與余震的主要區(qū)別，因而認(rèn)為地震動衰減方式均適用于這2種地震。

BSSA13模型的預(yù)測變量包括矩震級M、Joyner-Boore 斷層距RJB(定義為場地到斷層在地面投影的距離)、地面以下30 m處平均剪切波速VS30。次要參數(shù)包括斷層破裂深度Ztor，盆地深度z1。此外，模型考慮斷層類型影響，以走滑斷層、正斷層、逆斷層或者斷層類型不確定加以區(qū)分。BSSA13模型的適用范圍見表1。

BSSA13模型的地震動衰減關(guān)系的基礎(chǔ)方程表示為

lnY=FE(M，mesh)+FP，B(RJB，M)+
FS，B(VS30，RJB，M)+εnσ(M，VS30，RJB)

(1)

式中，Y為所要預(yù)測的地震動參數(shù)；FE、FP，B、FS，B分別表示震級項、路徑項、場地條件項；mesh為發(fā)震斷層類型；εn表示預(yù)測lnY與平均lnY的標(biāo)準(zhǔn)偏差比(如εn=-1.5代表了低于平均值1.5倍的標(biāo)準(zhǔn)差)；σ表示模型的總體標(biāo)準(zhǔn)偏差。

總體標(biāo)準(zhǔn)偏差σ由內(nèi)部項φ(M，VS30，RJB)和相互項τ(M)組成，可以表示為

(2)

震級項函數(shù)FE(M，mesh)表示為

(3)

式中，SS、NS、RS、U分別代表走滑斷層、正斷層、逆斷層、斷層類型不確定或不加以區(qū)分?jǐn)鄬宇愋停瑢τ跀鄬拥呐袛啻_定選用1，不確定選用0；e0～e6為震級相關(guān)參數(shù)，通過回歸分析得到；Mh為鉸接震級，在分析時設(shè)定，與BA08模型不同，與周期相關(guān)。

路徑函數(shù)FP，B(RJB，M)可表示為

FP，B(RJB，M)=[c1+c2(M-Mref)]ln(R/Rref)
+c3(R-Rref)

(4)

場地對地震動的影響有2個附加項(與Vs30和場地的非線性特征相關(guān))組成，相對應(yīng)的場地影響函數(shù)FS，B可以表示為

FS，B=ln(Flin)+ln(Fnl)

(5)

式中，F(xiàn)lin為場地線性放大項，由VS30決定；Fnl為場地非線性放大項，由VS30和特定的參考速度決定(設(shè)定一個特定的參考速度Vref=760 m/s)。

模型線性項Flin表示地震動在線性土壤反應(yīng)條件下隨VS30的變化，可表示為

(6)

式中，Vc是一個限制速度，Vref設(shè)定為760 m/s；參數(shù)c與Vc均與周期相關(guān)，而參數(shù)c在長周期下可能還與地域相關(guān)。

非線性項Fnl調(diào)整場地的線性放大，從而使得強(qiáng)震水平下放大降低。在較低的相對峰值加速度PGAr下，F(xiàn)nl相對于線性項不會產(chǎn)生變化，可表示為

(7)

式中，f1、f2和f3為模型相應(yīng)參數(shù)；PGAr為所要預(yù)測的PGA的一個初始估計，是相對于巖石的平均峰值水平向加速度，考慮地震震級與震中距，通過基本衰減公式求出。令f1=0，使PGAr<

f2=f4[exp{f5(min(VS30，760)-360)}-exp{f5(760-360)}]

(8)

式中，功能項f2與Chiou和Youngs[14]的表達(dá)一致。

為了應(yīng)用場地放大函數(shù)，首先必須先估計出PGAr，選擇合適的震級與震中距，對應(yīng)于Vref=760 m/s，利用式(1)可估計出PGAr的值。

在基本模型的基礎(chǔ)上，當(dāng)考慮區(qū)域傳播的滯彈性衰減以及盆地深度時，主衰減方程可以表示為

lnY=FE(M，mesh)+FP(RJB，M，region)+FS(VS30，RJB，M，z1)+εnσ(M，VS30，RJB)

(9)

FP(RJB，M，region)=FP，B(RJB，M)+Δc3(R-Rref)

(10)

FS(Vs30，M，RJB，z1)=FS，B(Vs30，M，RJB)+Fδz1(δz1)

(11)

式中，F(xiàn)δz1是對由地震動下盆地深度效應(yīng)產(chǎn)生的調(diào)整，可表示為

(12)

式中，f6、f7為模型相應(yīng)參數(shù)；調(diào)整項Fδz1是一個可選項，對于許多工程實際來說，z1是未知的，因而建議δz1=0，則Fδz1=0。公式中所提及的參數(shù)可參考文獻(xiàn)[15]。

3 主余震地震序列構(gòu)造算例

設(shè)定西南地區(qū)某工程場地代表強(qiáng)烈主震震級為7.5，進(jìn)行主余震地震動參數(shù)的構(gòu)造。依照本文的構(gòu)造流程，通過式(5)計算可得對應(yīng)的主震-余震震級為7.5- 6.45。繼而在BSSA13模型中，不考慮不確定條件，在Vs30為1 000、750、500 m/s和50 m/s等4種場地下，分別選取10、15、20、30 km和50 km斷層距計算其對應(yīng)的場地PGA和PSA。

表2給出了不同場地與斷層距條件下的主余震PGA比較。從表2可以看出，隨著地震震距的擴(kuò)大，不同場地條件下的PGA都相應(yīng)衰減，而堅硬場地(Vs30較高)PGA隨震距擴(kuò)大的衰減更為明顯。隨著場地Vs30的降低，場地PGA會有明顯增加。但在距震中較近的條件下，軟土場地(Vs30較低)不會對PGA過分放大。

圖2給出了不同場地不同震距下PSA的比較。從圖2可以看出，不同場地條件下，震距的增大會使場地PSA迅速衰減；而隨著場地Vs30的降低，場地條件對PSA的放大效應(yīng)十分明顯；軟土地區(qū)場地條件的非線性很大程度上影響到地震動參數(shù)的預(yù)測。重力壩往往建立在基巖場地上，Vs30一般較大，由于場地因素所導(dǎo)致的地震動參數(shù)不會過分的放大。

根據(jù)已有的PGA及PSA等參數(shù)，便可采用相應(yīng)的地震加速度合成的方法得到該場地的主余震序列地震加速度時程。

表2 不同場地與斷層距條件下的主余震PGA

圖2 不同場地不同震距加速度反應(yīng)譜

4 結(jié) 語

現(xiàn)階段的抗震分析一般都是以主震分析為主，很少考慮到余震的影響。在沒有已知地震動數(shù)據(jù)的情況下，構(gòu)造出合適的主余震地震動是一項十分重要的工作。本文綜合已有的研究成果，考慮烈度-震級、主震-余震等關(guān)系，并結(jié)合NGA-WEST2-BSSA13地震動衰減模型，給出了主余震序列地震動的構(gòu)造方法。NGA-WEST2-BSSA13模型能夠充分考慮震源、傳播過程、場地條件、盆地效應(yīng)等因素，更加準(zhǔn)確地描述地殼活動區(qū)淺層地震的地震動參數(shù)。在沒有地震動資料的情況下，可以通過本文介紹的模型，根據(jù)工程場地的特點及參數(shù)，對地震動參數(shù)進(jìn)行估算。

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(責(zé)任編輯 楊 健)

Construction Method of Mainshock and Aftershock Sequence Based on NGA-BSSA13 Seismic Ground Motion Attenuation Model

WEN Rui, CHEN Li
(Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434, China)

The occurrence of earthquake is accompanied by the earthquake sequence of mainshock, aftershock or earthquake swarm. Therefore, it is more reasonable to consider the ground motion of mainshock and aftershock sequence for reflecting the seismic capacity of project. Based on existing research results and considering seismic magnitude, seismic distance, seismic mechanism, seismic tectonics type, local site conditions, basin effect and hanging wall effect, the ground motion attenuation determination method of mainshock and aftershock sequence is established based on NGA-WEST2-BSSA13 ground motion attenuation model．

seismic ground motion parameter; attenuation model; mainshock and aftershock sequence; NGA-WEST2; BSSA13

2017- 04- 16

聞銳(1986—)，江蘇靖江人，工程師，碩士，主要水利水電工程設(shè)計工作．

P315.9

A

0559- 9342(2017)08- 0048- 04