2021, Vol. 41
2. 浙江省地震局，杭州市塘苗路7号，310013;
3. 中国长江三峡集团有限公司，北京市玉渊潭南路1号，100038
大量强震动观测记录和地震灾害调查报告显示，极震区震害集中性与强震动特征具有显著关联性。通过对近断层地震动频谱特征、脉冲特性、地震动强度指标等问题进行研究发现，近断层地震动受震源机制、断层破裂过程、场地条件等因素的影响，主要体现在方向性效应[1]、滑冲效应[2]和上/下盘效应[3-4]等特性上。但现有研究一般以断层距作为选取近断层地震动的标准，且仅关注近断层地震动的某一种或几种特性，从近断层全区域考虑不同空间区域分布对其特性影响的研究较为匮乏。
为研究近断层不同区域地震动的工程特性与时频特征，在PEER强震数据库中选取具有大量近断层地震记录的台湾集集地震作为研究对象，将其近断层地震动区域进行划分，并对比分析不同空间的地震动三要素特性及能量在时频域分布上的差异，为近断层区域工程结构选址和抗震设计中地震动参数的确定提供参考依据。
1 近断层地震动划分与地震动选取 1.1 近断层地震动划分地震发生时断层破裂的方向性效应和滑冲效应在走滑断层和倾滑断层(包括正断层和逆断层)中都能看到，而上盘效应仅见于倾滑断层[5]。基于此，考虑近断层地震动的方向性效应、滑冲效应、上/下盘效应等特性与断层类型的关系，依据断层破裂带与地震动观测台站的空间位置关系，将走滑断层的地震动沿断层破裂方向划分为破裂前方区域(rupture forward region, RFR)、断层破裂区域(rupture region, RR)、破裂后方区域(rupture backward region, RBR)3类；将倾滑断层和混合断层的地震动沿断层破裂方向划分为破裂前方区域(rupture forward region, RFR)、断层上盘区域(hanging wall region, HWR)、断层下盘区域(foot wall region, FWR)、破裂后方区域(rupture backward region, RBR)4类。由于断层破裂的复杂性及当前对震源机制和断层破裂过程的研究还存在不足，对于沿断层破裂方向传播的地震，RFR区域和RBR区域的准确划分仍存在一定的困难。
1.2 近断层地震动选取根据国内外学者公认的关于近断层地震动的定义，选择的台湾集集地震近断层地震动记录的断层距均在20 km以内。另外，为最大程度地降低场地因素的影响，根据台湾省气象局的场地分类标准，仅选择来自硬场地的地震动记录。
台湾集集地震是由车笼埔断层发生逆冲作用造成的，地表破裂带全长约80 km，断层由南向北破裂[6-8]，具有显著的上/下盘效应[3-4]和方向性效应[9]。因此，将台湾集集地震近断层地震动划分为RFR、HWR、FWR及RBR区域，其中RFR区域和RBR区域的划分根据文献[9]确定，将破裂传播末端前方的区域划分为RFR区域，破裂传播后方的区域划分为RBR区域，具体如图 1所示。同时，考虑到方向性效应引起的场地在垂直断层方向记录中显示出的长周期脉冲现象可能会对较长周期结构造成较大的结构残余位移甚至倒塌等严重损害[10]，从对结构地震响应最不利的角度考虑，选取近似垂直于断层方向(EW向)的地震动进行分析。最终选择30条地震波形记录，其中RFR区域6条、HWR区域7条、FWR区域9条、RBR区域8条，选择的近断层4个区域的地震动特征参数如表 1所示。
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图 1 集集地震近断层地震动空间区域划分及选择的硬场地台站分布[9] Fig. 1 Spatial division of near-fault and distribution of selected hard field stations for Chi-Chi earthquake |
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表 1 近断层不同区域地震动特性参数 Tab. 1 Parameters of near-fault ground motions in different regions of near-faults |
采用方差分析法研究近断层RFR、HWR、FWR和RBR区域地震动PGA、PGV、PGD等参数的差异，结果如表 2所示。可以看出，近断层4个区域3种参数的P值(校验水平)均小于5%，表明近断层4个区域3种峰值参数均具有显著差异。近断层4个区域地震动峰值参数PGA、PGV、PGD的平均值如表 3所示，可以发现，HWR区域的地震动PGA、PGV、PGD均最大，FWR区域次之，RBR和RFR区域最小，且除RFR区域的地震动PGA小于RBR区域外，RFR区域的地震动PGV、PGD均大于RBR区域，验证了断层破裂区域(包括HWR和FWR区域)的地震动强烈、为最危险区域[11]的结论。
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表 2 近断层不同区域地震动峰值参数方差分析 Tab. 2 Variance analysis of peak parameters of ground motion in different regions of near-faults |
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表 3 近断层不同区域地震动峰值参数平均值 Tab. 3 Mean values of peak parameters of ground motion in different regions of near-faults |
PGV/PGA比值是控制结构地震响应的一个重要参数[10]，当PGV/PGA>0.2 s时，速度脉冲较为显著，当PGV/PGA < 0.2 s时无明显脉冲现象[12]。从图 2可以发现，HWR区域仅少部分地震动具有显著的脉冲效应，而FWR区域绝大部分地震动具有显著的脉冲效应；RFR区域的地震动PGV/PGA比值都大于0.2 s，说明其地震动记录具有显著的脉冲效应特征，与近断层破裂方向性效应的定义相符；由于RBR区域的地震动位于破裂后方，PGV/PGA比值几乎都小于0.2 s，表明其地震动记录无显著脉冲效应。
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图 2 近断层不同区域PGV/PGA比值的分布 Fig. 2 Distribution of PGV/PGA ratio in different regions of near-faults |
加速度型参数PGA对周期较小的结构影响显著，速度型参数PGV和位移型参数PGD及复合型参数PGV/PGA对长周期结构影响显著[13-14]。因此，在近断层区域进行工程场地选址时，无论是短周期结构还是长周期结构，都应避开HWR和FWR区域，而短周期结构宜选择RFR区域，长周期结构宜选择RBR区域。
2.2 反应谱特性分析根据表 1的近断层RFR、HWR、FWR和RBR区域的地震动记录，分别计算近断层不同区域在地震动作用下5%阻尼比单自由度体系的弹性反应谱，并求得各分组的平均反应谱[15]。
图 3(a)和3(b)分别为近断层RFR、HWR、FWR与RBR区域在地震动作用下5% 阻尼比线弹性(μ=1) 单自由度体系的平均加速度反应谱和平均速度反应谱。分析可知，在T=0~1 s短周期段内，HWR、FWR和RBR区域地震动加速度和速度反应谱具有较高谱值，呈高频大幅值特点，且HWR区域地震动加速度和速度反应谱谱值明显大于FWR、RBR及RFR区域，表现出显著的上盘效应，验证了文献[4-5]的研究结果。而在中长周期段内，由于RFR区域地震动破裂受方向性效应的影响[9]，具有显著的脉冲效应，其地震动具有较高的加速度和速度反应谱谱值，呈现出显著的长周期效应特点。相比之下，RBR区域地震动无明显长周期效应，在长周期段内地震动加速度和速度反应谱谱值较低。同时，RFR、HWR、FWR区域的地震动平均加速度和速度反应谱在同一量级，谱值相差不大，HWR和FWR区域的地震动也具有显著的长周期效应。究其原因，一方面是由于所选取的HWR和FWR区域部分地震动具有显著的脉冲效应，另一方面是由于台湾集集地震的断层破裂传播可能存在非连续(跳跃式)破裂[16]，使得断裂面释放的能量仍在HWR和FWR区域的台站内进行部分汇聚，因此呈现出显著的长周期效应。
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图 3 近断层不同区域地震动反应谱 Fig. 3 Response spectra of near-fault ground motions in different regions of near-faults |
在西部山高、谷深及其他复杂地区新建的公路、铁路等交通工程中的咽喉工程(如长大隧道、长大桥梁等)一般具有长周期效应的特点，而RFR、HWR和FWR区域地震动长周期效应会对其地震反应造成不利影响，甚至使其发生严重破坏或倒塌。因此，从反应谱的角度考虑，在合理选择近断层区域作为工程场址的基础上对工程结构进行抗震设计时，RFR区域宜选用具有脉冲效应的近断层脉冲型地震动输入结构模型进行地震响应分析，RBR区域宜选用无脉冲效应的近断层非脉冲型地震动输入结构模型进行地震响应分析。若受条件限制无法满足场地要求(如只能建在HWR或FWR区域及需跨越断层等)，HWR和FWR区域宜选用地震动峰值较大且具有长周期效应的近断层脉冲型地震动输入结构模型进行地震响应分析。
2.3 持时特征分析采用能够充分反映地震动原始特征的90% 能量持时[17]来确定地震动持续时间，近断层4个区域的地震动记录90%能量持时如表 1所示。
图 4为地震动持时随断层距的分布，可以看出，随着断层距的增加，近断层4个区域地震动持时的变化较为混乱，无显著规律。其原因可能是近断层不同区域地震动记录数量较少，不具备统计意义；另外由于台湾集集地震的断层破裂传播可能存在非连续(跳跃式)破裂[16]，使得近断层不同区域的地震动衰减无显著规律。但整体而言，RBR区域地震动90%能量持时的平均值最大(26.05 s)，HWR区域最小(19.65 s)，RFR(22.02 s)和FWR(25.08 s)区域介于两者之间。
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图 4 近断层不同区域持时随断层距的分布 Fig. 4 Distribution of duration with fault distance in different regions of near-faults |
为较好地描述近断层不同区域地震动从开始激发到强震动再到衰减结束的全过程，采用希尔伯特-黄变换(HHT)[18]获取近断层不同区域地震动的Hilbert谱，进一步研究近断层4个区域地震动能量在时频域上的差异。
考虑到近断层各个区域地震动呈现结果相近，且为了能够最大程度地消除目前作为近断层地震动选取标准的断层距对分析结果的影响，选取表 1中近断层不同区域内断层距比较接近的4个台站记录(分别为RFR区域TCU128台站、HWR区域TCU074台站、FWR区域TCU109台站和RBR区域CHY035台站，其加速度记录如图 5所示)，详细研究近断层4个区域地震动能量的时频分布特征。
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图 5 近断层不同区域选择的台站加速度记录 Fig. 5 Acceleration records of stations in different regions of near faults |
图 6(a)~(d)分别显示了与图 5所示加速度记录相对应的近断层不同区域地震动HHT时频谱，其地震动主要能量的时频域分布参数如表 4所示，可以看出：
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图 6 近断层不同区域台站记录HHT时频特征谱 Fig. 6 HHT time-frequency characteristic spectrum of ground motion in different regions of near faults |
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表 4 近断层不同区域台站记录HHT时频谱对应的分布参数 Tab. 4 Distribution parameters corresponding to time-frequency spectrum HHT of ground motion in different regions of near-faults |
1) 在频域范围内，近断层4个区域的地震动主要能量几乎都集中在0~5.2 Hz中低频段，且其低频成分比较丰富。其中，HWR区域地震动能量在频域分布较窄，而RFR、RBR和FWR区域地震动记录能量在频域分布范围相对较宽。同时，HWR区域的地震动最大瞬时能量最大，RFR区域地震动最大瞬时能量最小，FWR和RBR区域则介于二者之间，其大小关系与对应的地震动PGA关系一致。另外，为了能够更直观地体现能量在频域的分布情况，分别统计0~2 Hz、0~4 Hz、0~6 Hz频段能量占地震动整体能量的比例，结果如图 7所示。可以看出，在0~6 Hz频段内，近断层4个区域地震动的能量占比均达到93%以上，且FWR和RBR区域达到了98%；在0~4 Hz频段范围内，除RFR区域为86%外，其余区域地震动能量占比均达到93%以上；在0~2 Hz频段范围内，地震动能量占比普遍在69%以上，其中HWR和FWR区域达到了77%。这一结果直观地反映了近断层不同区域地震动记录中低频成分能量比重高的特性，呈现出地震动能量分布于低频段的特征。
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图 7 不同区域典型台站地震动能量的频域分布 Fig. 7 Frequency domain distribution of ground motion energy at typical stations in different regions of near-faults |
2) 在时域范围内，4个区域地震动普遍在10~30 s将主要能量释放完毕。其中，FWR区域TCU109台站地震动记录能量的持时最长，约为31 s，HWR区域TCU074台站地震动记录能量的持时最短，约为12 s，RFR区域TCU128台站和RBR区域CHY035台站地震动记录能量持时介于两者之间，这与近断层4个区域地震动90%能量持时平均值大小的关系一致。此外，在HHT时频图中可观察到，随着频率的降低，近断层4个区域地震动能量在整个地震动的持时内趋于丰富，也表明其含有大量低频成分。
与反应谱分析结果不同，HHT分析方法显示，近断层不同区域地震动能量都呈现集中于中低频段内的特点。其原因主要是传统的频域分析方法只适用于平稳随机过程，而地震动记录在严格意义上是一个非平稳随机过程，其往往低估了地震动的低频分量[18]，而采用HHT方法能够更精细地描述近断层地震动的低频特性(长周期效应)[18-19]。考虑到目前结构抗震设计仍以反应谱理论为主，无法很好地考虑RBR区域地震动的长周期效应，但从能量抗震设计方法的角度考虑，近断层RFR、HWR、FWR和RBR区域地震动能量都集中在中低频段，可能应考虑地震动长周期效应。同时，由于工程结构的近断层地震响应，在近年的几次大地震中，大量建筑和桥梁结构直接受到短持时高能量的地面运动影响，结构破坏严重[20]。而HWR区域地震动能量持时短，且具有很高的瞬时能量，进一步表明HWR区域最危险，工程结构选址时尽量避让。
4 结语本文综合考虑了近断层地震动的方向性效应、滑冲效应、上盘效应等特性与断层类型的关系，以近断层地震动记录比较丰富的台湾集集地震为例，依据断层破裂带与地震动观测位置的空间关系，将近断层地震动划分为RFR、HWR、FWR和RBR四类区域，对比分析不同空间地震动的三要素特性，并利用希尔伯特-黄变换对不同空间的地震动进行精细化分析，研究不同空间地震动能量在时频分布上的差异。与现有关于集集地震近断层地震动特性的研究主要关注某一种或几种特性[3-4, 7, 21-24]相比，本文从地震近断层全区域角度分析不同空间地震动工程特性与时频特征，并将其与近断层区域工程结构选址和工程结构抗震设计相联系，为近断层区域工程结构选址和抗震设计中地震动参数的确定提供参考。研究发现，近断层地震动空间分布区域不同时，其特性存在显著差别：
1) 近断层RFR、HWR、FWR及RBR区域地震动PGA、PGV、PGD及PGV/PGA参数具有显著差异。HWR区域地震动峰值参数最大，FWR区域次之，RBR和RFR区域较小。RFR区域的地震动具有显著脉冲效应，RBR区域无显著脉冲效应，HWR区域少部分具有显著脉冲效应，FWR区域绝大部分具有显著脉冲效应。
2) RBR区域地震动反应谱呈高频大幅值特点，RFR区域呈显著的长周期效应，HWR和FWR区域同时呈现出高频大幅值特点和显著长周期效应。并且，在短周期(高频)段内，HWR区域的加速度和速度反应谱谱值明显大于FWR、RBR及RFR区域。
3) 在时频域内，近断层4个区域地震动能量高值都主要集中在0~5.2 Hz中低频段内，且低频成分比较丰富，呈现低频成分能量比重高的特性；HWR区域地震动最大瞬时能量最大，RFR区域地震动最大瞬时能量最小，且其地震动能量持续时间与90%能量持时长短关系一致，最大瞬时能量与地震动峰值参数PGA密切相关。
在近断层区域进行工程场地选址时，无论是短周期结构还是长周期结构都应避开HWR和FWR区域，而短周期结构宜选择RFR区域，长周期结构宜选择RBR区域。从反应谱的角度考虑，在选择合理的近断层区域作为工程场址的基础上对工程结构进行抗震设计时，RFR区域宜选用近断层具有脉冲效应的脉冲型地震动输入结构模型进行地震响应分析，RBR区域宜选用无脉冲效应的近断层非脉冲型地震动输入结构模型进行地震响应分析；若受条件限制无法满足场地要求(如只能建在HWR或FWR区域及需跨越断层等)，宜选用地震动峰值较大且具有长周期效应的近断层脉冲型地震动输入结构模型进行地震响应分析。另外，从基于能量的抗震设计角度考虑，近断层RFR、HWR、FWR和RBR区域可能都应考虑地震动长周期效应，但限于目前关于能量谱和基于能量的抗震设计方法研究还不够成熟，有必要从能量的角度进一步研究近断层不同区域地震动的特性及其对结构的影响。
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