受地震断层破裂速度和方向性、几何条件、断层机制等因素控制，近断层地震动往往具有明显的方向性(Kawase and Aki, 1990; 赵凤新和胡聿贤, 1994; Oglesby and Archuleta, 1997; 刘启方等, 2006; 李爽和谢礼立, 2007).当破裂沿断层面以接近剪切波速传播时，破裂传播前方的破裂辐射的大部分能量几乎同时到达观测点.在能量积累效应作用下，位于断层破裂向前传播方向的所在区域观测到的地震动被明显放大.例如，2008年汶川8.0级地震近场地震动分布(如PGA、PGV)具有明显的方向性特征，在映秀—北川主断裂的北东方位的地面运动强度高、衰减慢，而在断层西南方位地面运动相对弱、衰减快(Li et al., 2008; Wang et al., 2010; 谢俊举等, 2010).另一方面，对于单个场点所获取的记录，方向性效应导致地震动强度随记录的方向显著变化.不同方向上PGV可相差2~3倍，垂直断层方向上记录的速度脉冲强度(PGV)往往大于平行断层方向; 不同方向上的加速度反应也存在显著差异，反应的最大方向还会随自振周期发生变化(Howard et al., 2005; Boore et al., 2006; Huang et al., 2008, 2009; Hong and Goda, 2010; Shahi and Baker, 2011; Dai et al., 2014).地震动方向性效应对震害分布有重要影响，这种方向性往往决定了震害的优势方向(时振梁等, 1978; 王景明, 1980, 1982)；同时，地震动方向性差异会影响工程结构在地震作用下的位移变形和内力反应(谢礼立和翟长海, 2006; 全伟和李宏男, 2008; 李全旺等，2012; 张社荣等, 2014).因此，开展近断层地震动方向性特性的研究，将有助于我们深入认识近断层地震动特性，为有针对性地制定工程结构减灾对策提供重要依据.

北京时间2013年4月20日8时02分四川省雅安市芦山县发生了7.0级地震.据中国地震台网测定，震中位于四川省雅安市芦山县龙门乡、宝胜乡、太平镇交界(北纬30.3°，东经103.0°)，震源深度13 km，震中距成都约100 km.地震最大烈度Ⅸ度，震中芦山县龙门乡99%以上房屋垮塌.四川及周边的重庆、甘肃、陕西、贵州、云南等省市都有明显震感，地震受灾面积超过15000 km²，受灾人口约152万，造成超过200人死亡或失踪.在此次芦山地震中，中国国家强震动台网获取到了大量主震及余震的数字强震动记录，位于四川、云南、甘肃和陕西四省境内超过160个固定台站获取到主震强震动加速度记录，其中有16条记录峰值加速度PGA超过200 cm·s^-2，最大峰值加速度达到1005.4 cm·s^-2，位于断层上盘的宝兴地办台(国家强震动台网中心, 2014；Xie et al., 2014).本文将利用芦山7.0级地震中获取到的近断层强震动记录，研究近断层地震动强度随方向的变化特点，探讨这种方向性特性与震源破裂机制的关系.

根据国家强震动台网中心公布资料，位于四川、云南、甘肃和陕西四省境内超过160个固定台站在本次芦山地震主震中获取到强震动加速度记录.本次地震中所使用的数字强震动记录器共有5种型号，多数为美国Kinemetrics公司生产的ETNA型、K2型和BASALT型数字强震动记录器，瑞士SYSCOM公司生产的MR2002型数字强震动记录器.ETNA型和K2型数字强震仪量程为±2 g，分辨率为18 bit，采样率100/200/250 sps；BASALT型数字强震仪量程为±2 g，分辨率为24 bit，采样率100/200/400 sps；MR2002型数字强震仪量程为±2 g，分辨率为18 bit，采样率100/200/400/500 sps. ETNA型、K2型和MR2002型强震仪高频响应可到80 Hz，BASALT型为DC-200Hz.台站使用的强震仪均为力平衡式3分量加速度计，记录分量为东西向，南北向和垂直向(国家强震动台网中心, 2014).

考虑到云南、甘肃和陕西省的记录台站距离发震断层超过350 km，获取记录幅值较小，本研究仅选取四川省内断层距离小于100 km的22个自由场台站获取到三分量强震动记录数据，强震动记录台站的分布如图 1.震源破裂过程反演结果表明芦山地震为走向沿N—NE方向的典型逆冲型地震，破裂过程可包括两次破裂子事件，都发生在断层面上震源(破裂起始点)附近(Hao et al., 2013; 王卫民等, 2013; 张勇等, 2013; Zhang et al., 2014).考虑到本次地震实际破裂滑动范围均位于破裂起始点附近, 我们采用震源距D_hyp，即台站到破裂起始点的距离来考察地震动参数随距离的衰减，同时为了与前人相关研究结果进行对比，我们定义断层距R_rup为台站到断层面的最短距离，以表述观测台站相对于断层的空间位置，计算断层距时选用张勇等(Zhang et al., 2014)基于近场强震动数据和远震波形记录联合反演给出的有限断层模型结果(如图 1).此外，由于近场强震动记录往往出现基线的偏移，这会对加速度记录积分得到的速度和位移结果产生严重影响(周雍年等, 1997; 王国权和周锡元, 2004)，因而需要采用分段基线校正的方法来对获取的近断层记录进行基线校正处理(Iwan et al., 1985; Boore, 2001; 谢俊举等, 2013)，以避免采用滤波方法对近断层记录速度和位移特征的影响，保留可靠的速度和永久位移特征.

图 1

Fig. 1

图 1 选取的断层距小于100 km近场强震动台站的分布 图中蓝色虚线框为此次芦山地震的断层破裂面(Zhang et al., 2014)，强震记录台站用三角符号表示，实心五角星为芦山地震震中. Fig. 1 Locations of near-field strong motion stations within 100 km from the causative fault Dashed rectangle denotes the fault plane of Lushan main shock (Zhang et al., 2014). The solid star indicates the epicenter. Strong motion stations are shown in triangles.

假定一个具有二维平面自由度的自由振子受到地震动荷载作用，我们利用自由振子在水平面内不同方向上的响应大小来考察地震动作用的方向性差异，借此研究近断层地震动方向性特性，即地震动强度随方向的变化.与传统的反应谱方法相比，该方法使用的自由振子具有两个方向的自由度，可以在平面内任意方向自由运动，因而其加速度反应可以描述不同方向上地震动作用的大小(Huang et al., 2009; Dai et al., 2014).参考Huang等(2008)方法来计算单自由度振子的最大和最小响应.如图 2a，给出了此次芦山地震中51BXD台记录东西(EW)和南北(NS)向地震动同时作用下，自振周期为1.0 s阻尼5%的单质点的加速度反应，即相应于X轴(EW)和Y轴(NS)方向的加速度响应轨迹(时间过程).图中最大加速度反应方向对应于距离原点最远的点(图中圆点)所在方向，取与其正交的方向被称为反应最小方向.需要指出的是，此处定义最小反应方向并不一定是自由振子加速度反应实际最小的位置(图中方点).

图 2

Fig. 2

图 2 芦山地震51BXD台地震动(EW和NS向)作用下周期T=1.0 s自由振子在水平面内的加速度响应轨迹(a)和计算得到的反应谱值随旋转角度的变化(b) Fig. 2 Example of acceleration response trace of a 2 degree-of-freedom oscillator with T=1.0 s subjected to the 51BXD record during the Lushan earthquake

利用图 2a中自由振子的加速度反应二维时程轨迹，通过坐标系的转换，可以容易获得在各个不同方向上反应的最大值，图中时程轨迹的包络线(粗实线和粗虚线)即为最大反应随方向的变化曲线.注意到，由于包络线是由包含所有方向的整个加速度反应的二维时程轨迹投影到单个方向上，取投影的最大值得到，在许多方向上往往会超过轨迹曲线范围.基于对称性，实际上只需要180°角度范围的最大值，虚线部分包络线可直接由实线部分对称给出.选取具有不同的自振周期自由振子，基于以上算法重复计算，即可获得不同周期的最大加速度反应.反应谱通过不同自振周期的单自由度体的地震反应来反映地震动的频谱特性，同样，利用不同周期的二维平面弹性振子的地震反应表征了地震动在各个不同周期的方向性差异.

建筑抗震设计中往往采用单个强度指标(Intensity Measure, IM)来表示水平地震动强度，最常用的强度指标包括取两个实际观测方向的几何平均或较大值，以及采用不依赖于观测方向的强度指标(Douglas, 2003; Boore et al., 2006; Boore, 2010).目前有多种方法可以计算二维水平地震动作用下的反应谱加速度值, 其中包括采用两个正交方向加速度反应的几何平均或采用在每一个不同周期点反应时全部方向上的最大和最小值(Boore et al., 2006; Huang et al., 2008; Boore, 2010).本研究通过考察地震动强度指标随观测方向的变化来研究芦山地震近断层地震动的方向性特性，我们这里采用Boore(2010)提出的强度指标，包括特定周期振子在水平所有方向上的加速度反应最大值(Sa_RotD100)、最小值(Sa_RotD00)和中值(Sa_RotD50).Sa_RotDnn定义为所有方向上加速度反应谱值的百分位数.如图 2b，我们给出了51BXD台记录计算得到的反应谱值(Sa)随旋转角度θ(自东逆时针旋转)的变化以及本文所使用的参数Sa_RotD100、Sa_RotD00和Sa_RotD50的定义.可以看到，反应谱值随方向显著变化，最大和最小谱值分别为58.3 cm·s^-2和158.1 cm·s^-2.

2003年，美国太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER)发起了一项名为下一代衰减模型(Next Generation Attenuation, NGA)的大型研究计划，旨在为构造活动区的浅地壳地震构建新一代地震地面运动预测方程(Ground Motion Prediction Equations, GMPEs)，该计划(现在称作NGA-West1)于2008年完成.2013年，PEER在NGA-West1的基础上补充了2003—2011年全球构造活动区浅地壳地震的记录，并发布了新的NGA-West2数据库，包含世界范围内发生的607个地震的21539条强震动记录，其中也收录了我国汶川M_W7.9地震主震和64个强余震的超过3950条强震动记录(Ancheta et al., 2014).基于NGA-West2数据库强震动记录的统计分析和数值模拟结果，发布了5个最新的地震动预测模型，分别是ASK14(Bozorgnia et al., 2014)、BSSA14(Boore et al., 2014)、CB14(Campbell and Bozorgnia, 2014)、CY14(Chiou and Youngs, 2014)和I14(Idriss, 2014)模型，同时发布的还有1个地震动强度随方向变化的方向性模型SB14(Shahi and Baker, 2014).

在大地震中，近断层地震动受断层破裂方向性的影响往往具有明显的卓越方向，即在某一个观测方向上地震动强度明显超过其他方向(Somerville et al., 1997).为了研究此次芦山7.0级地震近断层地震动的方向性特性，我们首先考察了不同周期的自由振子在近断层51BXD、51BXM、51BXY和51BXZ台地震动记录(东西(EW)向和南北(NS)向)作用下的加速度响应.图 3和图 4分别给出了周期T=1.0 s和3.0 s振子的加速度反应，可以发现自由振子的加速度反应随方向显著变化，这4个记录在不同方向上的最大和最小加速度反应可相差2~3倍，此结果表明近断层地震动作用存在优势方向，即变现为显著的方向性.对比图 3和图 4，可以发现随着周期从T=1.0 s增大到3.0 s，加速度反应显著减小，但4个台站的记录的最大反应方向总体保持不变.此外，51BXD、51BXM、51BXY和51BXZ这4个台站的记录的最大反应方向基本一致，均位于东偏北30°~50°之间，尤其对于图 4中周期T=3.0 s的振子.后面我们将探讨该最大反应方向与震源破裂机制的关系.

图 3

Fig. 3

图 3 近断层51BXD (a)、51BXM (b)、51BXY (c)和51BXZ (d)台地震动记录作用下T=1.0 s振子的加速度反应 Fig. 3 Acceleration response trace of a 2 degree-of-freedom oscillator with T=1.0 s subjected to the near-fault recordings of 51BXD (a), 51BXM (b), 51BXY (c) and 51BXZ (d) during Lushan earthquake

图 4

Fig. 4

图 4 近断层51BXD (a)、51BXM (b)、51BXY (c)和51BXZ (d)台记录作用下T=3.0 s振子的加速度反应 Fig. 4 Acceleration response trace of a 2 degree-of-freedom oscillator with T=3.0 s subjected to the near-fault recordings of 51BXD (a), 51BXM (b), 51BXY (c) and 51BXZ (d) during Lushan earthquake

图 5将近断层记录与较远记录作用下周期T=1.0 s的加速度反应轨迹进行对比，考察近断层记录和距离断层较远记录方向性特性的不同.图中51BXM记录的台站位于发震断层面上盘一侧，断层距R_rup =25.5 km，结果表明该记录具有显著的方向性差异，其在东偏南约10°的方向上的加速度反应最大，为248.7 cm·s^-2，最小反应位于与最大方向垂直的方向附近，仅60.9 cm·s^-2，最大反应约为最小反应值的4倍.51HYQ台距离断层为R_rup =45.7 km，该记录在各个方向上的反应相差小，最大与最小反应分别为48.1 cm·s^-2和37.1 cm·s^-2，相差仅30%.

图 5

Fig. 5

图 5 近断层51BXM台记录(a)与距断层较远的51HYQ台记录(b)作用下周期T=1.0 s的加速度反应 Fig. 5 Comparison of acceleration traces of a 2 degree-of-freedom oscillator with T=1.0 s when subjected to the near-fault and far-fault recordings of 51BXM (a) and 51HYQ (b) during Lushan earthquake

在不同方向的地震动观测值的最大值/中值之比和最大值/最小值之比通常被用来定量描述地震动强度随方向变化差异的大小(Beyer and Bommer, 2006; Huang et al., 2008; Shahi and Baker, 2014).此外，由于考虑方向随机性的地震动强度的最大值和中值分别被广泛应用在地震动经验模型和工程结构设计当中，因而地震动最大值/中值之比的经验模型和结果在不同标准之间的转换中有重要的应用(Shahi and Baker, 2014).为了定量考察此次地震近断层地震动强度随方向的变化，我们计算了加速度反应谱值在不同方向的最大值/中值之比(Sa_RotD100/Sa_RotD50)和最大值/最小值之比(Sa_RotD100 /Sa_RotD00).对于每条记录分别计算在0.01 s到7.5 s之间共计21个周期点的加速度谱值，进而对比在不同周期段的方向性特点.

图 6给出了利用此次芦山地震22条近断层记录计算得到的不同周期点的最大值/中值的比值(Sa_RotD100/Sa_RotD50)结果，并与NGA-West2最新的方向性模型SB14(Shahi and Baker, 2014)进行对比.可以看到，本次芦山地震中Sa_RotD100/Sa_RotD50比值的均值介于约1.2到约1.3之间，统计结果总体上落在SB14模型的±1个标准差范围之间，与NGA-West2模型吻合较好.注意到，Shahi和Baker(2014)利用NGA-West2数据库超过3000条记录研究发现Sa_RotD100/Sa_RotD50比值随周期增而增大，即地震动在长周期段的方向性差异更明显.由于芦山地震中获取的近断层记录相对较少，本文结果的离散性较大，Sa_RotD100/Sa_RotD50比值表现为随周期变化时高时低，未呈现出随周期持续增大的特点.图 7给出了计算得到的不同周期点的最大值/最小值的比值(Sa_RotD100/Sa_RotD00)，结果表明Sa_RotD100 /Sa_RotD00比值的均值和标准差随周期增大而增大.Sa_RotD100/Sa_RotD00比值的平均值整体上大于Sa_RotD100 /Sa_RotD50的结果，且随周期显著变化，从周期T=0.01 s时的约1.7增大到周期T=10 s时的约2.4，这说明近断层地震动强度随方向变化的差异在长周期更明显.

图 6

Fig. 6

图 6 计算得到不同方向上的反应谱最大值SaRotD100与中值SaRotD50的比值随周期的变化 菱形符号表示统计结果的均值，竖线表示数据结果±1个标准差的范围，实线和虚线分别为SB14(Shahi and Baker, 2014)模型预测均值和±1个标准差范围. Fig. 6 Ratio of SaRotD100 (maximum) to SaRotD50 (median) for near-fault recordings observed as a function of vibration periods Diamonds represent the sample mean, vertical bars represent ±σ range of the data. Solid and dashed lines indicate predictions of mean and mean ±σ range for Shahi and Baker (2014) model, respectively.

图 7

Fig. 7

图 7 计算得到不同方向上的反应谱最大值SaRotD100与最小值SaRotD00的比值随周期的变化 菱形符号表示统计结果的均值，竖线表示数据结果±1个标准差的范围. Fig. 7 Ratio of SaRotD100 (maximum) to SaRotD00 (minimum) for near-fault recordings observed as a function of vibration period Diamonds represent the sample mean, vertical bars represent ±σ range of the data.

地震动最大强度方向对于地震作用下结构的破坏具有重要影响，因此有必要研究最大反应Sa_RotD100所在的地震动卓越方向.Shahi和Baker(2014)基于NGA-West2的强震动记录数据的分析发现，在断层距R_rup < 5 km时，周期T>1 s的长周期地震动的卓越方向更靠近垂直断层方向；而在断层距R_rup>5 km或周期T < 1 s时，卓越方向表现出在不同角度均匀分布的特点(即卓越方向在不同角度随机分布).Bradley和Baker(2014)研究2010年新西兰Darfield地震发现在断层距R_rup < 30 km范围内地震动都表现出强方向性，这明显超过了Shahi和Baker(2014)结论中方向性的影响范围.

为了定量考察最大强度方向与断层走向的关系，我们参考Shahi和Baker(2014)的方法，定义参数方位角α为最大谱加速度反应Sa_RotD100所在方向与断层走向的最小夹角，α=0和α=90°即分别表示平行断层和垂直断层走向.对于每条记录，我们计算从0.01 s到10 s的21个周期点的方位角α，考察方位角α的分布.图 8给出了全部22条记录在长周期(T>1 s)的方位角α随断层距变化的分布，可以看到，方位角α的分布在断层距约35 km以内明显更趋向于垂直断层(α=90°)方向，其中在断层距约20 km到约35 km之间时，最靠近垂直断层方向.本文结果发现芦山地震在断层距约35 km以内地震动具有较强的方向性，即T>1 s的长周期地震动卓越方向接近垂直断层方向，这与Bradley和Baker(2014)结果较为接近，但明显超过了Shahi和Baker(2014)给出的影响范围.

图 8

Fig. 8

图 8 长周期(T≥1.0 s)地震动的最大方向随断层距离变化的分布 三角符号表示每条记录单个周期点的方位角α，方块符号为每条记录T≥1.0 s的全部周期点的平均值. Fig. 8 Variation in maximum direction orientation with source-to-site distance for the long-period (T≥1.0 s) strong motion during Lushan earthquake The triangle markers indicate α values for a single spectral period of a given ground motion, squares indicate the average α value in the period range T=1~10 s.

利用选取的全部22个台站记录在不同周期的加速度反应计算结果，我们考察了各个不同周期的加速度谱值最大值/中值之比(Sa_RotD100/Sa_RotD50)和最大值/最小值之比(Sa_RotD100 /Sa_RotD00)随震源距离的变化.图 9给出了周期T=0.2 s、0.5 s、2 s、3 s、5 s和10 s的Sa_RotD100 /Sa_RotD50比值随断层距离的分布.结果表明，Sa_RotD100/Sa_RotD50比值介于约1.1到约1.4之间，在各个不同周期，Sa_RotD100/Sa_RotD50比值都随断层距离增大缓慢减小，与SB14模型结果吻合，绝大多数数据点都落在SB14模型±1个标准差范围之间. 图 10考察了最大与最小值之比Sa_RotD100/Sa_RotD00随断层距离的分布，给出的是周期T= 0.2 s、0.5 s、2 s、3 s、5 s和10 s的结果，可以看到，相同断层距Sa_RotD100/Sa_RotD00比值的上下波动较Sa_RotD100 /Sa_RotD50结果明显偏大.虽然Sa_RotD100/Sa_RotD00比值随断层距变化分布较Sa_RotD100 /Sa_RotD50结果的离散性大，但各个不同周期的Sa_RotD100/Sa_RotD00比值整体上表现为随断层距增大而减小，随断层距增大比值趋向于1.本文研究结果表明此次芦山地震在距离断层约35 km以内，地震动具有明显方向性，地震动卓越方向具有垂直断层走向的特征，随断层距的增大，最大反应所在的方向表现出较强的随机性.

图 9

Fig. 9

图 9 SaRotD100/SaRotD50 比值随震源距Dhyp的变化 实线和虚线分别为SB14(Shahi and Baker, 2014)模型预测均值和±1个标准差范围. Fig. 9 Variation of ratio of SaRotD100 to SaRotD50 with source-to-site distance Dhyp Solid lines represent the mean predictions of Shahi and Baker (2014) model, and dashed lines indicate predictions of mean ±σ range for Shahi and Baker (2014) model.

图 10

Fig. 10

图 10 最大与最小加速度反应比(SaRotD100/SaRotD00)随震源距离Dhyp的变化 Fig. 10 Variation of maximum to minimum acceleration response ratio (SaRotD100/SaRotD00) with source to site distance Rrup.

为了研究近断层地震动的方向性的与震源破裂机制之间的相关机理，我们进一步考察了地震动记录的最大强度方向在断层不同方位的分布受断层相对错动影响的特点.此次芦山地震中近断层区域的GPS观测台站很少，缺乏与本文选用的强震台站相同位置的GPS观测资料(武艳强等, 2013).我们基于强震动记录基线校正获得的同震位移结果来探讨强震动的方向性与地表同震位移的相关性，采用金明培等(2014)利用强震动记录进行基线校正获得的同震位移结果，该结果与武艳强等(2013)基于GPS观测结果得到的同震位移分布相吻合，具有较高的可靠性.

图 11中给出了位于断层不同方位获取的强震动记录在周期分别为T=0.2 s、0.5 s、1.0 s和3.0 s时的卓越方向.由于距离断层较远记录在不同方向的地震动差异较小，其卓越方向并不明显(如图 5)，我们主要考察距离断层面30 km以内近断层记录的地震动卓越方向与水平同震位移的关系.根据GPS观测和强震记录得到的同震位移结果，此次芦山地震表现为上盘向东南，而下盘向西北方向的相向逆冲运动，发震断层错动以逆冲为主，但兼有左旋错动(武艳强等, 2013; 金明培等, 2014).由图 11可以看到，近断层地震动在较长周期的卓越方向与地震断层的相对错动特点吻合，除51LSF台记录外，在周期0.5 s、1.0 s和3.0 s时的地震动卓越方向与水平同震位移所在方向一致，尤其在周期3.0 s时，地震动卓越方向与同震位移方向高度吻合.

图 11

Fig. 11

图 11 芦山地震中观测近断层地震动在周期T=0.2 s (a)、0.5 s (b)、1.0 s (c)和3.0 s (d)的最大强度方向 图中双向箭头为记录的最大反应所在的方向，单向箭头为强震记录获取的同震水平位移(据金明培等, 2014). Fig. 11 Maximum response direction of near-fault strong motions during Lushan earthquake at period T=0.2 s (a), 0.5 s (b), 1.0 s (c) and 3.0 s (d) The double-headed arrows denote the maximum response direction, one-way arrows indicate co-seismic displacement recovered from strong motion data (Jin et al., 2014).

为了定量考察地震动卓越方向与水平同震位移方向的关系，我们定义参数方位角β为地震动卓越方向与水平同震位移方向的最小夹角，β=0和β=90°即分别表示与同震位移方向一致和垂直.由图 12可以看到，随着周期的增大，方位角β逐渐减小，即地震动卓越方向逐渐与水平同震位移方向趋于一致. 图 13进一步考察了卓越方向上的地震动强度值与水平同震位移大小的相关性，分析结果表明：随周期的增大，卓越方向上的地震动强度与水平同震位移之间的相关系数不断增大，表现为卓越方向上的地震动强度随水平同震位移增大而增强，在周期T=1.0 s和2.0 s时尤为明显.

图 12

Fig. 12

图 12 不同周期的地震动卓越方向与水平同震位移方向的关系以及随周期的变化 三角符号表示每条记录的地震动在特定周期的卓越方向与水平同震位移方向的最小夹角β，方块符号为断层距30 km以内全部记录在特定周期点的平均值. Fig. 12 Variation of maximum response direction with period for near-fault strong motion during Lushan earthquake Triangles indicate minimum included angle between maximum direction and co-seismic displacement for each ground motion, squares indicate the average value for all near-fault records within 30 km to the fault.

图 13

Fig. 13

图 13 卓越方向的地震动强度与水平同震位移的相关性 图中CC为地震动强度值SaRotD100与水平同震位移值的相关系数. Fig. 13 Correlation of maximum IMs at various periods with co-seismic displacement CC denotes correlation coefficient between SaRotD100 and co-seismic displacement.

研究结果表明近断层地震动的方向性特性主要受断层上、下盘的相对运动所控制，其在长周期的卓越方向与水平同震位移方向一致，且该卓越方向上的地震动强度绝对大小与地震破裂造成的静态位移明显相关，表现为地震动强度随水平同震位移的增大而增大.这种影响主要位于断层破裂面附近区域，随断层距离增大逐渐减弱.从不同方向上地震动强度的差异来看，随断层距增大，地震动强度在不同方向上的差异在减小，表现为不同周期的Sa_RotD100/Sa_RotD50和Sa_RotD100/Sa_RotD00比值均随断层距离增大缓慢减小.

目前，世界范围内的强震动数据主要有三类，包括活跃板块的浅地壳地震记录(如NGA-West2)、稳定板块的浅地壳地震记录(如NGA-East)和俯冲带地震记录(如NGA-Sub)，其分别考虑地壳板块的板块类型、应力构造、地震活动水平和震源深度的不同(Ancheta et al., 2014; Goulet et al., 2014; Abrahamson et al., 2016).NGA-West2数据库中收集了全球范围内活跃板块发生的浅地壳地震，这与我国西部的浅地壳地震活动环境相似.

我国目前所获取的近场尤其是近断层强震动记录相对缺乏，本文利用芦山地震实际观测记录研究定量分析了近断层地震动强度随方向的变化以及最大强度所在方向与地震断层的关系，与NGA-West2经验结果进行比较，并探讨这种方向性特性与震源破裂机制、断层距离和空间方位的关系, 研究结果对于我国尤其是西部地区具有借鉴意义.本研究得到以下主要认识：

(1) 近断层地震动随观测方向的不同表现出显著的差异，存在明显的极大和极小作用方向.在不同的方向上，最大加速度反应可以达到最小反应的4倍以上.而对于距离断层较远的记录，地震动强度的方向性差异小，如51HYQ记录在各个方向上的最大与最小加速度反应相差仅30%.

(2) 近断层地震动强度随方向变化的差异随周期增大而增大，表现为Sa_RotD100 /Sa_RotD00比值随周期增大而增大，Sa_RotD100 /Sa_RotD00比值的均值从周期T=0.01 s时的约1.7增大到周期T=10 s时的约2.4，即地震动强度的方向性差异在长周期更为明显.此次芦山地震中Sa_RotD100 /Sa_RotD50比值的均值介于约1.2到约1.3之间，总体上介于SB14模型的±1个标准差范围之间，但并未呈现出随周期连续增大的特点.

(3) 最大强度方向的分布在断层距约35 km以内明显更趋向于垂直断层(α=90°)方向，在断层距约20 km到约35 km之间时，最靠近垂直断层方向.此次芦山地震在断层距约35 km以内周期T>1.0 s的长周期地震动具有较强的方向性，其卓越方向接近垂直断层方向，这与Bradley和Baker(2014)结果较为接近，但明显超过了Shahi和Baker(2014)给出的影响范围.从Sa_RotD100/Sa_RotD50和Sa_RotD100/Sa_RotD00比值来看，不同周期段的比值都随断层距离增大缓慢减小，这说明随断层距增大，地震动强度在不同方向上的差异在减小.

(4) 近断层地震动的方向性特点主要由断层上盘和下盘相向的逆冲运动所决定，长周期地震动的卓越方向与水平同震位移方向一致，且该卓越方向上的地震动强度随水平同震位移的增大而增大.但这种影响主要集中于断层破裂面附近区域，随断层距的增大，地震动的方向性不明显.

本研究表明近断层地震动有明显的卓越方向，在该方向上的地震动强度可以达到其他方向的2~3倍.由于实际工程结构在不同方向的强度和刚度(荷载能力)往往有所不同，因此，在近断层区域的工程建设中，确保工程结构的薄弱位置尽量避开地震动卓越方向，对于减轻地震灾害具有重要意义.

感谢两位匿名审稿人提出的宝贵意见，感谢张勇研究员和金明培高级工程师在震源破裂过程和地表同震位移获取中给予的指导和帮助，感谢中国强震动观测台网中心提供的强震动记录数据.