韓建平1, 2，周  偉1
(1. 蘭州理工大學(xué)防震減災(zāi)研究所, 甘肅, 蘭州 730050; 2. 甘肅省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅, 蘭州 730050)

    摘  要：選擇國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的2008年5月12日汶川地震四川、甘肅、陜西等地臺(tái)站中的94組加速度記錄進(jìn)行了處理，提取了一些主要地震動(dòng)參數(shù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法重點(diǎn)對地震動(dòng)豎向與水平峰值加速度比、豎向與水平加速度反應(yīng)譜及豎向與水平卓越周期比等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，豎向與水平峰值加速度比的平均值為0.58，但約30%臺(tái)站的峰值加速度比大于2/3；豎向與水平峰值加速度比隨震中距的增大減小，近震區(qū)該比值離散性較大，場地條件對該比值也有較大的影響；在周期0-6s內(nèi)豎向與水平加速度反應(yīng)譜比曲線總體呈“Z”字形；不同的周期段，豎向加速度反應(yīng)譜和水平加速度反應(yīng)譜的譜形有較大差異，相比水平加速度反應(yīng)譜，豎向加速度反應(yīng)譜偏“瘦”；除少數(shù)臺(tái)站外，絕大部分臺(tái)站豎向與水平卓越周期比均小于1.0，該比值隨震中距的增大而增大，并逐漸趨于平緩。上述研究結(jié)果可以為時(shí)程分析選取豎向地震動(dòng)輸入提供參考。
    關(guān)鍵詞：汶川地震；豎向地震動(dòng)；峰值加速度比；反應(yīng)譜；卓越周期
中圖分類號(hào)：P315.9    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
PRELIMINARY INVESTIGATION ON CHARACTERISTICS OF VERTICAL GROUND MOTION DURING WENCHUAN EARTHQUAKE
HAN Jian-ping1, 2, ZHOU Wei1
(1. Institute of Earthquake Protection and Disaster Mitigation, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China;
2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China)
Abstract:  94 suites of acceleration records from the stations in Sichuan, Gansu and Shaanxi provinces during Wenchuan earthquake of May 12, 2008, which were released by China Strong Motion Networks Center, were selected to process for extracting some essential ground motion parameters. The ratios of vertical to horizontal peak ground acceleration, acceleration response spectra and predominant period were mainly investigated with the method of statistical analysis. The results indicated that the average ratio of vertical to horizontal peak ground motion is 0.58, and the ratios of more than 30% stations are greater than 2/3. This ratio decreases with the increasing epicentral distance and it is much discrete in the near-fault region. Furthermore, site condition also influences this ratio. The curves of vertical to horizontal acceleration response spectrum ratios with period from 0 to 6 second have “Z” shape generally. The shapes of vertical and horizontal acceleration response spectrum vary within the different period range. And vertical acceleration response spectrum looks thin comparing to the horizontal counterpart. Except several stations, the ratio of vertical to horizontal predominant period is less than 1.0. This ratio increases with the increasing epicentral distance and becomes smooth gradually. The study results can provide reference for choosing the vertical ground motion input during time history analysis.
Key words:  Wenchuan earthquake; vertical ground motion; ratio of vertical to horizontal peak ground acceleration; response spectra; predominant period

    近些年來全球范圍內(nèi)發(fā)生的幾次強(qiáng)烈地震，特別是1995年日本Kobe地震和1999年我國臺(tái)灣集集地震的震害調(diào)查表明，許多結(jié)構(gòu)的破壞中有豎向地震作用的痕跡，有的甚至是由豎向地震作用直接導(dǎo)致的。在高烈度區(qū)，特別是震中區(qū)及近斷層區(qū)，豎向地震作用是非常明顯的[1-6]。
    大量近斷層地震記錄的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：豎向峰值加速度 與水平峰值加速度 的比值會(huì)超過預(yù)先設(shè)想的2/3[4,7]，而且近些年來也獲得了豎向峰值加速度達(dá)到甚至超過水平峰值加速度的地震記錄。1976年前蘇聯(lián)格茲里地震，記錄到的最大豎向峰值加速度為1.39g，豎向和水平峰值加速度的比值為1.63[1]；1979年美國帝國山谷(Imperial Valley)地震所獲得的30個(gè)記錄， 的平均值為0.77，靠近斷層(距離約為10km)的11個(gè)記錄 的平均值則達(dá)到了1.12，其中最大的一個(gè)記錄，豎向峰值加速度更是達(dá)到1.759g，豎向和水平向峰值加速度比高達(dá)2.4[8]。Bozorgnia等分析了發(fā)生在1975年到1995年間44個(gè)地震的2800多個(gè)峰值加速度和33個(gè)地震動(dòng)的1300多個(gè)反應(yīng)譜、發(fā)現(xiàn) 的值與場地的卓越周期、場地土條件和震源距有很大的關(guān)系，而與震級(jí)和發(fā)震斷層類型的關(guān)系不明顯， 的最大值在場地卓越周期為0.1s時(shí)可能達(dá)到1.5，在場地卓越周期為0.3~2.0s時(shí),  的值為0.5或者更小一些；而對卓越周期較長的場地， 的最大值可達(dá)0.7[8]。周錫元等利用臺(tái)灣集集地震所得地震動(dòng)記錄對近斷層豎向與水平反應(yīng)譜比值進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在短周期范圍內(nèi)，該比值遠(yuǎn)大于2/3[9]。
    基于此，國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)豎向地震反應(yīng)的研究日益重視。Kikuchi等研究了五層三跨RC框架結(jié)構(gòu)分別在水平地震作用、豎向地震作用、水平地震和豎向地震同時(shí)作用下的抗震性能，其分析結(jié)果表明在水平地震動(dòng)和豎向地震動(dòng)同時(shí)作用時(shí)，豎向地震動(dòng)僅對柱的軸力有較大影響[10]。Yamazaki等研究了鋼框架結(jié)構(gòu)在豎向地震動(dòng)作用下的反應(yīng)，提出豎向地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)水平反應(yīng)有較大影響，影響程度與結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)周期與水平振動(dòng)周期之比 有關(guān)[11]。賈俊峰等人對近斷層豎向地震動(dòng)峰值特征研究后發(fā)現(xiàn)，在近斷層區(qū)域的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)重視可能發(fā)生的走滑斷層中等震級(jí)條件下豎向地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)的潛在危害[3]。Kim、Elnashai等研究了豎向與水平峰值加速度比對RC橋梁和房屋結(jié)構(gòu)承載力的影響后發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的抗剪承載力隨著該比值的增大而減弱[4,12-15]。Kunnath、Yilmaz等研究了公路橋梁在豎向地震作用下的影響后認(rèn)為，應(yīng)該要考慮豎向地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)承載力的不利影響[16,17]。
    本文對國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心收集并發(fā)布的2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震四川、甘肅、陜西94個(gè)臺(tái)站的各分量加速度記錄進(jìn)行了處理與初步分析，提取了一些主要的地震動(dòng)參數(shù)，并重點(diǎn)對地震動(dòng)豎向與水平峰值加速度比、豎向與水平加速度反應(yīng)譜及豎向與水平卓越周期比等進(jìn)行了研究。
    1  汶川地震強(qiáng)震動(dòng)記錄概況及選取原則
    1.1  四川、甘肅、陜西地震動(dòng)臺(tái)站基本情況
    四川、甘肅和陜西省境內(nèi)分別有由131個(gè)、65個(gè)和29個(gè)固定自由場強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)組成的數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)。在汶川地震中，除11個(gè)臺(tái)站記錄完全或部分缺失外，其余臺(tái)站均記錄到完整的地震動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。圖1為汶川地震四川省、甘肅省、陜西省獲取地震記錄臺(tái)站分布圖。

    1.2  四川、甘肅、陜西地震動(dòng)臺(tái)站數(shù)據(jù)的選擇與處理
    1.2.1  典型臺(tái)站地震動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)的選擇
    汶川地震中，四川、甘肅、陜西分別有124個(gè)、61個(gè)、29個(gè)數(shù)字強(qiáng)震儀完整地記錄到此次地震。本文依據(jù)所記錄到的原始地震動(dòng)加速度時(shí)程，從中共選取峰值加速度大于100gal且持時(shí)較長的94組較典型的三分量加速度記錄進(jìn)行分析與研究，其中四川省選取64組、甘肅省選取17組、陜西省選取13組。
     選取的64組四川省臺(tái)站加速度記錄中，汶川臥龍臺(tái)站(51WCW)東西方向水平峰值加速度及豎向峰值加速度均為最大，其值分別為957.70gal、948.10gal；豎向峰值加速度高于水平峰值加速度的有7個(gè)臺(tái)站，分別是：江油含增臺(tái)站(51JYH)、茂縣南新臺(tái)站(51MXN)、什邡八角臺(tái)站(51SFB)、臥龍臺(tái)站(51WCW)、黑水雙溜索臺(tái)站(51HSL)、理縣木卡臺(tái)站(51LXM)、理縣桃平臺(tái)站(51LXT)；最大記錄持時(shí)為瀘定加郡臺(tái)站(51LDL)，時(shí)長398s。
    選取的17組甘肅省臺(tái)站加速度記錄中，武都臺(tái)站(62WUD)東西方向水平峰值加速度最大，其值為184.87gal；文縣臺(tái)站(62WIX)豎向峰值加速度最大，其值為131.97gal；最大記錄持時(shí)為和平臺(tái)站(62HEP)，時(shí)長為343s。
    選取的13組陜西省臺(tái)站加速度記錄中，隴縣臺(tái)站(61LOX)東西方向水平峰值加速度最大，其值為153.95gal；鳳翔臺(tái)站(61FEX)豎向峰值加速度最大，其值為58.25gal；鳳翔臺(tái)站(61FEX)豎向峰值加速度(58.25gal)大于南北方向峰值加速度 (22.04gal)；最大記錄持時(shí)為戶縣臺(tái)站(61HXI)，時(shí)長為439s。
    1.2.2  典型臺(tái)站地震動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)的處理
    對所選取的94組強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行頻帶濾波(0.1-25Hz)和基線校正處理，提取其地震動(dòng)記錄詳細(xì)信息。表1為94組地震動(dòng)記錄的詳細(xì)信息。圖2為經(jīng)濾波和基線處理后的部分臺(tái)站地震加速度時(shí)程曲線示例，圖3為部分臺(tái)站地震動(dòng)記錄加速度反應(yīng)譜曲線示例。

2 

     2豎向與水平峰值加速度比分析

     2.1  豎向與水平峰值加速度比與震中距的關(guān)系

    圖8表明：除了少數(shù)臺(tái)站的豎向與水平向卓越周期比大于1.0之外，絕大部分臺(tái)站豎向與水平向卓越周期比均小于1.0；豎向與水平向卓越周期的比值隨震中距的增大有增大的趨勢，并逐漸趨于平緩。因此，對于豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征周期應(yīng)有單獨(dú)規(guī)定，規(guī)范中將豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征周期取為和水平向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征周期相同是不盡合理的。
    5  結(jié)論與建議
    本文對國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心收集并發(fā)布的2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震四川、甘肅、陜西94個(gè)臺(tái)站的各分量加速度記錄進(jìn)行了處理與初步分析，重點(diǎn)研究了豎向與水平峰值加速度比、豎向與水平加速度反應(yīng)譜及豎向與水平卓越周期比等，得到了以下結(jié)論：
    (1) 94組地震動(dòng)記錄豎向與水平峰值加速度比的平均值為0.58，約30%臺(tái)站的峰值加速度比大于2/3，四川汶川臥龍臺(tái)站和理縣木卡臺(tái)站的峰值加速度比甚至達(dá)到1.18。
    (2) 豎向與水平峰值加速度比隨震中距的增大有減小的趨勢。在震中附近，豎向地震動(dòng)峰值加速度較大，但隨著震中距的逐漸加大，豎向地震動(dòng)峰值加速度相對水平向地震動(dòng)峰值加速度衰減較快。另外，近震區(qū) 的離散性較大。
    (3) 場地條件對地震動(dòng)豎向與水平向峰值加速度比也有較大的影響。不同場地類別和不同震源機(jī)制對峰值加速度比的影響，尚需隨著地震記錄的不斷積累而進(jìn)行更深入的分析和研究。
    (4) 在周期0-6s內(nèi)豎向與水平加速度反應(yīng)譜比曲線總體呈“Z”字形；不同的周期段，豎向加速度反應(yīng)譜和水平加速度反應(yīng)譜的譜形有較大差異，相比水平加速度反應(yīng)譜，豎向加速度反應(yīng)譜偏“瘦”。
    (5) 除少數(shù)臺(tái)站外，絕大部分臺(tái)站豎向與水平卓越周期比均小于1.0；豎向與水平卓越周期比隨震中距的增大而增大，并逐漸趨于平緩。
基于上述結(jié)論，建議：
    (1) 豎向地震動(dòng)分量對結(jié)構(gòu)的作用不可忽視，加大對豎向地震動(dòng)的研究具有現(xiàn)實(shí)的工程意義和重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。在近震區(qū)和近斷層區(qū)，對豎向地震動(dòng)的作用應(yīng)進(jìn)行慎重地分析。
    (2) 抗震規(guī)范取豎向地震影響系數(shù)的最大值為水平地震影響系數(shù)最大值的65％的規(guī)定有待進(jìn)一步探討，建議可以考慮區(qū)分不同的周期段采用不同的系數(shù)。
    (3) 豎向反應(yīng)譜的形狀不能認(rèn)為和水平反應(yīng)譜的形狀一致，建議適當(dāng)減小規(guī)范豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的衰減指數(shù)。
    (4) 規(guī)范中將豎向反應(yīng)譜的特征周期取為和水平反應(yīng)譜的特征周期相同是不盡合理的，建議對豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的特征周期應(yīng)有單獨(dú)規(guī)定。

    致謝　衷心感謝國家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供數(shù)據(jù)支持!

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