基于K-NET强震台网的海底地震动特征初探.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目()国家自然科学基金资助项目()作者简介:钟紫蓝()男副研究员博士主要从事地下结构抗震研究:.通信作者:张 卜()男讲师博士主要从事隧道及地下结构抗震研究:.文章编号:():./.基于 强震台网的海底地震动特征初探钟紫蓝郭佳希张 卜倪 博赵 鑫(北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京 )摘 要:为了研究海底地震动的特性本文基于日本 台网选取 次地震事件中 个海底台站和 个陆地台站所记录的 条地震动记录 经过数据筛选与处理对典型地震动参数、动力放大系数谱和竖向与水平谱比进行了分析 结果表明:海水的存在会削弱竖向地震动的高频成分导致竖向峰值加速度和强震持时要显著小于水平向海底场地条件对海底地震动有放大作用则选用陆地地震动进行海洋工程抗震设计会低估地震荷载带来的影响当周期.时海底地震动的动力放大系数谱大于陆地地震动最大值要大于抗震规范设计值沿用现有的陆地抗震设计规范展开海底工程建造存在风险关键词:海底地震动地震动参数放大系数谱峰值加速度比中图分类号:文献标识码:():.:引言我国海域辽阔海洋经济发展潜力巨大在国家大力倡导下进行了大批海洋工程的建设如海上人工岛、海上堤坝工程、跨海大桥、海底管道、海底电(光)缆和海上潮汐电站等 然而我国周边海底多处于板块世 界 地 震 工 程第 卷交界处临近多个俯冲带因此海洋工程的建设必须考虑地震的影响 但由于我国除台湾建有首个海底台站外大陆地区近海海底还没有海底强震仪海底地震动研究尚处于起步阶段等原因很多海洋工程建设的抗震设计均是基于已经成熟的陆地地震动特性的认识缺乏海洋地震动特性认识因此亟需针对海底台站记录的海底地震动开展特性分析对于海底地震动研究最直接最有效的方法就是在近海布设海底强震仪收集海底地震记录进而研究海底地震动与陆地地震动在峰值、频谱等特性方面的差别 近些年来美国、日本和墨西哥等国作为较早拥有海底强震仪的国家通过持续的海底观测已经获取了一些非常宝贵的海底强震观测记录这为从事海底地震动特性分析的科研工作者提供了极大的便利以往研究学者对于海底地震动特性的研究提出了不同认识 等对一个.级的地震动记录进行分析通过对比不同震中距下海底与陆地地震动的水平向和竖直向 散点图得出由海底地震动散点图所线性拟合得到的直线斜率要明显小于陆地地震动但受限于当时条件没有更多的地震动记录来验证该结论 等受当时条件限制没有大量的地震动数据供其研究于是其借鉴前人经验并进行了改进将/谱的方法引入到海底地震动特性研究中 等研究了海水对水平向地震动的影响其结果认为海水对由浅源(小于 )地震产生的瑞利波的基本模态有显著的影响谭景阳等对 海底台站记录的数据进行了分类探讨了海底地震动特征和不确定性刁红旗从地震学角度研究了海水对海底地震动竖向成分的影响并在 等的基础上分析了海底地震动的工程特性结果表明海底竖向地震动在海水的影响下高频能量被削弱李飒等认为陆地抗震设计参数并不适用于海底应该针对海底地震动专门进行研究本文在前人研究的基础上基于日本海底地震观测系统利用近年来观测获得的大量地震动数据分析对比了海底地震动与陆地地震动特性的不同海底地震动观测系统及台站选取.日本海底地震动观测系统概况阪神地震过后震中周边 余个地震观测台站只记录到了少量的强震观测记录依据这些强震记录并不足以对阪神地震进行系统的研究 鉴于此次经验教训由日本国家地球科学与防灾研究所()在全国建立了 个强震动观测网分别是 和()是一个全国性的强震仪网络由 多个观测站组成每 均匀地分布在日本 自 年 月以来 一直由国家地球科学和防灾研究所()运营 在每个 台站都有一台地震仪安装在地表并有标准化的观测设施()是一个强震地震仪网络由成对的地震仪与高灵敏度地震仪()一起安装在钻孔中以及地面上部署在日本大约 个地点.地震台站和地震动的选取为了对比同一地震下海底地震与陆地地震的不同本文从 台网中选取了相邻近的 个海底台站()和 个陆地台站(、和)具体分布如图 所示 主要针对了 年 年间发生的 次地震事件(震级.)并从这 个台站获取了 条地震动记录这 个台站的具体信息见表 表 这 条地震动记录的震级水平 和震中距水平 关系如图 所示表 台网中部分海底台站的信息 台站编号台站名称纬度经度海拔.表 台网中部分陆地台站的信息 台站编号台站名称纬度经度海拔.第 期钟紫蓝等:基于 强震台网的海底地震动特征初探 由图 可知:大部分地震动 集中在.之间现有记录仍缺少 级至 级之间海底地震动数据 图 所选台站分布图 图 震级/震中距 分布图 .海底地震动特性分析.海底与陆地三向时程曲线、强震持时、傅里叶谱及加速度反应谱比较本节以 年 月 日(东北地震)和 年 月 日(日本本州东部地震)在日本发生的两次地震事件为例选取了海底台站 和陆地台站 观测数据地震信息见表 对其三个方向的时程曲线、强震持时、傅里叶谱及加速度反应谱进行了分析对比图 为分析结果表 选取的 次地震事件信息 地震名称台站编号记录时间纬度经度震中距/震级 东北地震:.:.本州东部地震:.:.)海底与陆地强震持时曲线对比强震持时与地震动输入的能量累积相关 首先引入 强度()指标对地震动输入能量累积进行定义公式如式()式中:()为加速度时程 为地震动的总时间 为重力常数()()强震持时定义为地震动输入能量在给定总能量百分比范围内的持续时间如公式()所示强震持时和地震波的输入能量相关常用的能量百分比范围如、和.等 本文采用 强震持时为了方便起见记为()()()()分别对比图 可知:可得如图 所示信息在东北地震中海底地震动的三向强震持时 分别为.、.和.陆地地震动的三向强震持时 分别为.、和.在本州东部地震中海底地震动的三向强震持时 分别为.、.和.陆地地震动的三向强震持时 分别为.、.和.可见同一地震事件中海底地震动中竖直方向(向)强震持时要显著大于水平向(和)而陆地地震动三向强震持时相差不大)海底与陆地三向时程对比从图 可知:在 年 月 日(日本东北地震)和 年 月 日(日本本州东部地震)发生的两次地震事件中海底地震动的竖向()时程曲线的峰值加速度()分别为.和.在东北地震中水平向(和)分别为.和.在本州东部地震中水平向(和世 界 地 震 工 程第 卷图 东北与本州东部地震三向地震动持时对比.)分别为.和.海底地震动的竖向峰值加速度仅为水平向的 左右在日本东北地震和本州东部地震中陆地地震动的竖向()时程曲线的峰值加速度()分别为.和.在东北地震中水平向(和)分别为.和.在本州东部地震中水平向(和)分别为.和.陆地地震动的竖向峰值加速度为水平峰值加速度的 左右可见海底地震动的竖向峰值加速度占水平峰值加速度的比值要明显小于陆地地震动证明海水对于竖向地震动的传递有一定削弱作用另外对比同一地震事件下海底台站与陆地台站所测得地震动记录的 可看出:海底台站所测得地震动记录的 要明显大于陆地台站这是因为海底的场地条件放大了海底地震动的幅值图 东北地震中海底台站 与陆地台站 三向时程及强震持时曲线对比.图 本州东部地震中海底台站 与陆地台站 三向时程及强震持时曲线对比.)海底与陆地强震傅里叶谱和加速度反应谱对比如图、图 所示在同一地震事件下对于海底地震动其竖向傅里叶谱和加速度反应谱与水平谱有着显著的差距而陆地台站的水平谱和竖向谱间尽管也有差异但这种差异明显小于海底地震动情况 对比东北地震下陆地与海底地震动的加速度反应谱和傅里叶谱海底台站所记录的地震动谱峰值在向低频(长周期)偏移这是因为海底的场地条件会放大其长周期成分为验证该结论的可靠性在.节进行了进一步探讨.海底与陆地峰值加速度的比较为了进一步证明.节中得出结论的普遍性本节对 条地震动记录的竖向和水平峰值加速度进行了比较 如图 所示描述了 条地震动记录的竖向与水平峰值加速度的关系分别对海底地震动 第 期钟紫蓝等:基于 强震台网的海底地震动特征初探和陆地地震动 进行线性拟合所得一次函数斜率即/峰值加速度比 在图()中海底地震动的/比为.陆地地震动的/比为.在图()中海底地震动的/比为.陆地地震动的/比为.可知海底地震动的/比要明显小于陆地地震动的/比证明了海水对于竖向地震传播有削弱作用图 东北地震中海底台站 与陆地台站 傅里叶谱及反应谱曲线对比.图 本州东部地震中海底台站 与陆地台站 傅里叶谱及反应谱曲线对比.而对比图()图()的红蓝散点分布在 次地震事件中海底台站测得的海底地震动 更多的分布于.这一区间而陆地台站测得的陆地地震动 则仅仅集中在.这一区间不难看出不同的场地条件对地震动 有很大的影响海底的场地条件放大了海底地震动的幅值 而水平地震动对于结构的抗倾覆分析、动力时程分析中有着决定性的影响因此若将陆地地震动直接作为海洋工程的地震荷载进行输入将会低估地震荷载的作用图 海底与陆地地震动/./.海底和陆地地震动放大系数谱加速度放大系数谱是将加速度反应谱纵轴标准化以消除不同地震动峰值加速度对反应谱谱值的影响表示结构反应对峰值加速度的放大程度 为进一步验证.节)得出的结论本节以四次地震事件为例世 界 地 震 工 程第 卷对 个海底台站和 个陆地台站所获得的每次地震事件的地震动记录进行分析求得其放大系数谱并取平均 图 为分析结果由图 可知:不同地震事件中放大系数谱的特性基本相似但海底与陆地地震动放大系数谱的差别较大当周期.时海底地震动的放大系数小于陆地地震动当周期.时海底地震动与陆地地震动放大系数相接近 对比陆地地震动反应谱海底地震动反应谱存在一个明显的峰值平台 这表明由于海底沉积土层的影响地震动的长周期成分被放大使得反应谱整体向中长周期移动而海洋工程一般自振周期均较长会对其造成不利影响 同时可以看出:海底地震动的动力放大系数的最大值已大于抗震规范的取值.在进行海底工程抗震设计时应予以考虑图 四次地震事件的地震动放大系数谱.海底和陆地地震动/比谱本节采用 等提出的对所有的强震记录采用/的方法估计由于受海水影响导致的海底局部场地条件与陆地局部场地条件不同所带来的海底地震动与陆地地震动的差异该方法可消除场地的震源和传播路径效应而主要体现场地本身特性 同样以四次地震事件为例对 个海底台站和 个陆地台站所获得的每次地震事件的地震动记录进行分析求得其/谱并求平均 图 为分析结果 由图 可知:海底与陆地地震动/比谱在 次地震中表现出的特性基本一致其中海底与陆上地震动/比谱的区别可总结如下:周期 .时海底地震动的/比谱小于陆地比谱且周期 .时海底地震动的/比谱大致为.约为陆地地震动比谱的 当周期.时海底地震动的/比谱快速增大在.左右即达到陆地地震动比谱后面甚至超过了陆地地震动的比谱这主要是 波引起深度为几十米的近海域海水层共振造成的随着周期增长(或频率降低)这种影响逐渐减弱 但在个别地震中也有海底地震动比谱在全周期内整体小于陆地地震动比谱的情况结论本文基于 台网中获取的 次地震事件中 个海底台站和 个陆地台站所记录的 条实际地震动分析了海底与陆地地震动加速度时程曲线、强震持时及各类反应谱间的差异 由于所得结论基于大量观测数据因此具有一定的普遍性结论如下)海底场地条件会放大海底地震动幅值若将陆地地震动作为地震荷载输入到海洋工程中进行抗震设第 期钟紫蓝等:基于 强震台网的海底地震动特征初探计则会低估地震荷载带来的影响图 四次次地震事件的地震动/谱./)由于海水的存在会削弱竖向地震动的高频成分因此海底地震动的竖向峰值加速度占水平峰值加速度的比值要明显小于陆地地震动且海底地震动的竖向强震持时要显著小于水平向强震持时)对比放大系数谱与常用抗震设计规范标准表明海底地震动放大系数 要大于抗震规范限值在海底工程抗震设计中应予以考虑)多数海洋结构自振周期在 以上海底沉积土层对地震动长周期成分的放大作用会对海洋结构物的动力响应造成不利的影响参考文献:谭景阳 胡进军 周旭彤 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