地震动加速度时程一致性评价方法研究.docx

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1、地震动加速度时程一致性评价方法研究摘要：为评价使用各种方法获得地震动加速度时程与区域内地震动加速度时程观测资料的一致性，提出一种可以综合时频特性的地震动时程一致性评价指标及其相对性判据，该方法可以量化分析待评价地震动时程对区域构造信息的反映才能。通过评价唐山地区陡河地震台和四座楼地震台模拟结果与实际观测结果的一致性，给出了实用化的算例。关键词：地震动时程;一致性评价;构造信息;天津地震;唐山地区(2022)02-0285-070引言各类超限建筑和大跨构造的抗震设计要求提供具有可以反映区域构造信息的加速度时程作为地震动输入以满足构造时程分析的需要。但是现有强震观测成果具有空间分布不均匀性、不可重

2、现性以及场地条件依赖性的特点，因此在与工程场地环境完全一致的强震观测波形缺失的情况下，时程分析多采用场地条件相似地区的天然波形或人工合成波作为输入。然而，不管是天然波的选择，还是人工地震动的合成均横跨地球科学与工程科学两大研究领域，涉及到震源形式、地震波传播方式、传播介质影响、场地条件约束、地震动根本参数标定、地震动的模型简化以及地震动的工程预测等诸多环节，其中每一项都错综复杂且饱含不确定因素（张翠然，陈厚群，2022）。因此，所选择或者合成的地震动加速度时程在应用于工程实际之前，必须考虑该地震动时程能否代表工程厂址周围的地震环境特征和场地条件特征。人工合成的地震动时程需要到达什么样的程度才能

3、代表以上地震环境和场地条件，国内工程场地地震平安性评价工作中人工地震动合成主要通过不同周期点上反映区域地震危险性的目的谱5%范围内的控制精度来对合成波质量进展评价（胡聿贤，1999）。这种方法主要使用某种绝对指标，如地震动绝对加速度反响谱、某实测地震动时程作为目的，以合成波或者所选择的天然波与目的之间的逼近程度作为地震动反映特定环境才能的评价指标（Anderson,2022;孟庆筱等，2022)o但是值得考虑的是，地震事件发生过程中获得的强地面运动加速度时程往往由于震源特性、传播途径以及场地条件的原因此具有很大的差异性，即使是一样地震台站所观测得到的两个程度地震动分量之间都会由于破裂的方向性效

4、应和传播介质的各向异性等因素而产生不同。因此，在地震动时程之间差异性普遍存在的情况下，使用上述单一且具有绝对性的指标进展评价难免有失偏颇，亟需提出一种综合性评价指标和建立在区域地震动统计特性之上的相对性判据来反映地震动输入的区域构造信息反响才能。本文综合考虑地震动在幅值、频谱和持时三要素的各类特征值，构建总体一致度指标Sz来表示代表地震动时程两两之间的绝对相似程度;然后基于研究区内现有的地震动观测资料中一样台站的两个程度地震动加速度分量之问的绝对相似程度的统计特性来给出一种表征区域构造信息相对性判据;最后利用2022年5月28日唐山M4.7地震事件的地震动模拟结果(孟庆筱等，2022a,b)(

5、DOH)和远场四座楼地震台(SZ1.)模拟结果作为算例对本文和标准判据进展了检验，证实了该方法的可行性和实用性。值得注意的是，本文重点强调方法构建，因此可能在算例数据的充足程度方面有所欠缺。1区域构造信息反映才能综合评价指标构建地震动参数往往具备幅值、频谱和持时三火主要特性。我们将拟作为工程构造地震动输入的地震动加速度时程或者强地面运动模拟过程中所获得的某一条加速度时程结果，称为待评价加速度时程洞时将研究区域内实际地震过程中观测得到某一条波形，称为日标加速度时程。目的加速度时程是研究区域内实际得到的地震动观测结果，因此包含了震源特性、传播途径和场地效应的影响，本文拟通过待评价加速度时程与目的地

6、震动的一致性比拟，提出区域构造信息反映才能的综合评价指标，即待评价地震动加速度时程与日标地震动加速度时程一致性越好，那么待评价地震动加速度包含了越多的构造信息。其详细步骤为：首先选择可以有效表征地震动特性的各类地震动参数并计算待评价加速度时程与目的加速度时程之间各地震动参数的分项一致度Ci,然后构建地震动参数的总体一致度SZ来表征以上两条地震动时程之间的总体一致程度。最后，我们会进一步说明该指标的实际使用方法，并给出算例。1.1 地震动参数分项一致度C;1.1.1 地震动参数的选取工程上所关心的强地面运动是由震源释放出来的地震波引起的（近地表）地面运动，是由不同频率、不同幅值在一个有限时间范围

7、内组成的集合。而地震动加速度时程作为一个不规那么的时间函数，使用各种数学和力学处理方法可以获得一系列表示地震动特性的特征值，大致可以分为幅值、频谱和持时三类。前人对地震动反映地震环境的才能评价中，大多数使用较为单一的绝对指标，往往选择以上各类指标中的一个或者几个，难以全面的反映两个地震动时程之间的综合一致程度。因此，本文选择AriaS持时、能量持时、AriaS烈度、能量积分、峰值加速度、峰值速度、峰值位移、反响谱、傅里叶谱共计9个地震动参数来综合表示地震动特性，其详细表达式如表1所示。1.1.2 分项一致度Ci计算方法为了评价特征地震动时程反映实际工程地震环境和场地条件的才能，必须建立待评价的

8、特征地震动时程与代表地震环境和场地条件的目的地震动波组之间的一致程度的标准，即地震动参数分项一致度Ci。（1）首先定义一般化的单值参数的一致度指标S,对于单值地震动参数对（P1,P2）而言，两者的一致程度为S（P1,P2）,有使用该指标具有3个方面优势：（1）当参数之问的差异性增大时，该指数将会单调递减，因此该指标可以用于遗传算法等优化类算法通过寻找最大相似度来获得最优指标；（2）该指标是对称的，因此不管是加速度a1和a2哪个的PGA更大，该指标都会给出一样的参考结果；（3）小的差异性不会导致该指标迅速下降，当差异仪仪为参数本身的0.5倍时，该指标的评价值约为8,当指标人于23时，在工程应用意

9、义上认为是不适宜的。（2）定义频域内的函数类地震动参数的一致度指标S。对于各种频谱类地震动参数，其表达形式一般为频域内的各种形式的函数。但是通常的观测波和人工合成地震动并不能覆盖整个频域。观测值往往受限于仪器响应和噪声程度，而人工地震动往往取决于其生成方法。因此必须考虑不同频带上的不同一致程度。因此本文将整个频域划分为表2巾B1B99个频带，同时令BIO介于0.0550.0Hz以代表整个频域。根据地震动各个频段的重要性不同，我们设定各个频带的间距根本上在对数坐标下线性增长，有进一步的实际应用中，可以根据地震环境和场地条件，调整相应的频带权重。例如，当厂址所在区域范围内存在远场大震或者深软场地，

10、且建筑构造形式对长周期分量反响明显时，可以适当增加长周期频带的权重，从而到达重点考虑长周期分量的效果。在本文中，我们暂时不考虑ki的影响，在表3中将S统一取做各个频带的平均值。因此，我们使用上述两种分项一致度Ci的计算方法，得到拟选用的地震动参数的分项一致度指标ClC9,如表3所示。1.2 总体一致度S7我们已综合考虑了地震动在幅值、频谱和持时三要素巾的不同参数的分项一致系数。但是单一化的分项一致系数难以有效表达地震动时程对的综合一致程度，因此有必要构建总体一致度Sz。对于需要进展一致度评价的2条地震动加速度时程a1和a2(t)而言，我们选取并构造了ClC9共计9个一致度指标，令这9个指标的算

11、术平均值作为总体一致度指标，有在时域方面，峰值速度PGV、峰值位移PGD、Aria烈度和能量积分在指标构建过程中使用了一样的表达式。AriaS烈度和能量积分指标可用来评价地震动持时特征，因此我们提出使用C1和C2两个指标来灵敏的评价地震动时程标准化之后的积分特征差异性，如表3所示。在频域方面，C8和C9是两个频域指标，分别考虑5%阻尼比情况下的反响谱和傅里叶谱。虽然两者在某些程度上具有一定的相似性，但是在概念上却完全不同。反响谱在高频和低频段上具有渐近线性质，但是傅里叶却没有，同时反响谱更为平滑。因此，有必要同时使用以上两个频域指标。本文使用地震动时程不同频段内分量计算得到的反响谱和傅里叶谱对

12、地震动频域相似性进展评价。详细来讲，本文使用不同频段内分量评价值的均值作为反响谱和傅里叶谱形状的总体评价值。由于地震动时程的重新构建需要每一个频率点上的傅里叶谱值都正确，因此使用C9指标一一对其标定。2判据构建方法和应用算例在本文的以上局部，我们构建了一个待评价地震动加速度时程与目的地震动加速度时程之间的构造信息反映才能的综合评价指标。需要明确的是，不管是通过相似地区天然地震动选波、工程学方法还是地震学方法获得的地震动加速度时程最终都会给出一组波进展备选，因此面临评价这些备选波或者待评价波的区域构造信息反映才能的问题。然而上文给出的综合评价指标只能给出一对加速度时程之间的一致性程度，但是一致性

13、程度指标到达什么范围才算是可以充分反映区域构造信息，或者说一致性程度指标到达什么范围强地面运动模拟结果效果良好，解决这些问题有必要给出相对性判据的构建方法。2.1 目的地震波组总体一致度判据构建方法2.2 2022年唐山M4.7地震算例2022年5月唐山发生M4.7地震，孟庆筱等（2022a,b）使用基于有限单元法的非连续数值模拟给出了该地震事件过程中的强地面运动结果。这对本文所提出的地震动加速度时程区域构造信息反映才能评价方法的应用提供了一次珍贵的时机。为了进展目的（郑秀芬等，2022）,台站分布见图1。将以上实际观测得到的地震动加速度时程作为日标地震动组，将孟庆筱等（2022b）所得到的陡

14、河地震台（DOH）和四座楼地震台（SZ1.）的数值模拟结果作为待评价地震动。需要注意的是，本文重点考虑一致度的评价方法且只使用了唐山地区5次地震事件过程中的37个测震台站的数据，因此以下判据不宜直接推广，但可以作为今后提出判据的一个参考范例。图2为4.7级地震情况下地震动时程对总体一致度Sz的累积概率分布，由图2可见：该情况下，总体一致度指标SZ的取值区间为2.1,8.4,说明该区域内一样台站观测得到的地震动时程的两个程度分量的之间差异性分布较为分散。于此同时，我们获得了研究区内构造信息反映才能的判据，即当待评价地震动与日标地震动的总体一致性指标SZ介于2.1,8.4区间内时，我们认为待评价地

15、震动初步具备反映构造信息的才能，模拟结果较好，可以满足构成工程构造地震动输入对区域构造信息的要求。根据孟庆筱等（2022b）对2022年唐山M4.7地震陡河台（DoH）和四座楼（SZ1.）程度面内东西分量的模拟结果和该地震事件中相应台站的观测结果，计算得到2组地震动对的总体一致度指标SZDOH,=7.23,SZSZ1.=2.07。说明孟庆筱等（2022a,b）对陡河地震台的模拟结果与四座楼地震台模拟结果相比具有更好的效果，或者说对于该地区的构造信息具有更为充分的反映才能。同时，如图3可见，SZSZ1.=2.07明显小于2.1,不属于2.1,8.4区间，其积累概率为0,说明四座楼地震台的模拟结果

16、未能到达现有观测资料中一样台站一样地震事件中两个程度地震动分量之间的一致度，因为本文认为四座楼地震台的模拟结果较差，缺乏对区域构造信息的反映才能，是一个较为失败的强地面运动模拟结果洞时陡河地震台的模拟结果那么明显较好，其积累概率为087,说明该模拟结果与87%的观测结果相比一致性更好。3结论本文通过分项地震动参数一致度Ci构建了可以才能判据。在此根底之上，使用孟庆筱等（2022a）的二维有限元方法模拟得到的陡河地震台（DOH）和四座楼地震台（SZ1.）的模拟结果作为待评价地震动时程给出了实用化的范例,并对结论进展了简要分析，检验并证明了区域构造信息反映才能指标体系构建方法的有效性。唐山地区5次地震事件的观测波形数据由中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心珍贵意见。欢送访问