竖向地震动的衰减关系及其对场地效应影响机理的研究

A ground motion prediction equation (GMPE) is an important part of earthquake engineering. Because there have been few GMPEs for the vertical component of strong-ground motion, the proposed project is to establish a GMPE for vertical motion that are suitable for the geological and tectonic settings in mainland China, and to study the nonlinear site effect from vertical component on both vertical and horizontal motions. The proposed work will use the largest ground surface and borehole strong-motion network (Kik-net in Japan) in the world to study the site effect for vertical ground motions, and using these records, develop a vertical GMPE that may be used in many parts of the world and well accepted by other international colleagues. Because of the complex nature of the vertical motions, 2-D site models may have to be used to study the nonlinear site effect for the vertical ground motions. We will then use the strong-motion records from the 2008 Wenchuan and 2013 Lushan county earthquake sequences to modify the shallow crustal model from Japan to establish a GMPE for vertical ground motions for the western part of Sichuan province. Combined with the research results from our other projects the model for Sichuan can be further modified so that it can be suitable for other seismic regions in mainland China. The last part of this proposal is to study the large upper ward vertical accelerations observed at basin edge and sites in liquefied areas. The results from this project may be useful for establishing appropriate vertical design spectra in China.

地震动衰减模型是地震工程学中一个极为重要的部分。针对目前对竖向地震动衰减关系研究较少的现状，拟建立适合于中国大陆地质构造条件的竖向地震动衰减关系，并研究竖向地震动对竖向及水平地震动分量场地效应的影响。具体为：利用世界上最大的地表-孔底强震台网（日本Kik-net 台网）建立竖向地震动场地效应模型，并建立一个被国际同行认同、在国际上有重大影响的竖向地震动衰减关系；用二维场地数值模拟方法研究衰减关系中的非线性场地效应。用川西2008 年汶川和2013 年芦山主余震记录对由日本数据建立的竖向地震动衰减关系进行修正，从而得到适合于四川西部地区的衰减关系，然后再利用申请人的其它科研成果将模型推广到中国其它多震地区。利用二维模型，本课题将研究土场地盆地边缘效应和砂土液化产生的竖向加速度远远大于水平向加速度及其产生一系列正向加速度脉冲的形成机理。该项目研究成果将有助于我国各地区的竖向地震抗震设防研究。

本项目利用日本俯冲带地区的上万条竖向地震记录，分别建立了适用于俯冲带地区浅层壳内地震、上地幔地震、板间地震和板内地震的竖向地震动预测模型。对比了我国西南地区地震动记录值与五个地震动模型的预测值，利用对比结果挑选对我国西南地区竖向地震动模拟效果最好的模型为参考模型。保留参考模型的部分模型形式和参数取值，利用随机效应方法建立了我国西南地区的竖向地震动预测模型。主要取得以下成果：.① 按照发震点位于俯冲带几何构造的位置将日本地震分为浅层壳内地震、上地幔地震、俯冲板间地震和俯冲板内地震，参考对日本俯冲带地震数据库中横向地震动的研究结论，将浅层壳内地震和上地幔地震合并为一组，俯冲板间地震和俯冲板内地震各为一组分别分析；.② 采用双线性模型描述震级效应，对几何衰减项添加近场效应项和远场效应项，对非弹性衰减项添加火山区域修正项。利用随机效应模型对各组地震记录数据进行了回归分析，逐一计算并平滑了模型系数，建立了一系列适用于日本俯冲带及世界其他有此类地质构造地区（如中国台湾）的竖向地震动模型；.③ 对比了包括汶川地震和芦山地震的我国西南地区竖向地震动记录值和五个竖向地震动模型的预测值，包括三个独立的利用NGA-West2数据库建立的模型、一个利用欧洲和中东地区建立的模型以及本课题建立的利用日本浅层地壳和上地幔数据建立的日本模型。建立了基于地震动实测值与模型预测值对比结果的地震动模型评价方法，根据评价结果选择本课题建立的日本模型作为我国西南地区竖向地震动模型的参考模型；.④ 参考日本浅层地壳和上地幔地震的竖向地震动模型部分方程形式和系数，通过残差分析和统计结果确定了我国西南地区竖向模型的方程形式。模型中包含双线性震级项和几何衰减项，并使用场地分类作为模型的场地项，最后利用随机效应方法建立了我国西南地区竖向地震动模型。.竖向地震动对大跨度桥梁和近断层的各类工程影响很大，本项目的研究成果可为我国西南地区这类结构的地震荷载计算和地震灾害概率安全性评估提供参考。.