强烈地震近场区宽频地震动混合模拟方法研究

The tectonic activities in the southwestern China are intensive, so the risk of causing large earthquakes is high. The development of the southwestern China requires the research on the assessment of the hazard caused by strong earthquakes. Ground motion in the near field is generally intensive, full of rich high-frequency contents, and significantly complex due to the source effect and the directivity effect. Hybrid simulation approach is now the most advance technique for the estimation of near-field ground motion but still needs improvements. This proposal addresses the following issues: i)Based on the theoretical basis in seismology, a method for getting coordinate values for common parameters of high- and low-frequency simulations was proposed; ii)a new idea of considering the Green function into the phase spectrum of high-frequency stochastic synthesis was put forward, in order to eliminate the distortion on the average characteristics of the simulated ground motion field caused by the selection of random number; iii)a new scheme of radiation pattern improvement was proposed to clarify the direction of the simulated high-frequency ground motion so that the long-standing problem of the superposition of high- and low-frequency ground motions in terms of direction could be solved. Researches on the four issues are based on the previous related researches of the applicant. More improvements will be made if other detailed issues are found during the project proceeds. The hybrid simulation approach with the improvements made in this project will give more advance technical supports to the seismic design and plan of the structures in the near field of strong earthquakes.

西南地区构造活动剧烈、强震触发危险性大，对强烈地震引发灾害的研究是西部发展建设深化的迫切需求。强烈地震近场区地震动破坏性强、高频分量丰富，受震源控制显著，在近断裂效应影响下更为复杂，目前以混合模拟方法为最先进研究手段。本申请在目前混合模拟研究的总体框架中，抓住高、低频共有参数取值不协调的问题，提炼共有参数取值依据，构造共有参数协调取值方案；为消除或减小随机数对合成地震动场平均特征的控制，创新性地提出在高频随机合成法的相位谱中吸收格林函数；针对高频地震动合成结果方向不明确及与低频地震动叠加的难题，提出全新的辐射模式改进方案。结合前期研究基础，几方面同时推进，发现问题、不断改进，完善宽频地震动混合模拟方法，为强震近场区工程建设及防震减灾规划提供更先进的技术成果。

西南地区构造活动剧烈、强震触发危险性大，对强烈地震引发灾害的研究是西部发展建设深化的迫切需求。强烈地震近场区地震动破坏性强、高频分量丰富，受震源控制显著，在近断裂效应影响下更为复杂，目前以混合模拟方法为最先进研究手段。本课题将震源和传播途径连成一线、系统研究，在目前宽频地震动混合模拟框架基础上，向前推进，发现问题、不断改进，对宽频地震动模拟的部分环节做出了完善，为强震近场区工程建设及防震减灾规划提供更先进的技术成果。在混合模拟研究的总体框架中，创新性地提出在高频随机合成法的相位谱中吸收格林函数，将随机合成时的相位谱与地壳速度结构、介质参数、以及场地与源点的几何关系相关联，使高频地震动估计中包含区域地壳速度结构的影响。经算例检验，改进方法得到的加速度时程的反应谱，能够表征基于大量随机相位谱合成的地震动的平均水平，消除随机相位谱对合成地震动场空间特征的干扰；针对高频地震动震源谱辐射模式提出改进方案，从震源谱系数及拐角频率两个角度，将子源高频地震动的辐射模式与地震破裂发展过程联系起来。既考虑场点与破裂面走向、倾向以及破裂方向的几何关系，又体现凹凸体是高频地震波的主要散射源，同时调整震源谱辐射水平标度因子，从时域波形上观察，对地震动估计精度的改善比较明显；针对高、低频两部分地震动参数取值问题，提取并建立随时间变化的频谱特征参数：时域主频转换点、转换点频率和频降斜率，以描述地震动频谱成分从高到低的变化，以及高、低频两部分地震动特征参数随频率的过渡。在现有宽频地震动模拟中吸收随时间变化的频谱特征参数，实现模拟地震动频谱成分从高频段到低频段的平稳过渡。借助美国Mineral地震、印度Bhuj地震以及中国汶川地震的实震记录，对改进后的地震动模拟方法进行了校用，结果表明考虑辐射因子改进及频谱成分过渡后的地震动合成方法，在较宽的频段上都能够给出较好的模拟精度，对时域波形有明显改善。上述三方面成果是对目前宽频地震动混合模拟方法的一种推进和完善，改进后的模拟方法可为强震近场区工程建设及防震减灾规划提供更先进的技术成果，研究过程中亦提炼出一些新的问题，值得今后继续深入。