1、第 卷 第 期 年 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 .：海域地震动水平加速度反应谱阻尼修正系数刘名吉，胡进军，石 昊，谭景阳，（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨；中国地震局地震工程与工程振动重点实验室（中国地震局工程力学研究所），哈尔滨）摘 要：为估算不同阻尼比海域工程结构的反应谱，研究了海域工程反应谱的阻尼修正系数（）模型。基于 台网的 条海底水平向地震动记录，分析了矩震级、断层深度和震源类别等震源参数，以及震源距和沉积层厚度对 的影响，提出了考虑阻尼比和谱周期的海域地震动水平加速度反应谱 模型，并与陆域模型进行了对比。研究表明：矩震级和震源距对 影响显著，低阻尼 随矩震级和震源距增大
2、而增加，高阻尼 随之增大而降低，而 受断层深度和沉积层厚度的影响不显著；与陆域研究不同，在低阻尼中长周期时海域地震动的浅地壳和上地幔地震的 略大；谱周期大于 时和小于 时，可分别用三次和二次对数多项式模拟阻尼比对 的影响，谱周期的影响可分别用四次和三次多项式表示；海域 模型与陆域模型差异显著，海域 模型更能合理预测不同阻尼比的海域地震动反应谱，提出的海域地震动反应谱 模型为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。关键词：海域工程；海域地震动；加速度反应谱；阻尼修正系数；海陆差异中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；（，），）：，（），：；收稿日期：；录用日期：；网络首发日期：网络首发
3、地址：基金项目：国家自然科学基金（，）作者简介：刘名吉（），男，博士研究生；胡进军（），男，研究员，博士生导师通信作者：胡进军，现行建筑抗震设计规范以及多数地震动预测模型给出的反应谱一般针对 阻尼比的情况。建筑抗震设计规范提供抗震设计是基于承载力的抗震设计，结构滞回恢复力（或弹性恢复力）是标定抗震设计谱的依据，工程实践中最常用的是利用阻尼修正系数（，）对 阻尼比反应谱进行调整，通常被定义为阻尼比为 的加速度反应谱与 阻尼比加速度反应谱的比值。的研究可以追溯到 年 等的经典著作，其研究利用 年以前美国加州 条地震动的水平和竖向分量，提出了阻尼比低于情况下的 模型，得出的结果已在很多规范和指南中得
4、到应用。早期的研究 大多只考虑阻尼比的影响，等计算了各影响因素（阻尼比、谱周期、震级、距离等）与 的 秩相关系数，发现阻尼比对 的影响显著大于其他因素，早期模型因形式简单，计算方便，被广泛应于各国规范及规程中。近年研究表明，仅考虑阻尼比影响的模型很难预测更精确的谱值，除阻尼比外，还受谱周期和地震动参数的影响。等、等、等、等 分别针对墨西哥、秘鲁、智利、日本地区建立了考虑阻尼比、谱周期以及场地类别的 模型。而 等、等、等认为场地类别对 的影响很小，可以忽略。等、等和 等认为需要单独研究加速度谱 和位移谱，若结构阻尼来源于滞回特性，塑性铰的产生，应选择加速度谱；而结构阻尼由附加消能装置产生的，应选
5、择位移谱。苏开潍等、姜明秀等、张潇男等分别对日本俯冲带地震建立加速度谱 模型，张衡等、杨新格和李恒等利用日本地震动台网记录的地震记录建立了位移谱 模型。一些学者认识到地震动持续时间对能量耗散的重要性，等发现 随地震动持续时间的增大而减小。但地震动持续时间不是一个设计工程师容易得到的参数，有些模型中包含了其他参数作为地震动持续时间的替代，如 等利用矩震级和震源距代替地震动持续时间的影响，建立了与阻尼比、谱周期、震级和距离有关的全球俯冲带地震模型。随着海洋工程的兴建、很多海洋结构的阻尼比并非，例如，海底沉管隧道、海底管道、海洋石油平台、储油罐、跨海桥梁等海洋工程结构的阻尼比一般小于，装有隔震支座的
6、建筑和桥梁的阻尼比要大于。结构体系和外部环境介质相互作用时，产生的阻尼也不一致，如地震烈度较大时海底管道与土之间产生相对滑动，其结构阻尼比往往大于，储液晃动的储油罐远小于。目前海域工程的抗震设计主要参考陆地相关抗震规范提供的地震动参数，没有考虑海域地震动的特殊性。在海域地震动模型方面，仅 等根据日本相模湾海底地震记录探讨了 个台站的海域水平向地震动加速度峰值和 阻尼比反应谱的地震动模型，表明海陆地震动模型存在较大差异。相对于研究较多的陆地 模型，目前没有基于海域地震动建立 模型。因此，本研究基于日本 海底地震大量水平向地震动，研究其影响因素，提出海域 模型，为调整海域地震动的反应谱，以及海域工
7、程抗震设计和地震安全性评估提供参考。海域地震动数据集 台网是日本的大型海底观测网络，用于观测研究以及预警发生在该海域的地震和海啸。年东北太平洋地震后，日本防灾科学技术研究所在从北海道海岸到千叶县博索半岛外的太平洋海底安装了 个由地震仪、水压计和倾斜仪组成的观测系统。该系统以网状方式布设，平均每 设置约 个观测点，观测点的数据通过海底电缆传输到地面台站。本研究选取 年 月到 年 月 台网记录的矩震级大于 的地震记录，经过地震数据的筛选与处理，获得了 次地震的 条海底地震动记录。考虑到日本所处复杂板块的震源特征，根据 等提出的日本俯冲带地震分类方法，结合 等提出的俯冲板块模型，将地震动数据集分成
8、次浅层壳内地震的 条地震动记录，次上地幔地震的 条地震动记录，次俯冲带板间地震的 条地震动记录，次俯冲带板内地震的 条地震动记录，见表。表 各地震类别的地震事件数以及地震动记录数 地震类型地震事件数地震动记录数浅壳上地幔 板间 板内 合计 图 显示了选取的地震事件的断层深度与矩震级的分布，以及地震动记录的震源距与矩震级的分布。由图 可见，矩震级在 范围内变化，断层深度最小为 ，最大为 ，震源距最小为 ，最大为 。为了避免未触发台站的影响，对于特定震级的地震事件，超过一定震源距的记录需要剔除，本研究采用了与矩震级相关的距离截断，且最大的震源距设置为 。哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷在
9、结构的性态抗震设计中，常采用相应阻尼比的设计反应谱，例如高阻尼谱用于直接基于位移的抗震设计、使用能力谱法时的目标位移估计、耗能装置或隔震系统的抗震设计等，而低阻尼谱用于非结构部件的抗震设计。本研究根据 条地震记录计算了包含高阻尼比（）和低阻尼比（）共 个阻尼比（）和 个谱周期（）的 条加速度反应谱，计算得到了相应阻尼比下的 值，并求出为建立 模型所用的均值。0 20 40 60 80 100 120(a)地震事件的断层深度与矩震级的分布断层深度/km0 50 100 150 200 250 300震源距离/km(b)地震动记录的震源距与矩震级的分布7.56.55.54.53.5矩震级7.56.
10、55.54.53.5矩震级浅壳上地幔板间板内浅壳上地幔板间板内图 地震事件及地震动记录分布 的影响因素相比于陆地地震动，海域地震动受到的影响因素更多、更复杂。在建立海域地震动 模型时，首先需要分析影响和控制 的主要因素，以便于计算 并使得建立的模型便于工程应用。因此，需要首先明确是否：）有必要针对每类地震单独建立模型；）需要将震源、路径和场地效应纳入到模型中。图 比较了 组地震在阻尼比 和 时的。由于浅层壳内地震的记录较少，且浅层壳内地震与上地幔地震有相似的衰减特征，本研究将两者归为一组。浅壳与上地幔记录数为，板间为，板内为。由图可见在谱周期小于 时，地震类型对 的影响很小，随谱周期的增大差异
11、逐渐增大，且阻尼比为 的差异（处板内为 ，浅壳与上地幔为 ，相差 ）大于阻尼比为的情况。阻尼比为时（图（）的中长周期，浅壳与上地幔地震的 略大于板间和板内地震的，这与 等认为相比浅壳与上地幔和板内地震，板间地震的 略大的结论不同。(a)阻尼比为 1%0.02 0.04 0.08 0.16 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12谱周期/s(b)阻尼比为 30%0.02 0.04 0.08 0.16 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12谱周期/s浅壳与上地幔板间板内浅壳与上地幔板间板内1.81.61.41.21.03.02.52.01.51.00.5阻尼修正系数阻尼修正系数图
12、 不同地震类型 变化趋势 为了分类研究地震动参数对 的影响，本研究用统计的方法分析了震源参数（矩震级和断层深度）、震源距和沉积层厚度对加速度谱 的影响，表、分别给出了基于矩震级、震源距和基于断层深度、沉积层厚度的地震动记录分组。图、给出了所有地震动记录的加速度谱，根据矩震级大小划分了 个震级组，分别为小震组（.），中震组（和 ），大震组（）；参照 等对深度的分段点并根据本研究数据集的分布，划分了 个断层深度组，分别为小深度组（），中 深 度 组（），大 深 度 组（）；根据路径效应中近场项和远场项，划分了 个震源距组，分别为近场组（），中远场组（和 ），远场组（）；第 期刘名吉，等：海域地震动
13、水平加速度反应谱阻尼修正系数 等认为沉积层厚度大于 会对地震动衰减有影响且随沉积层厚度的增加影响增大，本研究沉积层厚度小于 的记录只有 条，因此选取了 个沉积层厚度组，分别为浅沉积层厚度组（），较深沉积层厚度组（）和深沉积层厚度组（）。表 基于矩震级和震源距的地震动记录分组 矩震级震源距 记录数矩震级震源距 记录数 图 给出了 随矩震级和断层深度的变化，从图（）可看出在阻尼比为 时，在谱周期小于 时，几乎不受矩震级的影响，仅小震组比中震和大震组略大，小震级组随谱周期的增大迅速降低，在谱周期大于 后，大震组值始终大于.且变化不大；在阻尼比为 时（图（），在谱周期小于 时，随矩震级的增大而增大，但
14、不同震级组的 差异很小，小震级组随谱周期的增大迅速增加，在 处达到最大值 ，大震组增加缓慢且始终小于 。这表明除短周期外，矩震级对 值的影响显著，低阻尼 随矩震级的增大而增大，而高阻尼 随矩震级的增大而降低。由图（）和（）可见不同深度组 的差异不大，在长周期阶段小深度组值略小，与中深度和大深度组的最大差异为 （图（），表明断层深度对影响很小。表 基于断层深度和沉积层厚度的地震动记录分组 断层深度 沉积层厚度 记录数 阻尼修正系数(a)阻尼比为 1%时 DMF随矩震级的变化0.02 0.04 0.08 0.16 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12谱周期/s0.02 0.04 0.0
15、8 0.16 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12谱周期/s(b)阻尼比为 30%时 DMF随矩震级的变化1.81.61.41.21.00.8阻尼修正系数3.93.22.51.81.10.44.04.84.95.45.57.14.04.84.95.45.57.1(c)阻尼比为 1%时 DMF随断层深度的变化(d)阻尼比为 30%时 DMF随断层深度的变化0.02 0.04 0.08 0.16 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12谱周期/s0.02 0.04 0.08 0.16 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12谱周期/s阻尼修正系数3.02.52.01.5
16、1.00.51.81.61.41.21.0阻尼修正系数4040707040407070图 值随矩震级和断层深度的变化趋势 图 给出了 随断层距和沉积层厚度的变化，从图（）可看出当阻尼比为 时，在谱周期小于 时，近场组最大且与中远场组和远场组的差异在 以内，中远场组（）和远场组相似，短距离组随谱周期的增大迅速降低，在 时 ，为，远场组在长周期时略有下降，仅在 的区间变化；当阻尼比为 时（图（），在谱周期小于 ，几乎不受距哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 卷离的影响，不同震源距组的 随谱周期增加差异在增大，在 处远场组与近场组差异达到最大值 。这表明震源距对 值的影响显著，在长周期阶段低阻尼 会随震源距的增大而增加，而高阻尼 随震源距的增大而降低。由图（）可以看出在阻尼比为 时，相比较深和深沉积层厚度组，在短周期阶段浅沉积层厚度组略大、长周期阶段浅沉积层厚度组略小，但从整体来看沉积层厚度对值的影响甚微。(a)阻尼比为 1%时 DMF随距离的变化(c)阻尼比为 1%时 DMF随沉积层厚度的变化0.02 0.04 0.08 0.16 0.32 0.64 1.28 2.56 5.12 谱周