GHM2010地震波选择方法-工具-及其在基于性能的抗震设计中的应用

-1-第四届粤港澳地震科技研讨会，2010年1月7-8日，香港4thGuangdong-HongKong-MacauSeminarsonEarthquakeScienceandTechnologyJanuary7-82010,HongKong地震波选择方法，工具，及其在基于性能的抗震设计中的应用王刚香港科技大学土木及环境工程学系摘要在基于性能的土木工程抗震设计中，地震波是影响系统反应不确定性的最重要的因素之一。因此，研究一种系统的方法和工具，以便从现有的地震数据库中选择适当的地震波以代表设计地震的重要特征，便显得至关重要。由美国太平洋地震研究中心和加州地质勘探局联合赞助，DGML项目开发了一个地震波选择系统，以便提供地震加速度用于各种工程的抗震设计。DGML带有PEER-NGA强震数据库及用户交互图形界面，它能够根据各种设定的准则，搜索相应的地震记录，包括(1)设定的地震特性，如，震级，断裂机制，距离，和场地情况等；(2)地震波的反应谱与设计地震反应谱的对比；以及(3)其他的特性，如是否包含近场地震速度脉冲等。DGML应用于实际的工程抗震设计，显示出优良的性能。-2-DesignGroundMotionLibraryandItsApplicationinPerformance-basedEarthquakeDesignofCivilInfrastructureGangWangDepartmentofCivilandEnvironmentalEngineeringHongKongUniversityofScienceandTechnologyABSTRACTInperformance-basedseismicdesignofcivilinfrastructure,earthquakegroundmotionisoneoftheprimarysourcesofuncertaintyinassessingtheseismicperformanceofthecivilsystem.Itiscriticaltodevelopsystematicmethodsandusefultoolstoselectandmodifyfromcurrentgroundmotiondatabasestoprovideasmallgroupofearthquakemotionsthatcanrealisticallyrepresentimportantaspectsofthedesignmotionthatcontrolthenonlinearresponseofcivilengineeringfacilities.SponsoredbyPacificEarthquakeEngineeringResearchCenterandCaliforniaGeologicalSurvey,theDesignGroundMotionLibrary(DGML)projectcreatesanelectroniclibraryofrecordedgroundmotionaccelerationtimehistoriessuitableforusebyengineeringpractitionersfortimehistorydynamicanalysesofvariousfacilitytypes.DGMLisagroundmotionselectionandmodificationsystemequippedwithPEER-NGAstrongmotiondatabaseandinteractivegraphicuserinterface.TheDGMLhasthebroadcapabilityofsearchingfortimehistoryrecordsetsintheaccordingtovariousselectioncriterion,including(1)thecharacteristicsoftherecordingsintermsofearthquakemagnitudeandtypeoffaulting,distance,andsitecharacteristics,(2)theresponsespectralshapeoftherecordsincomparisontodesignortargetresponsespectra,and(3)otherrecordcharacteristicsincludingdurationandthepresenceofvelocitypulsesinnear-faulttimehistories.DGMLhasdemonstratedexcellentcapacityinengineeringdesignpractice.-3-1.引言近年来,基于性能的地震设计在地震防灾减灾,保护生命财产安全方面起到越来越大的作用。由于地震波是影响系统反应不确定性的最重要的因素之一，因此，选择适当的地震波用于分析与设计成为抗震设计的重要课题。由美国太平洋地震研究中心（PEER）和加州地质勘探局（CGS）联合赞助，DGML（DesignGroundMotionLibrary）研究项目的目的是建立一个动态交互式地震波选择系统，以便提供代表设计地震的加速度时程用于各种工程的抗震设计。DGML软件用Matlab图形界面开发而成，并被编译成不依赖Matlab环境而独立运行的程序。DGML使用PEER-NGA研究项目（太平洋地震中心下一代地震衰减模型）新一代强震数据库，能根据用户设定的地震特性和准则来选择符合目标反应谱形状的地震波。DGML项目最初的概念是建立一个按震级大小，断层类型，距离范围，场地情况，和若干周期范围划分成若干子库的“静态”数据库。2006,2007年太平洋地震中心地震波选择和修改研讨会（COSMOS2006,2007）的研究进展表明，地震波的选择必须考虑同时考虑地震的特性和结构非线性反应的特性。因此，地震波选择系统应给予设计和分析人员充分的自由度，而DGML相应开发成一个“动态”的地震波数据库管理系统。DGML提供用户友好的图形界面方便数据输入和操作。操作结果能够实时的图形化显示出来。DGML给用户提供充分的自由度来使用不同的选择准则。DGML能够根据各种准则，搜索相应的地震记录，包括(1)设定的地震特性，如，震级，断裂机制，距离，场地情况，时程长短等；(2)地震波的反应谱与设计地震反应谱的对比；以及(3)是否包含近场地震速度脉冲，是否对波幅进行比例缩放等其他选项。2.DGML地震波数据库DGML所使用的地震数据库是基于PEER-NGA研究项目的新一代强震数据库，（参见）。该强震数据库为太平洋地震中心，美国国家-4-地质勘探局（USGS），南加州地震中心联合开发的下一代地动衰减模型（NGA）所用的数据库。该数据库来源于加州地质勘探局强震观测项目（CGS-CSMIP）和美国国家地质勘探局的可靠观测资料，并包含一些其他国家和地区的地震记录。该数据库共包含173次地震，涉及1456个地震台，共3551套三个方向的地震波加速度时程。根据断层走向资料，PEER-NGA地震记录进一步正交转换到平行于断层（FP,FaultParallel）和垂直于断层(FN,FaultNormal)两个方向。对比原数据库，正交转换后的地震波提供了更多相关于震源的信息。例如，垂直于断层方向的地震波往往含有近断层强震速度脉冲，与断裂方向性效应直接相关。经过详细的鉴别整理，DGML地震波数据库共收录3182套三向(FP,FN,和竖向)地震记录。没有收录的地震记录主要为以下几种类型：（1）DGML数据库只保留浅层活动地块地震波，因而不收录其他地质环境（例如潜没带）下的地震记录。（2）剔除非自由场的地震记录，比如在坝顶，在高层/重型楼房的地下室及地面等记录点所观测到的数据。（3）不收录缺乏现场土层及地质资料的地震波；（4）不收录只有一个水平方向记录的地震波；（5）由于缺乏记录传感器方向或断层走向，而无法把地震原测记录转换到平行于断层（FP）和垂直于断层(FN)两个方向的地震波；（6）其他一些不能公开的地震记录，或不可靠的地震记录，或重复的地震记录，等等。图一显示DGML所使用的地震波数据库的震级和距离分布。DGML数据库每条地震记录都有详尽的信息数据，包括震源基本信息，从震源到记录台的传播路径，和记录台的场地状况。每个地震波在数据库中都有唯一的编号和大量的相关信息，包括：地震名称，年份，震级，断层类型，从震源到记录台的最短距离的度量数据（如，到断裂面的最短距离，及Joyner-Boore距离等），记录台的名称，场地地下30米平均剪切波速度（Vs30），等等。除此之外，DGML表征地震波特性的定量参数还包括：加速度反应谱，峰值加速度（PGA），峰值速度（PGV），峰值位移（PGV），地震波有效持时（significantduration），推荐使用的最小可用频率（即最长可用周期），有无强速度脉冲等。其中，地震波有效持时是表征地震能量的一个标量，是地震加速度时程累积5%-95%阿里亚斯烈度（AriasIntensity）所历经的时间。有效持时的长短可能会对结构动力反-5-应有重要的影响，是选择地震波应考量的重要特征。每个地震波记录有推荐使用的最小可用频率，对应于反应谱的最长可用周期。地震波后处理的滤波过程中去掉了短频（长周期）噪音，而滤波导致了地震波波幅和能量在低于该值的频率范围内减小。因此，在那些频率范围内，后处理过的地震波不能代表真实的地震。我们建议，与结构反应相关的频率范围要尽量在选取的地震波的可用频率范围内。0.11101001000RRUP(km)45678MagnitudeCaliforniaTaiwanOtherRegions图一：DGML所使用的地震波数据库震级和距离分布-6-大量研究表明，通常出现在近场地震波时程中的强速度脉冲对结构可能产生严重的损害（参见Berteroetal.1978;AndersonandBertero1987;Halletal.1995;Iwan1997;MakrisandBlack2003;LucoandCornell2006;BakerandCornell2008）。因此，DGML提供了搜索强速度脉冲地震波的功能。强速度脉冲地震波可能与断层断裂的方向性效应相关。如前所述，DGML地震波数据库已经正交转化到垂直于断层走向（FN）和平行于断层走向（FP）的两个方向。早前的研究（Somerville等1997）表明，强脉冲多发生在垂直断层的方向，而较少发生于平行断层的方向。DGML对速度脉冲波的认定和特性分析主要参考Baker(2007)的研究结果。Baker分析了PEER-NGA数据库中的所有记录，采用小波分析的方法确认出具有强速度脉冲特性的FN方向的地震波。他提出的确定速度脉冲的一般准则为：（1）单脉冲对比波程的其他部分足够显著；（2）此脉冲在地震历程早期达到，符合断层断裂方向性效应的特征；（3）此脉冲具有足够大的绝对速度幅值（峰值速度需大于等于30厘米/秒）。值得指出的是，在缺乏更详尽的地震学资料的前提下，我们不能保证Baker所确定的脉冲波都是由于断裂方向性效应引起的。虽然引起这些脉冲波的机理尚不完全清楚，这些脉冲波和方向效应引起的脉冲波相似，可以用来模拟方向脉冲对结构的影响。Somerville(2003),Mavroeidis和Papageorgious(2003),Bray和Rodriguez-Marek(2004)，Fu和Menon(2004)等人也提出过近场地震记录中含有强脉冲的列表。因此，我们在Baker研究的基础上，根据上述几人的研究结果补充了一些新的脉冲地震波。新确定的脉冲波需满足以下两个条件:(1)峰值速度大于等于30cm/sec；（2）新增加的脉冲波至少被以上两个研究组所共同确认过。DGML最终确定的脉冲地震波为：60条