韓建平1, 2，周  偉1
(1. 蘭州理工大學防震減災研究所, 甘肅, 蘭州 730050; 2. 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室, 甘肅, 蘭州 730050)

    摘  要：選擇國家強震動臺網中心發布的2008年5月12日汶川地震四川、甘肅、陜西等地臺站中的94組加速度記錄進行了處理，提取了一些主要地震動參數，應用統計分析方法重點對地震動豎向與水平峰值加速度比、豎向與水平加速度反應譜及豎向與水平卓越周期比等進行了研究。結果表明，豎向與水平峰值加速度比的平均值為0.58，但約30%臺站的峰值加速度比大于2/3；豎向與水平峰值加速度比隨震中距的增大減小，近震區該比值離散性較大，場地條件對該比值也有較大的影響；在周期0-6s內豎向與水平加速度反應譜比曲線總體呈“Z”字形；不同的周期段，豎向加速度反應譜和水平加速度反應譜的譜形有較大差異，相比水平加速度反應譜，豎向加速度反應譜偏“瘦”；除少數臺站外，絕大部分臺站豎向與水平卓越周期比均小于1.0，該比值隨震中距的增大而增大，并逐漸趨于平緩。上述研究結果可以為時程分析選取豎向地震動輸入提供參考。
    關鍵詞：汶川地震；豎向地震動；峰值加速度比；反應譜；卓越周期
中圖分類號：P315.9    文獻標識碼：A
PRELIMINARY INVESTIGATION ON CHARACTERISTICS OF VERTICAL GROUND MOTION DURING WENCHUAN EARTHQUAKE
HAN Jian-ping1, 2, ZHOU Wei1
(1. Institute of Earthquake Protection and Disaster Mitigation, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China;
2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China)
Abstract:  94 suites of acceleration records from the stations in Sichuan, Gansu and Shaanxi provinces during Wenchuan earthquake of May 12, 2008, which were released by China Strong Motion Networks Center, were selected to process for extracting some essential ground motion parameters. The ratios of vertical to horizontal peak ground acceleration, acceleration response spectra and predominant period were mainly investigated with the method of statistical analysis. The results indicated that the average ratio of vertical to horizontal peak ground motion is 0.58, and the ratios of more than 30% stations are greater than 2/3. This ratio decreases with the increasing epicentral distance and it is much discrete in the near-fault region. Furthermore, site condition also influences this ratio. The curves of vertical to horizontal acceleration response spectrum ratios with period from 0 to 6 second have “Z” shape generally. The shapes of vertical and horizontal acceleration response spectrum vary within the different period range. And vertical acceleration response spectrum looks thin comparing to the horizontal counterpart. Except several stations, the ratio of vertical to horizontal predominant period is less than 1.0. This ratio increases with the increasing epicentral distance and becomes smooth gradually. The study results can provide reference for choosing the vertical ground motion input during time history analysis.
Key words:  Wenchuan earthquake; vertical ground motion; ratio of vertical to horizontal peak ground acceleration; response spectra; predominant period

    近些年來全球范圍內發生的幾次強烈地震，特別是1995年日本Kobe地震和1999年我國臺灣集集地震的震害調查表明，許多結構的破壞中有豎向地震作用的痕跡，有的甚至是由豎向地震作用直接導致的。在高烈度區，特別是震中區及近斷層區，豎向地震作用是非常明顯的[1-6]。
    大量近斷層地震記錄的統計結果表明：豎向峰值加速度 與水平峰值加速度 的比值會超過預先設想的2/3[4,7]，而且近些年來也獲得了豎向峰值加速度達到甚至超過水平峰值加速度的地震記錄。1976年前蘇聯格茲里地震，記錄到的最大豎向峰值加速度為1.39g，豎向和水平峰值加速度的比值為1.63[1]；1979年美國帝國山谷(Imperial Valley)地震所獲得的30個記錄， 的平均值為0.77，靠近斷層(距離約為10km)的11個記錄 的平均值則達到了1.12，其中最大的一個記錄，豎向峰值加速度更是達到1.759g，豎向和水平向峰值加速度比高達2.4[8]。Bozorgnia等分析了發生在1975年到1995年間44個地震的2800多個峰值加速度和33個地震動的1300多個反應譜、發現 的值與場地的卓越周期、場地土條件和震源距有很大的關系，而與震級和發震斷層類型的關系不明顯， 的最大值在場地卓越周期為0.1s時可能達到1.5，在場地卓越周期為0.3~2.0s時,  的值為0.5或者更小一些；而對卓越周期較長的場地， 的最大值可達0.7[8]。周錫元等利用臺灣集集地震所得地震動記錄對近斷層豎向與水平反應譜比值進行了研究，結果表明，在短周期范圍內，該比值遠大于2/3[9]。
    基于此，國內外學者對結構豎向地震反應的研究日益重視。Kikuchi等研究了五層三跨RC框架結構分別在水平地震作用、豎向地震作用、水平地震和豎向地震同時作用下的抗震性能，其分析結果表明在水平地震動和豎向地震動同時作用時，豎向地震動僅對柱的軸力有較大影響[10]。Yamazaki等研究了鋼框架結構在豎向地震動作用下的反應，提出豎向地震動對結構水平反應有較大影響，影響程度與結構豎向振動周期與水平振動周期之比 有關[11]。賈俊峰等人對近斷層豎向地震動峰值特征研究后發現，在近斷層區域的結構抗震設計中應重視可能發生的走滑斷層中等震級條件下豎向地震動對結構的潛在危害[3]。Kim、Elnashai等研究了豎向與水平峰值加速度比對RC橋梁和房屋結構承載力的影響后發現，結構的抗剪承載力隨著該比值的增大而減弱[4,12-15]。Kunnath、Yilmaz等研究了公路橋梁在豎向地震作用下的影響后認為，應該要考慮豎向地震動對結構承載力的不利影響[16,17]。
    本文對國家強震動臺網中心收集并發布的2008年5月12日汶川8.0級地震四川、甘肅、陜西94個臺站的各分量加速度記錄進行了處理與初步分析，提取了一些主要的地震動參數，并重點對地震動豎向與水平峰值加速度比、豎向與水平加速度反應譜及豎向與水平卓越周期比等進行了研究。
    1  汶川地震強震動記錄概況及選取原則
    1.1  四川、甘肅、陜西地震動臺站基本情況
    四川、甘肅和陜西省境內分別有由131個、65個和29個固定自由場強震動觀測臺組成的數字強震動臺網。在汶川地震中，除11個臺站記錄完全或部分缺失外，其余臺站均記錄到完整的地震動加速度數據。圖1為汶川地震四川省、甘肅省、陜西省獲取地震記錄臺站分布圖。

    1.2  四川、甘肅、陜西地震動臺站數據的選擇與處理
    1.2.1  典型臺站地震動時程數據的選擇
    汶川地震中，四川、甘肅、陜西分別有124個、61個、29個數字強震儀完整地記錄到此次地震。本文依據所記錄到的原始地震動加速度時程，從中共選取峰值加速度大于100gal且持時較長的94組較典型的三分量加速度記錄進行分析與研究，其中四川省選取64組、甘肅省選取17組、陜西省選取13組。
     選取的64組四川省臺站加速度記錄中，汶川臥龍臺站(51WCW)東西方向水平峰值加速度及豎向峰值加速度均為最大，其值分別為957.70gal、948.10gal；豎向峰值加速度高于水平峰值加速度的有7個臺站，分別是：江油含增臺站(51JYH)、茂縣南新臺站(51MXN)、什邡八角臺站(51SFB)、臥龍臺站(51WCW)、黑水雙溜索臺站(51HSL)、理縣木卡臺站(51LXM)、理縣桃平臺站(51LXT)；最大記錄持時為瀘定加郡臺站(51LDL)，時長398s。
    選取的17組甘肅省臺站加速度記錄中，武都臺站(62WUD)東西方向水平峰值加速度最大，其值為184.87gal；文縣臺站(62WIX)豎向峰值加速度最大，其值為131.97gal；最大記錄持時為和平臺站(62HEP)，時長為343s。
    選取的13組陜西省臺站加速度記錄中，隴縣臺站(61LOX)東西方向水平峰值加速度最大，其值為153.95gal；鳳翔臺站(61FEX)豎向峰值加速度最大，其值為58.25gal；鳳翔臺站(61FEX)豎向峰值加速度(58.25gal)大于南北方向峰值加速度 (22.04gal)；最大記錄持時為戶縣臺站(61HXI)，時長為439s。
    1.2.2  典型臺站地震動時程數據的處理
    對所選取的94組強震動記錄數據進行頻帶濾波(0.1-25Hz)和基線校正處理，提取其地震動記錄詳細信息。表1為94組地震動記錄的詳細信息。圖2為經濾波和基線處理后的部分臺站地震加速度時程曲線示例，圖3為部分臺站地震動記錄加速度反應譜曲線示例。

2 

     2豎向與水平峰值加速度比分析

     2.1  豎向與水平峰值加速度比與震中距的關系

    圖8表明：除了少數臺站的豎向與水平向卓越周期比大于1.0之外，絕大部分臺站豎向與水平向卓越周期比均小于1.0；豎向與水平向卓越周期的比值隨震中距的增大有增大的趨勢，并逐漸趨于平緩。因此，對于豎向設計反應譜的特征周期應有單獨規定，規范中將豎向設計反應譜的特征周期取為和水平向設計反應譜的特征周期相同是不盡合理的。
    5  結論與建議
    本文對國家強震動臺網中心收集并發布的2008年5月12日汶川8.0級地震四川、甘肅、陜西94個臺站的各分量加速度記錄進行了處理與初步分析，重點研究了豎向與水平峰值加速度比、豎向與水平加速度反應譜及豎向與水平卓越周期比等，得到了以下結論：
    (1) 94組地震動記錄豎向與水平峰值加速度比的平均值為0.58，約30%臺站的峰值加速度比大于2/3，四川汶川臥龍臺站和理縣木卡臺站的峰值加速度比甚至達到1.18。
    (2) 豎向與水平峰值加速度比隨震中距的增大有減小的趨勢。在震中附近，豎向地震動峰值加速度較大，但隨著震中距的逐漸加大，豎向地震動峰值加速度相對水平向地震動峰值加速度衰減較快。另外，近震區 的離散性較大。
    (3) 場地條件對地震動豎向與水平向峰值加速度比也有較大的影響。不同場地類別和不同震源機制對峰值加速度比的影響，尚需隨著地震記錄的不斷積累而進行更深入的分析和研究。
    (4) 在周期0-6s內豎向與水平加速度反應譜比曲線總體呈“Z”字形；不同的周期段，豎向加速度反應譜和水平加速度反應譜的譜形有較大差異，相比水平加速度反應譜，豎向加速度反應譜偏“瘦”。
    (5) 除少數臺站外，絕大部分臺站豎向與水平卓越周期比均小于1.0；豎向與水平卓越周期比隨震中距的增大而增大，并逐漸趨于平緩。
基于上述結論，建議：
    (1) 豎向地震動分量對結構的作用不可忽視，加大對豎向地震動的研究具有現實的工程意義和重要的學術價值。在近震區和近斷層區，對豎向地震動的作用應進行慎重地分析。
    (2) 抗震規范取豎向地震影響系數的最大值為水平地震影響系數最大值的65％的規定有待進一步探討，建議可以考慮區分不同的周期段采用不同的系數。
    (3) 豎向反應譜的形狀不能認為和水平反應譜的形狀一致，建議適當減小規范豎向設計反應譜的衰減指數。
    (4) 規范中將豎向反應譜的特征周期取為和水平反應譜的特征周期相同是不盡合理的，建議對豎向設計反應譜的特征周期應有單獨規定。

    致謝　衷心感謝國家強震動臺網中心提供數據支持!

參考文獻：

[1] 辛婭云. 豎向地震作用的重要性[J]. 工程抗震與加固改造, 2005, 27(S1) : 48-50.
Xin Yayun. importance of the vertical seismic effect[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2005, 27(S1) : 48-50. (in Chinese)
[2] Yanf J, Lee C M. Characteristics of vertical and horizontal ground motions recorded during the Niigata-ken Chuetsu, Japan Earthquake of 23 October 2004[J]. Engineering Geology, 2007, 94 (1-2) : 50–64.
[3] 賈俊峰, 歐進萍. 近斷層豎向地震動峰值特征[J]. 地震工程與工程振動, 2009, 29(1): 44-49.
Jia Junfeng, Ou Jinping. Peak amplitude characteristics of vertical seismic ground motions in near-fault regions[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2009, 29(1): 44-49. (in Chinese)
[4] Kim S J, Elnashai A S. Seismic assessment of RC structures considering vertical ground motion[D]. Urbana: University of Illinois at Urbana-Champaign, 2008.
[5] 賈俊峰, 歐進萍. 近斷層豎向與水平向加速度反應譜比值特征[J]. 地震學報, 2010, 32(1): 41-50.
Jia Junfeng, Ou Jinping. Vertical-to-horizontal acceleration response spectrum ratio of near-fault ground motion[J]. Acta Seismologica Sinica, 2010, 32(1): 41-50. (in Chinese)
[6] 李恒, 秦小軍. 豎向與水平向地震動加速度反應譜比特性分析[J]. 地震工程與工程振動, 2010, 30(1): 8-14.
Li Heng, Qin Xiaojun. Study on characteristics of vertical to horizontal acceleration response spectral ratio[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2010, 30(1): 8-14. (in Chinese)
[7] Li Xinle, Dou Huijuan, Zhu Xi, Engineering characteristics of near-fault vertical ground motions and their effect on the seismic response of bridges[J], Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2007, 6(4): .345-350.
[8] Bozorgnia Y, Campbell K, Niazi M. Observed spectral characteristics of vertical ground motion recorded during worldwide earthquakes from 1957 to 1995[C]// Proc. 12WCEE. Auckland, New Zealand, 2000.
[9] 周錫元, 徐平, 王國權, 等. 1999年臺灣集集地震近斷層豎向與水平反應譜比值的研究[J]. 地震地質, 2006, 28(3): 325-335.
Zhou Xiyuan, Xu Ping, Wang Guoquan, et al. A case study on near fault vertical to horizontal response spectral ratio from the 1999, Chi-Chi, Taiwan, earthquake[J]. Seismology and Geology, 2006, 28(3): 325-335. (in Chinese)
[10] Kikuchi M, Dan K, Yashiro K. Seismic behavior of a reinforced concrete building due to large vertical ground motions in near-source regions[C]// Proc. 12WCEE. Auckland, New Zealand, 2000.
[11] Yamazaki S, Minami S, Mimura H, et al. Effects of vertical ground motions on earthquake response of steel frames[C]// Proc. 12WCEE. Auckland, New Zealand, 2000.
[12] Kim S J, Holub C J, Elnashai A S. Analytical and experimental investigations of the effect of vertical ground on RC bridge piers[C]. The 14th World Conference on Earthquake Engineering. Beijing, China, 2008.
[13] Elnashai A S, Spencer B, Kuchma D, et al. Analysis and distributed hybrid simulation of shear-sensitive RC bridges subjected to horizontal and vertical earthquake ground motion[J]. Technical Memorandum of Public Works Research Institute, 2005, 3983: 351-368.
[14] Kim S J, Holub C J, Elnashai A S. Analytical assessment of the effect of vertical earthquake motion on RC bridge piers[J]. ASCE Journal of Structural Engineering, 2010 (in press).
[15] Kim S J, Elnashai A S. Characterization of shaking intensity distribution and seismic assessment of RC buildings for the Kashmir (Pakistan) earthquake of October 2005. Engineering Structures, 2009, 31(12): 2998-3015.
[16] Kunnath S K, Erduran E, Chai Y H, et al. Effect of near-fault vertical ground motions on seismic response of highway overcrossings[J], ASCE Journal of Bridge Engineering, 2008, 13(3): 282-290.
[17] Yilmaz Z. Probabilistic seismic hazard assessment for the effect of vertical ground motions on seismic response of highway bridges[D]. Davis: University of California, 2008.
[18] Malhotra P K. Smooth spectra of horizontal and vertical ground motions[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 2006, 96(2): 506-518.