劉爍宇 李英民

摘要：為了篩選出盆地內(nèi)超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所需的盆地型長(zhǎng)周期地震動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)為長(zhǎng)周期地震動(dòng)）驗(yàn)算波，總結(jié)了長(zhǎng)周期地震動(dòng)的形成機(jī)理，分析了長(zhǎng)周期地震動(dòng)中面波的卓越性，提出了截取由面波主導(dǎo)的地震動(dòng)尾波的方法，通過(guò)基于尾波特性的統(tǒng)計(jì)分析得到了長(zhǎng)周期地震動(dòng)的判別準(zhǔn)則.結(jié)果表明：沉積盆地邊界所激發(fā)的面波在盆地內(nèi)傳播、疊加以及依頻率放大是長(zhǎng)周期地震動(dòng)的主要形成機(jī)理；長(zhǎng)周期地震動(dòng)中由面波主導(dǎo)的尾波段對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)響應(yīng)起控制作用；長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別準(zhǔn)則宜定為：速度反應(yīng)譜卓越周期大于2 s，且截取出的尾波與原始波在速度反應(yīng)譜卓越周期處的譜幅值比大于85%.

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)周期地震動(dòng)；形成機(jī)理；判別準(zhǔn)則；面波；地震動(dòng)輸入；反應(yīng)譜卓越周期

中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study of Discriminant Criterion of Long-period Ground Motion in Basin

LIU Shuoyu1，LI Yingmin1，2 ？偉j

（1. College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， China；

2. Key Laboratory of New Technique for Construction of Cities in Mountain Area， Chongqing 400045， China）

Abstract： To screen out the basin long-period ground motion （long-period ground motion for short in this paper） inputs， which could be used for the seismic design of supper high-rise buildings in basin， the formation mechanism of long-period ground motions was explained. Then， the dominance of surface wave in long-period ground motion was analysed， and an approach to extract the coda waves of ground motions， which were dominated by surface waves， was put forward. Finally， the discriminant criterion of long-period ground motion was proposed through statistical analysis based on the characteristics of coda waves. The results demonstrate that the propagation， overlapping， and frequency-dependent amplification of surface waves generated by conversion of body waves at the boundaries of deep sedimentary basins and plains are the main formation mechanism of long-period ground motions. The surface wave components in the coda waves of long-period ground motions are responsible for the maximum responses of long-period structures， such as supper high-rise buildings. The discriminant criterion of long-period ground motion is concluded as that， the predominant period of velocity response spectrum （Tpv） of ground motion is larger than 2s， in addition， the ratio of the amplitude of velocity response spectrum associated with the extracted coda waves in Tpv to that associated with the original ground motion in Tpv is greater than 85%.

Key words： long-period ground motion； formation mechanism； discriminant criterion； durface wave； ground motion inputs； predominant period of response spectrum

近年來(lái)，特別是在2011年日本311地震（矩震級(jí)9.0 Mw）中，距震中幾百公里的關(guān)東盆地以及大阪盆地內(nèi)的超高層建筑在盆地型長(zhǎng)周期地震動(dòng)（本文中簡(jiǎn)稱(chēng)為長(zhǎng)周期地震動(dòng)）作用下出現(xiàn)了比較明顯的長(zhǎng)時(shí)間大幅值晃動(dòng)，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞嚴(yán)重，居住者產(chǎn)生極大恐慌，震后修復(fù)費(fèi)用較高[1-3].隨著我國(guó)超高層建筑等長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的大量建成，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)下共振進(jìn)而產(chǎn)生較嚴(yán)重破壞已成為重要安全隱患[4].其中，2008年汶川地震時(shí)，遠(yuǎn)離震中的陜西渭河盆地、山西太原、江蘇、臺(tái)灣等地的超高層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大的響應(yīng)和輕微破壞[4-6].因此，超高層結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響，但目前的地震動(dòng)輸入并不能較好地體現(xiàn)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的特性.基于長(zhǎng)周期地震動(dòng)形成機(jī)理及其特性，對(duì)已有長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而得到長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別準(zhǔn)則，是形成超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)所需長(zhǎng)周期驗(yàn)算波的基礎(chǔ).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的形成機(jī)理及判別準(zhǔn)則進(jìn)行了研究.Koketsu等[7]、Furumura等[8]、Maeda等[9]、Sato等[10]、Yoshimoto等[11]分析了近年來(lái)日本的關(guān)東、大阪等盆地出現(xiàn)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)，指出了大震級(jí)地震和大型深厚沉積盆地是形成面波主導(dǎo)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)的基礎(chǔ).日本國(guó)土交通省氣象廳（JMA）[12]基于地震時(shí)大型盆地內(nèi)高層結(jié)構(gòu)中居住者感受及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞情況，將絕對(duì)速度反應(yīng)譜Sva（ξ=5%）在周期[1.6 s，7.8 s]內(nèi)譜峰值超過(guò)5 cm/s的地震記錄判別為長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄；李雪紅等[13]基于EMD分解，給出了體現(xiàn)地震波中低頻成分卓越性的參數(shù)，用于長(zhǎng)周期地震動(dòng)的判別.

上述研究雖然對(duì)形成長(zhǎng)周期地震動(dòng)的主要條件進(jìn)行了分析，但并未對(duì)形成機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié).日本國(guó)土交通省氣象廳（JMA）[12]對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的判別需預(yù)先判斷地震動(dòng)記錄是否來(lái)源于盆地內(nèi)，且僅以反應(yīng)譜峰值大小來(lái)判別長(zhǎng)周期地震動(dòng)并不能完全體現(xiàn)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的特性.李雪紅等[13]主要采用信號(hào)處理方法從長(zhǎng)周期分量角度來(lái)判別長(zhǎng)周期地震動(dòng)，并未考慮長(zhǎng)周期地震動(dòng)的形成機(jī)理，其判別出的長(zhǎng)周期地震動(dòng)中混入了近斷層脈沖型地震動(dòng)，即不能分離出本文所需判別的長(zhǎng)周期地震動(dòng)（注：近斷層脈沖型地震動(dòng)的卓越周期雖然較長(zhǎng)，但并不是本文需要判別的盆地型長(zhǎng)周期地震動(dòng)）.基于形成機(jī)理的判別準(zhǔn)則能夠篩選出體現(xiàn)長(zhǎng)周期地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的樣本.因此，本文系統(tǒng)總結(jié)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的形成機(jī)理；定量分析長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄中的面波特性以及面波的卓越性；基于地震波頻散特性提出了截取由面波主導(dǎo)的地震動(dòng)尾波的方法，并對(duì)比普通地震動(dòng)記錄與長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄中所截取尾波的卓越性；最后基于尾波的卓越性，給出長(zhǎng)周期地震動(dòng)的判別準(zhǔn)則，并對(duì)比分析各判別準(zhǔn)則的判別結(jié)果.

1 1長(zhǎng)周期地震動(dòng)形成機(jī)理

從歷次出現(xiàn)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)中可發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄的核心構(gòu)成部分是到達(dá)時(shí)刻晚于體波、持時(shí)較長(zhǎng)、位移幅值相對(duì)較大、頻率非平穩(wěn)的長(zhǎng)周期面波[7-8].能孕育出上述面波的震源、傳播路徑以及場(chǎng)地則是形成長(zhǎng)周期地震動(dòng)的必要條件.

%1.1 1.1震源

本文所判別的長(zhǎng)周期地震動(dòng)（即盆地型長(zhǎng)周期地震動(dòng)），震源均位于盆地之外.大型俯沖帶地震以及中大型板殼地震可引起沉積盆地出現(xiàn)長(zhǎng)周期地震動(dòng)[2，7-8，14].當(dāng)震源距盆地邊界較近時(shí)，震源深度越淺、斷層傾角越大、斷層破裂速度越小，則越容易在盆地內(nèi)形成幅值較大的長(zhǎng)周期地震動(dòng)；而當(dāng)震源距盆地邊界較遠(yuǎn)時(shí)，震源深度及斷層特性對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)特性的影響減小，遠(yuǎn)距離傳播容易在盆地內(nèi)形成長(zhǎng)持時(shí)的長(zhǎng)周期地震動(dòng).且震級(jí)越大時(shí)，長(zhǎng)周期地震動(dòng)中的長(zhǎng)周期成分越豐富[15].

%1.2 1.2盆地效應(yīng)

具有深厚沉積層的大型盆地是孕育長(zhǎng)周期地震動(dòng)的必要條件.由盆地的邊界波導(dǎo)區(qū)域激發(fā)、匯聚，并由軟弱沉積層放大的大幅值、長(zhǎng)持時(shí)面波是長(zhǎng)周期地震動(dòng)的核心構(gòu)成部分.

1.2.1盆地面波的激發(fā)

體波入射到地面的角度超過(guò)臨界反射角后，會(huì)在地表轉(zhuǎn)換成視速度小于體波的面波（Rayleigh波、Love波）.地殼中剪切波速隨深度增大以及盆地側(cè)面邊界傾斜的特性，會(huì)改變體波傳播方向，進(jìn)而引起體波斜入射到地面形成面波（如圖1所示）.

1.2.2盆地邊緣效應(yīng)

邊緣效應(yīng)機(jī)理如圖2所示.由盆地邊界波導(dǎo)區(qū)域產(chǎn)生的面波向盆地中央傳播時(shí)，可與盆地邊緣垂直入射到地表且相位和頻率與面波接近的體波相遇，進(jìn)而疊加成為幅值成倍放大的地震動(dòng).邊緣效應(yīng)的幅值放大只發(fā)生在盆地邊緣，是因?yàn)槊娌▊鞑ニ俣容^慢，當(dāng)面波到達(dá)盆地中央時(shí)，與之同相位同頻率的垂直入射體波已經(jīng)向下反射.

1.2.3盆地聚焦效應(yīng)

盆地基底特殊的結(jié)構(gòu)形狀有可能引起體波聚焦于地表某點(diǎn)，但體波聚焦區(qū)域范圍較小，且出現(xiàn)概率不大[16].而面波在盆地內(nèi)的匯聚則較常見(jiàn).首先，盆地邊界波導(dǎo)區(qū)域?qū)Ⅲw波轉(zhuǎn)換為面波，向盆地中央傳播.來(lái)自盆地距離震源近端的邊界和遠(yuǎn)端的邊界產(chǎn)生的面波在盆地中央附近區(qū)域疊加而放大（如圖2所示）.其次，如圖3所示，從地震波傳播的俯視視角來(lái)看，由于面波速度小于體波，盆地邊界處體波轉(zhuǎn)換成面波后，波前曲率變小，甚至為負(fù).因此，盆地邊界可以消除面波的幾何擴(kuò)散衰減，甚至使面波聚焦[17].

1.2.4盆地內(nèi)面波傳播特性

面波在沉積盆地內(nèi)的傳播主要有三個(gè)特點(diǎn).首先，周期越長(zhǎng)的面波傳播速度越快，進(jìn)而產(chǎn)生頻散現(xiàn)象[18].頻散可使得地震動(dòng)信號(hào)時(shí)域上的頻率非平穩(wěn)特性更明顯；其次，波長(zhǎng)小于等于盆地深度的面波會(huì)陷入在盆地內(nèi)來(lái)回震蕩，且震蕩過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)面波疊加而使地震動(dòng)幅值放大；最后，短周期面波的衰減由松散、品質(zhì)因子低的淺表土層決定，因此短周期面波的非彈性衰減以及散射遠(yuǎn)大于長(zhǎng)周期面波，這使得地震動(dòng)中長(zhǎng)周期面波成分更顯著.

%1.3 1.3場(chǎng)地土層速度結(jié)構(gòu)

從歷次長(zhǎng)周期地震動(dòng)發(fā)生場(chǎng)地可看出，土層速度結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)中面波的幅值、頻譜特性起到了控制作用.其中，深層土層速度結(jié)構(gòu)對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的影響更大.Yoshimoto[11]利用面波介質(zhì)響應(yīng)曲線(xiàn)分析了日本關(guān)東盆地的場(chǎng)地卓越周期，指出給定場(chǎng)地面波介質(zhì)響應(yīng)曲線(xiàn)的拐點(diǎn)周期與該場(chǎng)地所記錄到的長(zhǎng)周期地震動(dòng)卓越周期較為一致.而拐點(diǎn)周期與場(chǎng)地速度結(jié)構(gòu)相關(guān)，且隨著場(chǎng)地深層土層剪切波速的減小以及厚度的增大而延長(zhǎng).

2 2 長(zhǎng)周期地震動(dòng)面波特性分析

從上述對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)形成機(jī)理的定性分析可知，長(zhǎng)周期面波是長(zhǎng)周期地震動(dòng)的主要構(gòu)成部分.因此，更加深入分析長(zhǎng)周期地震動(dòng)中面波的特性以及對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度，可為長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別指標(biāo)的選擇提供依據(jù).本節(jié)以集集地震6.2級(jí)余震在濱海盆地平原中CHY025臺(tái)站記錄的長(zhǎng)周期地震動(dòng)（面波傳播方向（R向）分量，簡(jiǎn)稱(chēng)CHY025_R波）為例，基于Rayleigh面波特性，對(duì)面波粒子運(yùn)動(dòng)，以及面波主導(dǎo)的尾波段對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行定量分析.

%1.4 2.1基于粒子運(yùn)動(dòng)的面波特性分析

通過(guò)最新的Rayleigh面波識(shí)別方法[19]，可求得面波傳播方向（R向）為正北方順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)297°.結(jié)合豎向以及R向位移分量，可得到地震波前進(jìn)方向豎向平面的粒子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而觀察Rayleigh面波的到達(dá)時(shí)刻以及持續(xù)時(shí)長(zhǎng).Rayleigh面波一般以逆進(jìn)橢圓形式傳播，當(dāng)沉積層較厚且地震速度極慢時(shí)，可能會(huì)以正進(jìn)橢圓形式傳播[20].集集地震濱海盆地平原中出現(xiàn)了大量以正進(jìn)橢圓方式傳播的Rayleigh面波[14].而體波速度比面波大，因此可將粒子運(yùn)動(dòng)開(kāi)始具有明顯正進(jìn)或逆進(jìn)橢圓特性的時(shí)刻作為面波到達(dá)時(shí)刻.如圖4所示，CHY025_R波在35～38 s出現(xiàn)了較明顯的大幅值正進(jìn)橢圓粒子運(yùn)動(dòng)，在38～48 s出現(xiàn)了明顯的大幅值逆進(jìn)橢圓粒子運(yùn)動(dòng)，而在48～75 s出現(xiàn)了幅值快速衰減的逆進(jìn)橢圓粒子運(yùn)動(dòng).可看出，35 s以后CHY025_R波以面波為主，特別是35～48 s出現(xiàn)的大幅值面波較為卓越.可將35 s以前的波段稱(chēng)為體波段，將35 s以后的波段稱(chēng)為面波段.

%1.5 2.2面波主導(dǎo)的尾波段對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響

面波傳播速度較體波慢，因此地震波中的面波成分一般出現(xiàn)在尾波段中.在地震學(xué)領(lǐng)域，常利用尾波段進(jìn)行面波分析以及場(chǎng)地特性分析，而對(duì)于獲取尾波段，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接截取體波到達(dá)時(shí)刻之后的某一時(shí)刻到地震波結(jié)束的波段[21-22].Wang[14]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略判斷出體波與面波的分界時(shí)刻，對(duì)比了體波段、面波段（尾波段），以及原始地震波的速度反應(yīng)譜.

考慮到利用截取尾波段進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析可能會(huì)失真，因此，本節(jié)對(duì)原始波（CHY025_R波）與所截取尾波段之間的波形和結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)程進(jìn)行對(duì)比（如圖5所示）.其中，直接截取加速度時(shí)程會(huì)使得尾波段初始幅值非零，進(jìn)而引起尾波段速度及位移時(shí)程出現(xiàn)基線(xiàn)漂移，因此對(duì)截取出的加速度尾波段重新進(jìn)行基線(xiàn)校正.從圖5（a）（b）可看出，尾波段的速度時(shí)程與原始波基本吻合，尾波段的位移時(shí)程與原始波略有差別，但總體較為接近.從圖5（c）可看出，周期為4 s（原始波卓越周期）的SDOF體系在尾波段以及原始波作用下的響應(yīng)時(shí)程基本吻合.由于尾波段未計(jì)入體波段結(jié)束時(shí)刻所遺留的結(jié)構(gòu)速度和位移所引起的自由振動(dòng)，使得尾波段作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅值較原始波作用下略小.綜上，截取出的尾波段通過(guò)基線(xiàn)校正后能夠保留原始波特性，可用于反應(yīng)譜對(duì)比分析.

速度反應(yīng)譜能更顯著地體現(xiàn)長(zhǎng)周期地震動(dòng)在工程范疇的長(zhǎng)周期段（周期從幾秒到10 s）的特性，且日本已采用速度反應(yīng)譜對(duì)超高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì).因此，為進(jìn)一步考察長(zhǎng)周期面波在長(zhǎng)周期地震動(dòng)中的卓越性，以及對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度，可對(duì)比原始波、截取體波段，以及截取面波段（尾波段）的速度反應(yīng)譜（ξ=2%）譜形，如圖6所示.

從圖6可看出，原始波和面波段的速度反應(yīng)譜相差不大，而原始波與體波段的速度反應(yīng)譜在卓越周期附近相差較大.由此可推論，面波是長(zhǎng)周期地震動(dòng)的主要構(gòu)成部分，面波主導(dǎo)的尾波段對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)響應(yīng)起到了控制作用.

3 3普通地震動(dòng)記錄與長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄中尾波卓越性對(duì)比

從上述分析可知，豐富的面波是長(zhǎng)周期地震動(dòng)的主要特點(diǎn)，且面波對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)起控制作用.而提取面波最簡(jiǎn)便可行的方法就是截取由面波主導(dǎo)的尾波段.確定長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別準(zhǔn)則的指標(biāo)，可基于普通地震波與長(zhǎng)周期地震波中尾波貢獻(xiàn)程度的對(duì)比情況.

%1.6 3.1基于頻散的尾波截取方法

體波傳播速度隨著周期變長(zhǎng)而降低，在地震動(dòng)時(shí)程上則體現(xiàn)為長(zhǎng)周期體波出現(xiàn)時(shí)刻較短周期體波晚，即反頻散現(xiàn)象[23].而面波正頻散現(xiàn)象明顯，長(zhǎng)周期面波群速度比短周期面波快，且會(huì)形成不同窄帶頻率的面波波包，在地震動(dòng)時(shí)程上則體現(xiàn)為長(zhǎng)周期面波波包出現(xiàn)時(shí)刻較短周期面波波包早.面波的低速特性使得面波到達(dá)時(shí)刻滯后于體波.圖7所示實(shí)際地震波能體現(xiàn)體波反頻散區(qū)段、面波正頻散區(qū)段以及重疊區(qū)段.其中重疊區(qū)段包含周期最長(zhǎng)的面波波包，可看作體波部分的結(jié)束時(shí)刻或者面波部分的到達(dá)時(shí)刻.因此，較簡(jiǎn)便可行的面波提取方法是截取由面波主導(dǎo)的地震動(dòng)尾波段[14].

由上述分析可知，識(shí)別出周期最長(zhǎng)的面波波包中心位置則可近似確定面波到達(dá)時(shí)刻.本文中利用三角頻窗函數(shù)（中心頻率，QUOTE為地震動(dòng)時(shí)程中最大穿零時(shí)間間隔）對(duì)地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行濾波處理.得到的波包中心作為面波到達(dá)時(shí)刻，把地震動(dòng)時(shí)程在面波到達(dá)時(shí)刻以后的波段作為面波主導(dǎo)的尾波段.對(duì)于大型沉積盆地，站臺(tái)與各邊界的距離不同，從不同方向傳播過(guò)來(lái)的同一周期的次生面波到達(dá)時(shí)刻不同，因此可能會(huì)形成多個(gè)中心頻率為QUOTE的面波波包.本文將第一個(gè)到達(dá)的完整波包中心對(duì)應(yīng)時(shí)刻作為面波到達(dá)時(shí)刻QUOTE，并用于截取尾波段.位移時(shí)程能較好地體現(xiàn)出面波，但考慮到地震動(dòng)位移時(shí)程對(duì)基線(xiàn)修正方法較為敏感，速度時(shí)程與位移時(shí)程差別不大且更穩(wěn)定.因此，地震動(dòng)的速度時(shí)程被用于面波到達(dá)時(shí)刻識(shí)別中.

%1.7 3.2尾波卓越性對(duì)比

為對(duì)比上述方法所截取的由面波主導(dǎo)的尾波段在各類(lèi)地震動(dòng)中的卓越性，本文選取了普通地震動(dòng)記錄（日本Kobe地震MRG000波）、近場(chǎng)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄（臺(tái)灣集集地震余震CHY026波）以及遠(yuǎn)場(chǎng)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄（日本311地震TKY025波）進(jìn)行速度反應(yīng)譜對(duì)比分析.

圖9給出了3條實(shí)際地震動(dòng)記錄的加速度（ACC）時(shí)程，基于圖8相應(yīng)的面波到達(dá)時(shí)刻QUOTE對(duì)加速度時(shí)程進(jìn)行尾波段截取.可看出，截取起始時(shí)刻均在加速度峰值時(shí)刻之后.

圖10給出了3條實(shí)際地震動(dòng)記錄的速度反應(yīng)譜（Sv）和相應(yīng)尾波段的速度反應(yīng)譜.可看出，普通地震波（日本Kobe地震MRG000波）的卓越周期較短，其對(duì)應(yīng)尾波段時(shí)程的速度反應(yīng)譜值在卓越周期（Tp）處與原始記錄差距較大；近場(chǎng)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄（臺(tái)灣集集地震余震CHY026波）以及遠(yuǎn)場(chǎng)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄（日本311地震TKY025波）的卓越周期較長(zhǎng)，其尾波段時(shí)程的速度反應(yīng)譜值在卓越周期處與原始記錄基本一致.

因此可推論：普通地震波的卓越頻段主要受到以體波為主的地震波前半段控制；長(zhǎng)周期地震動(dòng)卓越頻段主要受到以面波為主的尾波段控制.

4 4 基于尾波分析的長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別準(zhǔn)則

%1.8 4.1統(tǒng)計(jì)分析及判別準(zhǔn)則

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)了多次引起超高層等長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)損害較大的長(zhǎng)周期地震動(dòng).本文選取典型的長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄、近斷層脈沖地震動(dòng)記錄以及普通地震動(dòng)記錄，對(duì)比各類(lèi)地震動(dòng)記錄的卓越周期（QUOTE），并利用面波到達(dá)時(shí)刻（QUOTE）進(jìn)行尾波截取，計(jì)算出所截取尾波與原始波在速度反應(yīng)譜卓越周期處的譜幅值比（QUOTE）.基于長(zhǎng)周期地震動(dòng)與其他類(lèi)型地震動(dòng)在QUOTE以及QUOTE這兩個(gè)指標(biāo)上的分界線(xiàn)，定量給出長(zhǎng)周期地震動(dòng)的判別準(zhǔn)則.

本文中從PEER任意選取了80條非盆地地區(qū)的普通地震動(dòng)記錄，20條近斷層脈沖型地震動(dòng)記錄.從已有的長(zhǎng)周期地震動(dòng)研究文獻(xiàn)中選取了典型的65條長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄[7-10，14，24-25].所選取的長(zhǎng)周期地震動(dòng)信息見(jiàn)表1.

構(gòu)造條數(shù)1999年臺(tái)灣集集地震6.2近場(chǎng)盆地152003年日本十勝?zèng)_地震8.3遠(yuǎn)場(chǎng)盆地42004年日本伊紀(jì)半島地震7.4遠(yuǎn)場(chǎng)盆地92004年日本新瀉縣地震6.6遠(yuǎn)場(chǎng)盆地52007年日本能等半島地震6.9遠(yuǎn)場(chǎng)盆地22010年美國(guó)Mayor-Cucapah地震7.2遠(yuǎn)場(chǎng)盆地152011年日本311地震9.0遠(yuǎn)場(chǎng)盆地102012年意大利北部Emilia地震5.9近場(chǎng)盆地5

考慮到近斷層脈沖型地震動(dòng)或某些普通近場(chǎng)地震動(dòng)并未形成面波或面波成分極少，通過(guò)面波波包分析可能無(wú)法得到合理的面波到達(dá)時(shí)刻QUOTE.經(jīng)過(guò)對(duì)表1中典型長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄的統(tǒng)計(jì)分析，其面波到達(dá)時(shí)刻QUOTE集中在時(shí)域區(qū)間[QUOTE]內(nèi)（其中，QUOTE為地震波加速度時(shí)程峰值時(shí)刻，QUOTE為地震波總持時(shí)）.因此，為了統(tǒng)一尾波截取方法，對(duì)于所有地震波樣本，首先利用3.1節(jié)方法得到QUOTE，當(dāng)QUOTE超出[QUOTE]時(shí)，則將QUOTE作為名義面波到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行尾波截取.

本文基于以上尾波截取標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所選165條地震動(dòng)記錄的尾波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.地震動(dòng)記錄速度反應(yīng)譜卓越周期處的尾波與原始波譜幅值比（QUOTE）以及相應(yīng)的卓越周期（Tp）如圖11所示.

從圖中可看出普通地震動(dòng)記錄的速度反應(yīng)譜卓越周期大部分小于2 s，卓越周期處尾波與原始波的譜幅值比平均為50%；近斷層脈沖型地震動(dòng)記錄的速度反應(yīng)譜卓越周期較長(zhǎng)，但卓越周期處尾波與原始波的譜幅值比小于85%；長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄的速度反應(yīng)譜卓越周期大于2 s，卓越周期處尾波與原始波的譜幅值比主要集中在95%～100%，且絕大部分大于85%.

因此，本文基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，在判別正確性保證概率大于95%的條件下，將盆地內(nèi)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)的判別準(zhǔn)則定為：速度反應(yīng)譜卓越周期Tp大于2 s，且尾波與原始波在速度反應(yīng)譜卓越周期處的譜幅值比QUOTE大于85%.從圖11可看出，本文所確定的判別準(zhǔn)則能較好地濾除近斷層脈沖型地震動(dòng)以及普通地震動(dòng)記錄.

%1.9 4.2各判別準(zhǔn)則對(duì)比分析

本節(jié)將選取三條不同類(lèi)型的地震動(dòng)記錄（近斷層脈沖型地震動(dòng)、普通地震動(dòng)、長(zhǎng)周期地震動(dòng)），并分別采用本文尾波判別法、李雪紅QUOTE值判別法[13]，以及日本氣象廳的Sva值判別法[12]得到長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別結(jié)果.

其中近斷層脈沖型地震動(dòng)選取臺(tái)灣集集地震主震TCU075臺(tái)站記錄（簡(jiǎn)稱(chēng)TCU075波）[14]；普通地震動(dòng)選取2008年汶川地震主震四川茂縣051MXT臺(tái)站記錄（簡(jiǎn)稱(chēng)051MXT波）；長(zhǎng)周期地震動(dòng)選取2008年汶川地震主震陜西西安061XIA臺(tái)站記錄（簡(jiǎn)稱(chēng)061XIA波），該臺(tái)站位于距離震中500～800 km的渭河盆地，且臺(tái)站附近的超高層建筑以及煙囪的損害較明顯，烈度異常[5].各地震動(dòng)記錄參數(shù)見(jiàn)表2.

圖12分別給出了臺(tái)灣TCU075波、茂縣051MXT波以及西安061XIA波的速度反應(yīng)譜和相應(yīng)尾波的速度反應(yīng)譜.可以看出，臺(tái)灣TCU075波的卓越周期為4.2 s，其相應(yīng)尾波的速度反應(yīng)譜值在4.2 s處與原始記錄差距較大，比值為51%.其Tp大于2 s但QUOTE小于本文所給出的限值85%，因此用本文的尾波判別方法可判定為非長(zhǎng)周期地震動(dòng)；茂縣051MXT波的卓越周期為0.5 s，其對(duì)應(yīng)尾波的速度反應(yīng)譜值在0.5 s處與原始記錄差距較大，比值為46%.Tp和QUOTE均小于本文所給出的限值，因此用本文的尾波判別方法可判定為非長(zhǎng)周期地震動(dòng)；而西安061XIA波的卓越周期為7.05 s，其對(duì)應(yīng)尾波的速度反應(yīng)譜值在7.05 s處與原始記錄基本一致，比值約為100%.Tp和QUOTE均大于本文所給出的限值，因此用本文的尾波判別法可判定為長(zhǎng)周期地震動(dòng).

當(dāng)采用基于加權(quán)參數(shù)QUOTE的李雪紅[13]判別法時(shí)，TCU075波和061XIA波的QUOTE值均大于0.4，被判定為長(zhǎng)周期地震動(dòng).當(dāng)采用結(jié)合場(chǎng)地條件和Sva值的日本氣象廳[12]判別方法時(shí)，判別出061XIA波為長(zhǎng)周期地震動(dòng).三種判別方法的長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別結(jié)果見(jiàn)表3.

表3各判別準(zhǔn)則對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)的判別結(jié)果

Tab.3 Results for discriminant of long-period ground motion by using different discriminant criterions地震動(dòng)記錄本文方法李雪紅方法氣象廳方法TCU075波不是是不是051MXT波不是不是不是061XIA波是是是

因此可看出，本文的尾波判別法能較好地判別出長(zhǎng)周期地震動(dòng)（061XIA波）.李雪紅方法[13]所判別出的長(zhǎng)周期地震動(dòng)中混合了近斷層脈沖型地震動(dòng)（TCU075波）；日本氣象廳[12]方法雖然判別出了長(zhǎng)周期地震動(dòng)（061XIA波），但是該方法在預(yù)先不知061XIA波是否為盆地波時(shí)，無(wú)法用于Sva值判別，即該判別方法將失效.

5 4結(jié) 論

本文基于地震動(dòng)形成機(jī)理，并利用尾波分析方法，提出了盆地型長(zhǎng)周期地震動(dòng)（文中均簡(jiǎn)稱(chēng)為長(zhǎng)周期地震動(dòng)）的判別準(zhǔn)則.（注：其中，近斷層脈沖型地震動(dòng)的卓越周期雖然較長(zhǎng)，但并不是本文需要判別的盆地型長(zhǎng)周期地震動(dòng).）可得到如下結(jié)論：

1）長(zhǎng)周期地震動(dòng)形成機(jī)理受震源、盆地中波的傳播、場(chǎng)地速度結(jié)構(gòu)的影響.其中，深厚沉積盆地邊界所激發(fā)的低速面波在盆地內(nèi)的傳播、疊加以及依頻率放大是長(zhǎng)周期地震動(dòng)的主要形成機(jī)理.

2）長(zhǎng)周期地震動(dòng)中由面波主導(dǎo)的尾波段對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)響應(yīng)起控制作用.

3）基于頻散的面波到達(dá)時(shí)刻的確定方法，能較好地分離出由面波主導(dǎo)的尾波段.普通地震動(dòng)的卓越頻段主要受到以體波為主的地震波前段的控制；而長(zhǎng)周期地震動(dòng)的卓越頻段主要受到以面波為主的地震波尾波段的控制.

4）長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別準(zhǔn)則宜定為：速度反應(yīng)譜卓越周期（Tp）大于2 s，且尾波與原始波在速度反應(yīng)譜卓越周期處的譜幅值比（QUOTE）大于85%.

5）本文所給出的長(zhǎng)周期地震動(dòng)判別準(zhǔn)則能較好地篩選出符合長(zhǎng)周期地震動(dòng)形成機(jī)理的長(zhǎng)周期地震動(dòng)記錄，對(duì)形成設(shè)計(jì)用長(zhǎng)周期地震動(dòng)波庫(kù)以及長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)有一定參考意義.

參考文獻(xiàn)

[1] HISADA Y， YAMASHITA T， MURAKAMI M， et al. Seismic response and damage of high-rise buildings in Tokyo， Japan， during the 2011 Tohoku earthquake[C]//Proceedings of the 15th World Conference on Earthquake Engineering. Tokyo： IAEE， 2012： no.4096.

[2] TAKEWAKI I， MURAKAMI S， FUJITA K， et al. The 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake and response of high-rise buildings under long-period ground motions [J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 2011， 31（11）： 1511-1528.

[3] TAKEWAKI I， FUJITA K， YOSHITOMI S. Uncertainties in long-period ground motion and its impact on building structural design： case study of the 2011 Tohoku （Japan） earthquake [J]. Engineering Structures， 2013， 49（13）： 119-134.

[4] 肖從真， 徐培福， 杜義欣， 等. 超高層建筑考慮長(zhǎng)周期地震影響的另一種控制方法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2014， 47（2）： 12-22.

XIAO C Z， XU P F， DU Y X， et al. Another controlling method on long-period seismic responses for super high- rise buildings [J]. China Civil Engineering Journal， 2014， 47（2）：12-22. （In Chinese）

[5] 李春光. 基于汶川強(qiáng)震資料的渭河盆地場(chǎng)地動(dòng)力特征研究[D]. 哈爾濱：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所， 2013： 1-5.

LI C G. Study on site dynamic characteristics of Weihe basin based on Wenchuan strong earthquake data [D]. Harbin： Institute of Engineering Mechanics， China Earthquake Administration， 2013： 1-5. （In Chinese）

[6] LI Q S， ZHI L H， TUAN A Y， et al. Dynamic behavior of Taipei 101 Tower： field measurement and numerical analysis[J]. Journal of Structural Engineering，ASCE，2011，137（1）：143-155.

[7] KOKETSU K， HATAYAMA K， FURUMURA T， et al. Damaging long-period ground motions from the 2003 Mw 8.3 Tokachi-oki， Japan earthquake [J]. Seismological Research Letters， 2005， 76（1）： 67-73.

[8] FURUMURA T， HAYAKAWA T. Anomalous propagation of long-period ground motions recorded in Tokyo during the 23 October 2004 Mw 6.6 Niigata-ken Chuetsu， Japan， Earthquake [J]. Bulletin of the Seismological Society of America， 2007， 97（3）： 863-880.

[9] MAEDA T， SASATANI T. Long-period ground motions from the 2003 Tokachi-oki earthquake [J]. Journal of Seismology， 2007， 12（2）： 243-253.

[10] SATO K， ASANO K， IWATA T. Long-period ground motion characteristics of the Osaka sedimentary Basin during the 2011 Great Tohoku Earthquake [C]//Proceedings of the 15th World Conference on Earthquake Engineering. Tokyo： IAEE， 2012： no.4494.

[11] YOSHIMOTO K， TAKEMURA S. A study on the predominant period of long-period ground motions in the Kanto Basin， Japan [J]. Earth， Planets and Space， 2014， 66（1）： 1-7.

[12] 日本國(guó)土交通省気象庁. 長(zhǎng)周期地震動(dòng)階級(jí)および長(zhǎng)周期地震動(dòng)階級(jí)関連解説表について[EB/OL]//（2013-3-15）[2016-9-1] http：//www.data.jma. go.jp/svd/eew/data/ltpgm_explain/kaisetsu.html.

JAPAN METEOROLOGICAL AGENCY. The gradations and relevant explanations of long period ground motion[EB/OL]// （2013-3-15）[2016-9-1]. http：//www.data.jma.go.jp/svd/eew/data/ltpgm_explain/kaisetsu.html.（In Japanese）

[13] 李雪紅， 王文科， 吳迪， 等. 長(zhǎng)周期地震動(dòng)的特性分析及界定方法研究 [J]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào)， 2014， 27（5）： 685-692.

LI X H， WANG W K， WU D， et al. The bounded method and characteristics analysis for long-period ground motions [J]. Journal of Vibration Engineering， 2014， 27（5）： 685-692. （In Chinese）

[14] WANG G Q. Surface waves in the Western Taiwan Coastal Plain from an aftershock of the 1999 Chi-Chi， Taiwan， earthquake [J]. Bulletin of the Seismological Society of America， 2006， 96（3）： 821-845.

[15] AKI K. Scaling law of seismic spectrum [J]. Journal of Geophysical Research， 1967， 72（4）： 1217-1231.

[16] GRAVES R W， PITARKA A， SOMERVILLE P G. Ground-motion amplification in the Santa Monica area： effects of shallow basin-edge structure [J]. Bulletin of the Seismological Society of America， 1998， 88（5）： 1224-1242.

[17] JOYNER W B. Strong motion from surface waves in deep sedimentary basins [J]. Bulletin of the Seismological Society of America， 2000， 90（6B）： S95-S112.

[18] LAY T， WALLACE T C. Modern global seismology [M]. San Diego： Academic Press， 1995： 140-146.

[19] MEZA-FAJARDO K C， PAPAGEORGIOU A S， SEMBLAT J F. Identification and extraction of surface waves from three-component seismograms based on the normalized inner product [J]. Bulletin of the Seismological Society of America， 2015， 105（1）： 210-229.

[20] TANIMOTO T， RIVERA L. Prograde Rayleigh wave particle motion [J]. Geophysical Journal International， 2005， 162（2）： 399-405.

[21] SATOH T， KAWASE H， MATSUSHIMA S. Differences between site characteristics obtained from microtremors， s-waves， p-waves， and codas [J]. Bulletin of the Seismological Society of America， 2001， 91（2）： 313-334.

[22] IWAKI A， IWAKI T. Simulation of long-period ground motion in the Osaka sedimentary basin： performance estimation and the basin structure effects [J]. Geophysical Journal International， 2010， 181（2）： 1062-1076.

[23] 徐果明， 周蕙蘭. 地震學(xué)原理[M]. 北京：科學(xué)出版社， 1982：173-176.

XU G M， ZHOU H L. Principles of Seismology[M]. Beijing： Science Press， 1982：173-176. （In Chinese）

[24] ABRAHAM J R， LAI C G， PAPAGEORGIOU A. Basin-effects observed during the 2012 Emilia earthquake sequence in Northern Italy[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 2015， 78（15）： 230-242.

[25] HATAYAMA K， KALKAN E. Long-period （3 to 10 s） ground motions in and around the Los Angeles basin during the Mw 7.2 El-Mayor Cucapah Earthquake of April 4， 2010 [C] // Proceedings of the 15th World Conference on Earthquake Engineering. Tokyo： IAEE， 2012： no.770.