CN109375252B - 考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，包括：基于区域构造和区域地震地质资料，确定地震动模拟震源设置方案，并对其进行不确定性分析；确定地震动模拟方法，并对模拟结果影响较大的参数取值进行分析；考虑不同震源影响，对地震动模拟方案进行设计；采用随机有限断层法进行场址地震动模拟，获得全部方案的加速度时程、加速度峰值和不同周期的加速度反应谱值；对相应于不同震源的地震动模拟结果进行分析，并对场址地震动参数进行综合评价；按照实际工程结构关注的频段，取任一震源计算得到的结果作为场址的参数；或者，取所有震源计算结果的外包线作为场址的参数；根据场址地震动参数，并考虑结构特性，对用于结构动力分析的加速度时程进行模拟。

Description

考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法
技术领域
本申请涉及一种考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，适用于地震工程的技术领域。
背景技术
最大可信地震是指目前已知或假定的地壳构造框架下，有理由相信的已确定的断裂或在地理上界定的地震构造区内发生的最大地震，即代表一个合理设计的结构所能承受地震动的最高水平，是抗御超越设计地震动的最大能力。对于重大工程，不仅要求能够满足目前抗震设计中最大设计地震的单一水准要求，还需要满足最大可信地震的要求。
对于重大工程，对其能产生重要影响的一般为离场址较近的大断裂，在确定重要结构的地震输入时，还需要解决以下几个问题：1.将近断裂大震震源作为地表的一个点源看待，明显是不合理的；2.对于地震地质环境较为复杂的场址，对场址有影响的近场大断裂可能不止一个；3.地震从震源-介质-地表传播过程是一个非常复杂的过程，对这个过程的模拟还存在着一些随机不确定性，以及在发震过程中对某些参数的认知不确定等问题。因此，要获得发震构造最大可信地震的场址地震动参数，首先需要合理解决这些问题。
发明内容
本方法采用随机有限断层法计算场址地震动参数，来解决地震动模拟中复杂震源参数设置与计算效率的问题；采用多方案和多重权重系数的设计来解决随机不确定性和认知不确定性等问题，从而建立了一种适合于工程应用的基于发震构造最大可信地震的、考虑不同震源对场址影响的地震动参数评价方法。
本申请涉及一种考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，包括以下步骤：
(1)基于区域构造和区域地震地质资料，确定地震动模拟震源设置方案，并对其进行不确定性分析；
(2)确定地震动模拟方法，并对模拟结果影响较大的参数取值进行分析；
(3)考虑不同震源影响，对地震动模拟方案进行设计；
(4)采用随机有限断层法进行场址的地震动模拟，获得全部方案的加速度时程、加速度峰值和不同周期的加速度反应谱值；
(5)对相应于不同震源的地震动模拟结果进行分析，并对场址地震动参数进行综合评价；
(6)按照实际工程结构关注的频段，取任一震源计算得到的结果作为场址的参数；或者，取所有震源计算结果的外包线作为场址的参数；
(7)根据场址地震动参数，并考虑结构特性，对用于结构动力分析的加速度时程进行模拟。
优选地，步骤(3)包括：
分别考虑每个震源对场址的影响，分别对每个震源采用凹凸体模型设置地震动模拟方案，并计算每种方案总体的权重系数；
对每个震源采用随机模型设置用于对比分析的地震动模拟方案，并计算每种方案的权重系数；
优选地，步骤(5)包括：
分析相应于不同震源地震动模拟方案计算得到结果，将每个震源的每个方案凹凸体模型和随机模型计算得到的地震动加速度峰值和不同周期的加速度反应谱值，分别按照从小到大进行排列，形成场址地震动参数排列表；
基于每个震源计算得到的场址地震动参数排列表，对每个震源凹凸体模型计算得到的地震动加速度峰值和不同周期点加速度反应谱值进行统计分析，给出最小值、50％分位数值、均值、84％分位数值、95％分位数值及最大值；
基于每个震源计算得到的场址地震动参数排列表，对每个震源随机模型计算得到的地震动加速度峰值和不同周期点加速度反应谱值进行统计分析，给出最小值、50％分位数值、均值、84％分位数值、95％分位数值及最大值；
对相应于不同震源凹凸体模型和随机模型计算得到的参数统计值进行分析，取凹凸体模型和随机模型计算结果的较大值。
优选地，步骤(1)中还包括：
(1)基于研究区域构造背景，确定对场址有重要影响的发震构造，并完成以下分析：
A.依据发震构造最新活动时代及地震震中分布特点，确定发震构造的震级上限；
B.依据地震、地质资料、野外调查、并结合区域深部构造背景，确定发震构造的位置，对不能确定明确位置的断裂，采用多个位置方案，并按确定位置的资料的可信度及对场址的影响水平分析，设置加权系数；
(2)依据研究区域地震、地质、小震精定位、震源机制解等资料，对发震断层的参数进行分析，确定地震动模拟震源方案，对于具有不确定性的参数，设置多个模拟方案，并设置各个方案的加权系数。
优选地，步骤(7)中的模拟方法为：
A.以场址地震活动环境为基础，挑选与场址加速度反应谱符合较好的实际地震加速度时程为种子时程，然后基于目标反应谱进行调整；
B.以场址地震活动环境为基础，建立地震动频率非平稳特性参数，人工拟合得到符合于目标反应谱的地震加速度时程；或者
C.从模拟得到的加速度时程中挑选出与目标反应谱符合较好的时程。
根据本申请的一种考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，其具有以下技术优势：
1.本方法能够考虑影响场址的发震构造的复杂性，通过对每个震源设置地震动模拟方案，可分析不同震源对场址的影响大小、及在不同频段的贡献。
2.本方法所采用的地震动模拟方法，不仅可以描述更加符合真实情况的断层破裂源、考虑地震波路径衰减、场地衰减等因素，而且计算效率高，便于工程应用。
3.本方法采用多方案设计，能够对未知地震发生过程中的随机不确定性，以及在发震过程中对某些参数的认知不确定进行充分考虑。
4.本方法通过在每个分析节点上设置不同的权重系数来合理描述参数不确定的影响。
5.本方法能够给出多层次、多风险水平的参数评价结果，便于实际工程按照结构的重要性进行决策。
附图说明
图1显示了根据本申请的考虑不同震源的地震动参数评价方法的示意图。
图2显示了对场址有重要影响的断裂位置的示例。
图3显示了随机有限断层法原理的示意图。
图4显示了应力降分布频度图。
图5显示了κ值随震中距离的分布图。
图6显示了一个震源地震动模拟凹凸体模型多方案设计的示意图。
图7显示了一个震源地震动模拟随机模型多方案设计的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
根据本申请的考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，包括以下步骤：
(1)基于区域构造和区域地震地质资料，确定地震动模拟震源设置方案，并对其进行不确定性分析；
(2)确定地震动模拟方法，并对模拟结果影响较大的参数取值进行分析；
(3)考虑不同震源影响，对地震动模拟方案进行设计；
(4)采用随机有限断层法进行场址的地震动模拟，获得全部方案的加速度时程、加速度峰值和不同周期的加速度反应谱值；
(5)对相应于不同震源的地震动模拟结果进行分析，并对场址地震动参数进行综合评价；
(6)按照实际工程结构关注的频段，取任一震源计算得到的结果作为场址的参数；或者，取所有震源计算结果的外包线作为场址的参数；
(7)根据场址地震动参数，并考虑结构特性，对用于结构动力分析的加速度时程进行模拟。
下面依次对上述各步骤进行具体的说明。
步骤(1)：基于区域构造和区域地震地质资料，确定地震动模拟震源设置方案，并对其进行不确定性分析
地震动是由震源位置发生的破裂产生的地震波在地表引起的地表运动。震源设置影响到地震波传播过程中的能量衰减、断层破裂面的展布等因素。由于不同地区的地震地质条件、发震构造背景存在显著的差异，强震的发震位置具有较强的随机性，在对设定地震进行地震动模拟时，首先需要确定可能的发震断层，以及位于发震断层上的震源位置，进一步利用地震地质资料构建震源的有限断层模型来进行地震动模拟。因此，对设定地震的震源设置无疑是地震动模拟中一个重要的考虑因素。具体地，步骤(1)中还可以包括以下内容：
1.基于研究区域构造背景，确定对场址有重要影响的发震构造，并完成以下分析：
A.依据发震构造最新活动时代及地震震中分布特点，确定发震构造的震级上限；
B.依据地震、地质资料、野外调查、并结合区域深部构造背景，确定发震构造的位置，对不能确定明确位置的断裂，采用多个位置方案，并按确定位置的资料的可信度及对场址的影响水平分析，设置加权系数。例如，如图2所示，对场址有重要影响的断裂有3个，其中对断裂1设置了两个不同的位置。
2.依据研究区域地震、地质、小震精定位、震源机制解等资料，对发震断层的参数进行分析，确定地震动模拟震源方案，对于具有不确定性的参数，设置多个模拟方案，并设置各个方案的加权系数，如表1所示。不确定性的标准主要是基于对未知地震发生过程中的随机不确定性，以及在发震过程中对某些参数的认知不确定来决定。
下面以表1中的“破裂位置”参数为例，来说明如何确定多方案还是单方案。破裂位置的多方案是发震过程可能存在的多种随机可能性决定，而发震位置的确定基本对应于破裂方向的确定。比如，如果破裂位置在断层中部，其破裂方向为双侧破裂；如果破裂位置在断层的端点，则破裂方向为单侧破裂。所以发震位置取多方案，而破裂方向取单方案。
表1震源参数设置方案
序号 参数名称 参数设置 说明 权重
1 断层尺度 可按断层性质及震级上限估计 多方案 ■
2 走向 按地质资料及地震反演结果取值 单方案
3 倾向 按地质资料及地震反演结果取值 单方案
4 倾角 按地质资料及地震反演结果取值 多方案 ■
5 运动性质 正断层、逆断层、走滑断层 单方案
6 震源深度 按地震资料及其反演结果取值 单方案
7 破裂位置 按照断层两端和中间位置设置 多方案 ■
8 破裂方向 依据破裂位置设置单向或双向 单方案
9 凹凸体模型 依据地震规模大小设置 多方案 ■
步骤(2)：确定地震动模拟方法，并对模拟结果影响较大的参数取值进行分析
场址地震动模拟采用随机有限断层法进行，该方法属于一种半经验半理论的地震动模拟方法，不仅可以设置比较符合实际情况的震源模型，考虑距离衰减和场地效应等影响，而且计算工作量小，因此比较适合于工程应用。
如图3所示，该方法的主要思想是将发震断层划分成一系列子断层，然后将每个子断层视为点源，应用随机点源的方法，得到每个子源对于场址的影响。计算每个子源在场址产生的地震动，首先是在频域上综合考虑震源、传播路径以及场地效应的影响，拟合地震动傅立叶谱，然后转换到时域上，生成地震动时程。如果设一个地震矩为M0的点源产生的傅立叶谱为FA(M0,f,R)，它可以表示为震源谱S(M0,f)、距离衰减项P(R,f)、场地效应影响项G(f)以及地震动类型因子I(f)之间的乘积，即
FA(M0,f,R)＝S(M0,f)·P(R,f)·G(f)·I(f) (1)
式中：f是频率，R是场地距震中的距离，M0为地震矩。
对模拟结果影响较大的参数取值进行分析，主要包括对应力降和高频衰减因子kappa(κ)值进行分析。
应力降：该参数是影响地震动模拟结果的最重要的参数，因此应选用多种方法确定其取值及分布。可选择研究区内记录到近震震级ML≥4.0以上地震进行该区域应力降的反演，结合该区域其它方法得到的应力降的取值，获得应力降的取值范围及分布情况，并根据其分布情况，确定取值水平及各取值水平的加权系数。
如图2所示的研究区域，其应力降的主要取值范围集中在为20bar-60bar之间，其频度的分布图如图4所示。根据Brune的震源谱模型，利用应力降分布计算出平均震源谱，并求出对应的平均应力降。在实际模拟中，为了充分考虑到可能发生的最危险情况，在应力降取值时对研究区域内的应力降取值范围按照平均应力降乘以12.5％的放大倍数，并按照10bar的间隔设置5个水平，即(25,35,45,55,65)bar进行分析，根据每个应力降取值与平均应力降的偏离程度，以公式(2)计算出其对应的权重系数。
权重系数＝1/exp(|取值-均值|/均值) (2)
高频衰减因子kappa(κ)值：利用研究区域内的测震记录，经过零线校正和滤波后，求出其加速度谱，在半对数坐标中计算S波的傅立叶谱，选择其高频衰减的起始频率和终止频率进行计算，将各个台站的计算结果通过一阶近似得到0km处的κ值，即为目标场地与传播路径无关的κ值。
图5显示了κ值随震中距离的分布图。如图5所示的研究区内，高频衰减系数κ可设为三个取值水平0.0246,0.0277和0.0308，即高频衰减参数在计算中通过拟合结果可以求出均值和误差，这里以均值(mean)和加减一倍方差(delta)来进行取值，即κ＝均值±方差，相应的加权系数分别取为(方差/均值，方差/均值，1-2*方差/均值)。
由于采用随机有限断层法进行地震动模拟时，采用的相位是随机的，所以对每个方案需要产生的地震加速度时程的样本数量需要进行分析。按照样本均值稳定，方差较小的原则，经分析最后选取的样本数量为30条，其相应的权重系数为1/30。
步骤(3)：考虑不同震源影响，对地震动模拟方案进行设计；
根据步骤(1)和步骤(2)对每个参数设置的方案和相应的加权系数，设计地震动模拟方案。本申请按照考虑不同震源的方式进行考虑。
A.分别考虑每个震源对场址的影响，分别对每个震源设置地震动模拟的方案。对于第j个震源，其凹凸体模型方案如图6所示，并根据公式(3)，计算每种方案总体的权重系数，如表2所示。
Waji＝fi·ri·ai·di·sdi·ki·ni (3)
表2第j个震源地震动模拟凹凸体模型方案权重系数
方案 线索标示 权重系数
1 Sj-FL1-1-R1-A1-D1-1-K1-ACC1 Wa<sub>j1</sub>
2 Sj-FL1-1-R1-A1-D1-1-K1-ACC2 Wa<sub>j2</sub>
…… …… ……
N Wa<sub>jn</sub>
B.对每个震源采用随机模型设置用于对比分析的地震动模拟方案，如图7所示，并根据公式(4)计算每种方案的权重系数，如表3所示。图6和图7中，大写字母表示物理量，小写字母代表权重。
Wsji＝fi·di·sdi·ki·ni (4)
表3第j个震源地震动模拟随机模型方案权重系数
方案 线索标示 权重系数
1 Sj-FL1-1-D1-1-K1-ACC1 Ws<sub>j1</sub>
2 Sj-FL1-1-D1-1-K1-ACC2 Ws<sub>j2</sub>
…… …… ……
N Ws<sub>jn</sub>
步骤(4)：采用随机有限断层法进行场址的地震动模拟，获得全部方案的加速度时程、加速度峰值和不同周期的加速度反应谱值
按照步骤(3)所设置的研究方案，采用随机有限断层法进行场址的地震动模拟，获得全部方案的加速度时程、加速度峰值(PGA)以及不同周期的加速度反应谱值，周期点个数按实际需要采样。
步骤(5)：对相应于不同震源的地震动模拟结果进行分析，并对场址地震动参数进行综合评价
分析不同震源模拟方案计算得到结果，将每个震源的每个方案凹凸体模型和随机模型计算得到的地震动加速度峰值(PGA)和不同周期(例如，0.03s-10s)的加速度反应谱值(Sa)，分别按照从小到大进行排列，并根据表2和表3列出其对应的加权系数，形成一系列场址地震动参数排列表，如表4和表5分别给出了N个方案凹凸体模型计算得到的PGA和周期0.03s的加速度反应谱值Sa03的排列表，表6和表7分别给出了N个方案随机模型计算得到的PGA和周期0.03s的加速度反应谱值Sa03的排列表，其中pi＜pj＜…＜pn，Sa03_i＜Sa03_j＜…＜Sa03_n。
表4第j个震源计算得到的场址地震动PGA排列表(凹凸体模型)
PGA …… p<sub>i</sub> p<sub>j</sub> …… p<sub>n</sub>
加权系数 …… Wa<sub>ji</sub> Wa<sub>jj</sub> …… Wa<sub>jn</sub>
对应方案 …… 方案i 方案j …… 方案N
表5第j个震源计算得到的场址地震动Sa03排列表(凹凸体模型)
Sa<sub>03</sub> …… Sa<sub>03_i</sub> Sa<sub>03_j</sub> …… Sa<sub>03_n</sub>
加权系数 …… Wa<sub>ji</sub> Wa<sub>jj</sub> …… Wa<sub>jn</sub>
对应方案 …… 方案i 方案j …… 方案N
表6第j个震源计算得到的场址地震动PGA排列表(随机模型)
PGA …… p<sub>i</sub> p<sub>j</sub> …… p<sub>n</sub>
加权系数 …… Ws<sub>ji</sub> Ws<sub>jj</sub> …… Ws<sub>jn</sub>
对应方案 …… 方案i 方案j …… 方案N
表7第j个震源计算得到的场址地震动Sa03排列表(随机模型)
Sa<sub>03</sub> …… Sa<sub>03_i</sub> Sa<sub>03_j</sub> …… Sa<sub>03_n</sub>
加权系数 …… Ws<sub>ji</sub> Ws<sub>jj</sub> …… Ws<sub>jn</sub>
对应方案 …… 方案i 方案j …… 方案N
然后，根据上述场址地震动参数排列表，对不同震源的结果分别进行统计分析：
A.基于每个震源计算得到的一系列场址地震动参数排列表，对每个震源凹凸体模型计算得到的PGA值和不同周期点加速度反应谱的谱值进行统计分析，给出最小值(Min)、50％分位数值(Q50)、均值(Mean)、84％分位数值(Q84)、95％分位数值(Q95)及最大值(Max)，如表8所示；
表8相应于震源j凹凸体模型的地震动参数统计值
Figure BDA0001904642770000081
B.基于每个震源计算得到的场址地震动参数排列表，对每个震源随机模型计算得到的PGA值和不同周期点加速度反应谱的谱值进行统计分析，给出最小值(Min)、50％分位数值(Q50)、均值(Mean)、84％分位数值(Q84)、95％分位数值(Q95)及最大值(Max)，如表9所示。
表9相应于震源j随机模型的地震动参数统计值
Figure BDA0001904642770000091
对不同断层破裂源凹凸体模型和随机模型计算得到的参数统计值进行分析，考虑凹凸体模型和随机模型计算结果的较大值。根据实际工程的需要可取不同分位数的统计值作为结果。
步骤(6)：按照实际工程结构关注的频段，取任一震源计算得到的结果作为场址的参数；或者，取所有震源计算结果的外包线作为场址的参数；
步骤(7)：根据场址地震动参数，并考虑结构特性，对用于结构动力分析的加速度时程进行模拟。
基于步骤6得到的场址地震动参数，确定基于不同发震构造最大可信地震的场址地震动参数(PGA，加速度反应谱等)。考虑不同发震构造最大可信地震影响的场址地震动参数可采用84％分位数的统计值。
根据结构特性，对用于结构动力分析的加速度时程按照3种方案进行模拟：
A：以场址地震活动环境为基础，挑选与场址加速度反应谱符合较好的实际地震加速度时程为种子时程，然后基于目标反应谱进行调整；
B：以场址地震活动环境为基础，建立地震动频率非平稳特性参数，人工拟合得到符合于目标反应谱的地震加速度时程；
C：从模拟得到的加速度时程中挑选出与目标反应谱符合较好的时程。
根据本申请的考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，其与基于全部发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，在分析思路上都是采用多个方案来进行。区别点在于，不同发震构造是对每个震源单独进行方案设计，然后按照工程需要取其中一个震源或全部震源的结果的外包线作为评价结果；全部发震构造是对场址有影响的震源一起进行分析，可通过考虑未来一定时间内不同震源的发震概率来设置每个震源的加权系数，对全部方案的结果进行评价。两者在评价方法上存在显著的差异。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种考虑不同发震构造最大可信地震的地震动参数评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于区域构造和区域地震地质资料，确定地震动模拟震源设置方案，并对其进行不确定性分析；
(2)确定地震动模拟方法，并对模拟结果影响较大的参数取值进行分析；
(3)考虑不同震源影响，对地震动模拟方案进行设计；
(4)采用随机有限断层法进行场址地震动模拟，获得全部方案的加速度时程、加速度峰值和不同周期的加速度反应谱值；
(5)对相应于不同震源的地震动模拟结果进行分析，并对场址地震动参数进行综合评价；
(6)按照实际工程结构关注的频段，取任一震源计算得到的结果作为场址的参数；或者，取所有震源计算结果的外包线作为场址的参数；
(7)根据场址地震动参数，并考虑结构特性，对用于结构动力分析的加速度时程进行模拟；
其中，步骤(1)中还包括：
(1)基于研究区域构造背景，确定对场址有重要影响的发震构造，并完成以下分析：
A.依据发震构造最新活动时代及地震震中分布特点，确定发震构造的震级上限；
B.依据地震、地质资料、野外调查、并结合区域深部构造背景，确定发震构造的位置，对不能确定明确位置的断裂，采用多个位置方案，并按确定位置的资料的可信度及对场址的影响水平分析，设置加权系数；
(2)依据研究区域地震、地质、小震精定位、震源机制解的资料，对发震断层的参数进行分析，确定地震动模拟震源方案，对于具有不确定性的参数，设置多个模拟方案，并设置各个方案的加权系数。
2.根据权利要求1所述的地震动参数评价方法，其特征在于，
步骤(3)包括：
分别考虑每个震源对场址的影响，分别对每个震源采用凹凸体模型设置地震动模拟方案，并计算每种方案总体的权重系数；
对每个震源采用随机模型设置用于对比分析的地震动模拟方案，并计算每种方案的权重系数；
步骤(5)包括：
分析相应于不同震源地震动模拟方案计算得到结果，将每个震源的每个方案凹凸体模型和随机模型计算得到的地震动加速度峰值和不同周期的加速度反应谱值，分别按照从小到大进行排列，形成场址地震动参数排列表；
基于每个震源计算得到的场址地震动参数排列表，对每个震源凹凸体模型计算得到的地震动加速度峰值和不同周期点加速度反应谱值进行统计分析，给出最小值、50％分位数值、均值、84％分位数值、95％分位数值及最大值；
基于每个震源计算得到的场址地震动参数排列表，对每个震源随机模型计算得到的地震动加速度峰值和不同周期加速度反应谱值进行统计分析，给出最小值、50％分位数值、均值、84％分位数值、95％分位数值及最大值；
对相应于不同震源凹凸体模型和随机模型计算得到的参数统计值进行分析，取凹凸体模型和随机模型计算结果的较大值。
3.根据权利要求1或2所述的地震动参数评价方法，其特征在于，步骤(7)中的模拟方法为：
A.以场址地震活动环境为基础，挑选与场址加速度反应谱符合较好的实际地震加速度时程为种子时程，然后基于目标反应谱进行调整；
B.以场址地震活动环境为基础，建立地震动频率非平稳特性参数，人工拟合得到符合于目标反应谱的地震加速度时程；或者
C.从模拟得到的加速度时程中挑选出与目标反应谱符合较好的时程。
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