基于强震记录不同波动成份的HVSR谱比结果差异性研究

文章编号：1000-0666（2019）04-0555-07

0 引言

地震灾害调查结果和理论研究表明：局部工程场地条件对地震动特性有显著的影响（主要是对地震动峰值和频谱的放大或者缩小），从而直接影响到地震灾害的严重程度（Borcherdt，1970;Field，1996）。近年来国内外大地震都证实了位置相邻但场地条件不同的工程场地上的震害差异极其明显，研究工程场地在地震尤其是大震作用下的反应特征，进而对建筑物进行有针对性地抗震设计是目前地震工程界的一个重要研究方向（胡聿贤等，1980）。随着强震台阵的大量布设，强震记录数量急剧增加，使用强震记录进行场地效应研究成为了可能（Lermo，Chávez-García，1993;Field，Jacob，1995;魏勇等，2018;李世成等，2017）。

国外众多学者对强震动记录中不同波动成份的HVSR谱比曲线进行了对比：Nakamura（1989）最早提出使用地脉动记录的水平与垂向分量做谱比，得到场地卓越周期，此结果与S波计算的结果一致;不仅卓越周期相近，许多学者研究认为二者结果在幅值大小上也很接近（Lermo，Chavez-Garcia，1994;Zhao et al，1997）;Tokimatsu和Miyadera（1992）认为由于地脉动主要成份是面波，HVSR谱比方法得到的结果与瑞利波的结果一致，与S波的结果不一致;Field和Jacob（1995）研究认为虽然二者在卓越周期上很相似，但在波峰的幅值高度上差距很大; Toshimi 等（2001）对同一台站的地脉动、S波、P波和尾波进行了对比，发现P波与地脉动的结果相差较大，S波与地脉动相近，而P波的尾波和S波的尾波都接近地脉动的结果。

由于地脉动振幅较小、频率偏低，散射理论可以较好地解释地脉动等微震的HVSR谱比结果，但对于强震记录却没有给出较明确的解释（Sanchez-Sesma et al，2011;Kawase et al，2011）。由于地脉动等微震动无法体现土体在强震下的非线性反应、高频段的振动反应，而地表破坏均是由强震动引起的，故使用强震数据进行场地地震效应分析更具有现实意义。

强震动记录较地脉动复杂的多，包含不同的波动成份，不同学者使用强震记录时使用了不同的振动时段（Nagashima et al，2014;荣棉水等，2016;Caserta et al，2013）。那么在進行HVSR谱比计算时，各个波动成份是否能得出较一致的结果，哪个能更好地反映出场地特征是本文的研究内容。

1 强震记录和前期处理

汶川8.0级地震伴随有若干次不同震级的强余震，国家强震动台网中心获得了大量强震记录，共有19个省（市、自治区）的420个强震台站记录到了主震的强震动，这些记录为强震研究提供了非常好的基础资料（Li et al，2008）。本文使用苍溪气象局强震台等6个台站记录到的2008年汶川8.0级地震强震记录，台站信息和记录信息见表1。为了说明本次研究对不同波动成份的划分，以苍溪气象局强震台站的记录作为例子，如图1所示：在地震波未到的0～15 s近似为地脉动成份;地震波初至至S波到达可看作P波振动成份;S波结束直至整个记录末尾作为尾波振动成份（主要为各种波的折射、反射、散射等成份）。

在进行HVSR谱比前，要对强震记录进行带通滤波、基线校正等预处理（章文波等，2001;周宝峰，2012），本文使用的带通滤波器通带范围为0.1～30 Hz;在计算HVSR谱比后，采用频率对数轴等间距的谱平滑方法（Konno，Ohmachi，1998）对谱比曲线进行谱平滑。

2 各震相HVSR谱比分析

从图1可以看出，强震记录包含了多种振动成份，为了研究各波动成份HVSR谱比结果的异同，分别对各波动成份进行了截取，然后分别对其进行HVSR谱比计算，结果如图2所示。

从图2中看出5种波动成份对比结果各不相同：全波和S波窗口的结果最为相似，从0.1～30 Hz两者基本完全吻合，仅在中段部分在峰值高度上存在细小的区别;尾波的结果与前两者相差不大，尤其是与S波的结果最为相近，区别是在峰值对应的频率有所不同，峰值高度相差不大;地脉动和P波的结果与前3种震相结果相差很大，在低频段（1～9 Hz）峰值对应的频率与前3者一致，但峰值高度相差甚远，在频率大于20 Hz后，地脉动的谱比结果趋近于1，而其他4种数据的结果在高频段存在很大幅度的变化，结果不趋近于1，这个结果也与卢滔等（2006）结果一致;P波的谱比结果在频率0.1～1 Hz时远低于其他的结果，随着频率的增加，差距越来越小。

6个台站中只有新津梨花台站的场地类别为基岩，由图2可见，其记录与其他5个台站差异较大：在低频段，新津梨花台站记录的HVSR谱比结果波峰不明显，相对较平缓，值得说明的是，新津梨花台站记录5种不同波动成份HVSR结果之间的异同与其他5个台站基本吻合。