田 浩 胡进军 谭景阳 崔 鑫 石 昊

1）中国地震局工程力学研究所, 哈尔滨 150080

2）中国地震局地震工程与工程振动重点实验室, 哈尔滨150080

引言

随着全球海洋开发的兴起，各类海域工程不断兴建，其多处于地震频发带，需考虑地震的影响。进行海域结构动力分析时，输入地震动的选取是重要环节，真实海底地震动可为海域工程输入提供需求。1979-1980年美国在南加州地区建立了海底地震观测系统（SEMS），为海洋石油系统记录了海底地震（Boore 等，1999）。1996 年日本建立了地震和海啸监测系统（ETMC），用于实时监测东京都市圈附近的海底地震与海啸。SEMS、ETMC 等早期运行的系统为海底地震研究提供了宝贵观测数据。海底地震观测系统的发展对相关研究有重要推动作用，胡进军等（2017a）基于K-NET 数据，发现日本滨海地区不同震源类型下的地震动衰减关系存在明显差异；周旭彤等（2021）基于DONET1 数据，应用HVSR 方法研究海底场地效应分组时，发现应考虑地形和台站布设方式的综合影响；Dhakal等（2021）基于S-net 数据，发现陆地和S-net 台网观测到地震动的PGA 及自振周期＜0.5 s 的加速度反应谱谱值基本一致，而S-net 观测到地震动的PGV 和自振周期约为0.5 s 的加速度反应谱谱值明显较大。

在各类陆域工程结构抗震设计规范中，对地震动的输入要求均有关于实际地震动的规定。我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2016）规定，选用场地相关的实际强震动记录不应少于总数的2/3。欧洲规范Eurocode8: Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 1（CEN，2005）规定：在结构抗震设计过程中应选取3 组以上实际地震动作为输入地震动。美国FEMA-355 报告（SAC Joint Venture, 2000）给出了44 条远场和56 条近场地震动作为推荐输入地震动。

目前，我国尚未制定专门的海洋结构抗震设计规范，针对海底地震动的研究主要聚焦于理论分析、数值模拟和海域地震动特征统计分析等。朱镜清（1988）对地震激励下海水和海床土耦合运动问题进行力学分析，建立了相应的数学模型，研究了海底振动时海水流场解析解。胡进军等（2014）综述了我国南海地区地震环境，建议充分考虑海域地震特征的影响。Diao 等（2014）通过研究海水对海底入射的P 波和SV 波影响，发现海水对P 波的影响远比SV 波显著。陈宝魁等（2014）研究表明，当周期＜1.5 s 时，若以陆地地震动代替海底地震动计算强度折减系数谱，会导致偏于不安全的结果。谭景阳等（2021b）对海底与陆地地震动反应谱进行定量分析，结果表明需考虑海底与陆地弹性反应谱和弹塑性反应谱之间的差异，应根据震源类型、震级和距离对其进行调整。王笃国等（2021）研究表明，场地土越软，地震动输入强度越大，PGA 放大系数越大，反应谱特征周期越大。李小军等（2021）揭示了SBSR/HVSR 与HVSR 呈对数线性分布的统计特征，并给出了定量关系。对于海域工程结构抗震设计而言，由于其地震环境和场地等因素与陆地地震动有明显差异，应采用由海底地震动记录组成的工程设计数据库，以更好地满足设计需求。

进行工程抗震设计时，应格外关注具有典型特征的地震动记录，如高频地震动对短周期结构具有较大影响，长持时地震动对结构造成累积损伤，大位移地震动使海域长周期结构产生较大的响应。因此本文考虑海底地震动峰值、持时、频率特征，并按各地震动强度指标值进行排序，为海域工程输入地震动的选取提供数据库。

1 海底地震动数据

1.1 台站和数据概况

1996 年日本在东京都市圈南部相模湾海域安装了地震海啸监测系统（ETMC），该系统包括6 个海底台站（KNG201～KNG206），海水深度为900～2 300 m（胡进军等，2013），6 个海底台站间隔为10～20 km，目前ETMC 已获得包括2011 年“3·11”东日本大地震在内的海底强地震记录，台站分布情况如图1 所示。

图1 ETMC 系统海底台站分布Fig. 1 Distribution of seafloor stations of ETMC system

本文收集了6 个台站2006-2020 年所有海底地震事件，筛选震中距＜300 km 且矩震级为4.0～7.0 级的海底地震动记录。为保证所选地震动记录的全面性，略放大远场大地震震中距，因此对于7 级以上的大地震，将震中距限制在500 km 以内，数据库中共有949组海底地震动记录，矩震级与震中距分布情况如图2所示。

图2 海底地震记录矩震级与震中距分布Fig. 2 Distribution of moment magnitude and epicentral distance of seafloor ground motion records

1.2 数据处理

未经处理的海底地震动记录中不仅含有地震动信息，同时含有噪声，可通过滤波的方式滤掉对工程不敏感的低频和高频分量。另外，受仪器倾斜、移位及环境噪声等因素影响，地震动时程偏离零基线位置，因此需进行基线校正。本文采用Boore 等（Boore，2004；Boore 等，2005）提出的基线校正方法，滤波处理时采用因果滤波器（周宝峰，2012），滤波带宽为0.1～25.0 Hz。

1.3 震源类型划分

为考虑震源特征差异，需按照震源对地震动类别进行划分（胡进军等，2017b）。根据俯冲倾斜角度及岩石圈厚度，可将俯冲带地震划分为板缘地震与板内地震（Tichelaar 等，1991）。Zhao 等（2015）根据全球俯冲带模型，将俯冲带地震分为浅地壳地震（UM）、上地幔地震（SC）、板缘地震（IF）和板内地震（SL）。本文采用Zhao 等（2015）提出的震源分类方法，将地震划分为4 类。在分类过程中，通过Hayes 等（2018）提出的全球俯冲带模型（Slab 2.0）获取俯冲带信息。经分类后，得到429 组板内地震记录、74 组板缘地震记录、228 组上地幔地震记录、218 组浅地壳地震记录。

2 按峰值分类推荐

2.1 高PGA 地震动

PGA 是描述地震动强度最常用的参数，也是地震动衰减研究中的基本参数，可与其他地震动参数组合得到复合强度指标或矢量强度指标（Yakhchalian 等，2019）。Bommer 等（2000）通过PGA 典型值确定了地震动衰减的对数模型。钟德理等（2004）以PGA 为易损性曲线坐标，用PGA 代替相对模糊的、定性的烈度概念，符合相关规范规定（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2004）。Zhu 等（1988）通过计算PGA/PGV，发现低PGA/PGV 地震动一般较高PGA/PGV 地震动具有更长的强震持续时间。叶列平等（2009）发现以PGA 为代表的第1 类强度指标与短周期结构的相关性较高。短周期结构地震响应主要受PGA 控制，该类结构被称为加速度敏感型结构。为给海域加速度敏感型结构设计和评估提供依据，本文推荐了不同震源机制下基于PGA 排序的前20 名条海底地震动记录，如表1 所示。

表1 基于PGA 排序的海底地震动记录Table 1 Recommended seafloor ground motion records based on PGA ranking

3 条PGA 较大的典型地震动加速度时程曲线如图3 所示，对应记录的加速度反应谱如图4 所示，3 条记录的震中距均＜10 km，为典型的近场地震动。由图4 可知，3 条地震动反应谱峰值较大，最大值＞1 000 Gal，因此该地震动易对加速度敏感型海洋结构造成较大影响。但3 条地震动记录频率成分不同，导致反应谱峰值出现的周期点不同，对不同自振周期结构的影响存在较大差异。

图3 典型高PGA 地震动加速度时程曲线Fig. 3 Typical high PGA ground motion acceleration time history curve

图4 典型高PGA 地震动加速度反应谱Fig. 4 Typical high PGA ground motion acceleration response spectrum

2.2 高PGV 地震动

峰值速度（PGV）也是常见的地震动参数，Neumann（1960）认为PGV 相较于PGA 可更好地反应地震动强度。日本以速度为烈度物理标准，编制了全国等地震动速度线（郝敏等，2005）。Akkar 等（2008）用PGV 估计了非线性振荡器峰值位移，发现由广义矩量法计算的PGV 值可恰当地处理重要地震动参数对位移反应谱谱值（Sd）的影响。Masi 等（2011）开展RC 框架结构地震易损性研究，认为通过PGV 选择天然和合成加速度记录较PGA 合适。叶列平等（2009）发现PGV 在中周期范围内与结构地震响应的相关程度较高，且PGV 具有较好的工程使用简便性，PGV 是基于性能设计和评价较合适的单一地震动强度指标。为给速度敏感型海域工程结构提供可选择的典型地震动输入，本文推荐了不同震源机制下PGV 排名前20 名的海底地震动记录，如表2 所示。

表2 基于PGV 排序的海底地震动记录Table 2 Recommended seafloor ground motion records based on PGV ranking

3 条PGV 排序靠前的地震动速度时程曲线、速度反应谱如图5、图6 所示。由图可知，3 条记录的速度反应谱峰值较大，最大值＞70 cm/s，因此该地震动易对速度敏感型海洋结构造成较大影响，选用本文给出的高PGV 类海底地震动作为结构自振周期适中的速度敏感型海洋结构抗震设计和评估输入地震动较合适，且可为RC 框架结构易损性分析提供合适的输入地震动。

图5 典型高PGV 地震动速度时程曲线Fig. 5 Typical high PGV ground motion acceleration time history curve

图6 典型高PGV 地震动速度反应谱Fig. 6 Typical high PGV ground motion velocity response spectrum

2.3 高PGD 地震动

峰值位移（PGD）同样是重要的地震动参数。王飞（2016）通过研究峰值位移对钢结构弹塑性地震反应的影响，发现PGD 对短周期结构地震反应的影响较小，但对自振周期较大的结构影响显著。郝明辉等（2017）通过研究PGD 对SDOF 体系地震响应的影响，发现随着PGD 的增大，中长周期SDOF 体系弹塑性位移、永久位移和速度增大，且增大效应对弹塑性位移的影响更显著。谭景阳等（2021a）对长周期海底地震动特性进行研究，发现PGD 和SDOF 体系位移需求的相关性程度最高，对于不同强度折减系数的单自由度体系，位移需求和PGD 的相关性离散性最小。因此在海洋结构设计中应考虑PGD，为给位移敏感型海洋结构设计与评估提供可选择的典型输入地震动，本文推荐了不同震源机制下PGD 排序前20 名的海底地震动记录，如表3 所示。

表3 基于PGD 排序的海底地震动记录Table 3 Recommended seafloor ground motion records based on PGD ranking

3 条PGD 较大的地震动位移时程曲线如图7 所示，所选记录的位移反应谱如图8 所示。由图8 可知，3条地震动位移反应谱峰值较大，且幅值出现在长周期位置。因此高PGD 类海底地震动易对长周期位移敏感型，尤其对延性较差的海洋结构造成较大影响，该类地震动可为海洋长周期结构，尤其是SDOF 体系位移验算提供输入地震动（谭景阳等，2021a）。

图7 典型高PGD 地震动位移时程曲线Fig. 7 Typical high PGD ground motion acceleration time history curve

图8 典型高PGD 地震动位移反应谱Fig. 8 Typical high PGD ground motion velocity response spectrum

3 按持时分类推荐

3.1 长持时地震动

作为地震动三要素之一，持时是重要的地震动参数。长持时地震动会使结构发生疲劳破坏（袁峰等，2018）。Ds5-95为Arias 烈度与总Arias 烈度比值由5%增至95%所经历的时间，Ds5-75为 Arias 烈度与总 Arias烈度比值由5%增至 75% 所经历的时间，二者是目前工程实践中应用较广泛的持时参数，本文选用Ds5-95作为长持时地震动数据的推荐依据。本文给出不同震源机制下Ds5-95排序前20 名的海底地震动记录，如表4所示。

表4 基于Ds5-95 排序的海底地震动记录Table 4 Recommended seafloor ground motion records based on Ds5-95 ranking

Ds5-95排序靠前且PGA 较大的3 条海底地震动记录加速度时程曲线如图9 所示，归一化的Arias 烈度时程曲线如图10 所示。3 条地震动记录的PGA 均为20～30 Gal。由图10 可知，3 条地震动能量释放较缓慢，Ds5-95较大，可能对结构造成疲劳损伤。因此，该类记录可用于海洋结构抗震设计与现有结构评估过程中的疲劳验算，也可用于动力、静力设计方法的对比研究。

图9 典型长持时地震动加速度时程曲线Fig. 9 Acceleration time history of typical long duration ground motion curve

图10 典型长持时地震动归一化Arias 烈度时程曲线Fig. 10 Normalized Arias intensity time history of typical long duration ground motion

3.2 短持时地震动

短持时地震动能量在较短时间内迅速释放，会对结构造成较大的冲击。已有研究发现近断层地震动具有短持时的特点（颜桂云等，2018），当地震动能量主要集中于高频段时，长周期结构瞬态位移反应随着结构周期的增大持续增大，有高于共振位移的可能（王博等，2013）。由于Ds5-75和Ds5-95均通过Arias 烈度定义，且含有能量因素，因此选择Ds5-75/Ds5-95作为本文推荐的短持时地震动量化指标。Ds5-75/Ds5-95越小，说明能量释放越快，符合短持时地震动定义。为给短持时地震动研究提供依据，本文给出了不同震源机制下Ds5-75/Ds5-95排序前20 名的海底地震动记录，如表5 所示。

表5 基于Ds5-75/Ds5-95 排序的海底地震动记录Table 5 Recommended seafloor ground motion records based on Ds5-75/Ds5-95 ranking

选取编号为KNG2010604210250.EW 的海底地震动作为典型地震动进行分析，该地震动震级为7 级，震中距为76.44 km，PGA 较大，达123.29 Gal，且大部分能量在30.24 s 内迅速释放，属于典型的短持时地震动。本条地震动加速度及Arias 烈度时程曲线如图11 所示，由图可知，本条地震动能量释放迅速。本条地震动记录的加速度反应谱如图12 所示，由图可知，由于能量释放较集中，反应谱峰值较大，接近300 Gal，可为结构瞬态位移反应研究等提供输入地震动。

图11 KNG2010604210250.EW 加速度时程及Arias 烈度时程曲线Fig. 11 Acceleration and Arias intensity time history curve of KNG2010604210250.EW

图12 KNG2010604210250.EW 加速度反应谱Fig. 12 Acceleration response spectrum of KNG201060 4210250.EW

4 按频率分类推荐

4.1 低频地震动

地震动频谱特性在结构随机振动等研究中应用广泛，不同自振周期的结构对低频、高频海底地震动敏感程度不同。跨海大桥等海洋结构自振周期较长，为防止海洋结构在地震发生时产生共振现象，海洋结构抗震设计中应注意低频地震动的影响（谢礼立等，1990）。廖述清等（2005）发现在低频地震动作用下，高层结构动力系数大于短周期地震动作用。李雪红等（2014）通过相关参数定义了低频地震动识别参数βl，用于识别相应的地震动，该参数在低频成分丰富的地震动研究中使用较广泛，本文采用上述方法识别低频地震动记录。李雪红等（2014）研究结果表明，βl＞0.4 时地震动为低频成分丰富的地震动。本文基于选出不同震源机制下βl＞0.4 的低频成分丰富的海底地震动数据，如表6 所示。

表6 基于低频地震动识别参数βl 排序的海底地震动记录（从大到小）Table 6 Recommended seafloor ground motion records based on defining parameters（βl） of low frequency （from large to small）

选取编号为KNG2041103111446.NS 的海底地震动记录作为典型地震动进行分析，该地震动记录震级为9.0 级，震中距为462.2 km，βl=0.44。为描述典型低频地震动，选取编号为KNG2031901080135.EW 的高频记录作为对比，其震级为4.1 级，震中距为34.5 km，βl=0.001。所选的2 条海底地震动记录加速度时程曲线如图13 所示，对应记录的傅里叶谱如图14 所示。由图14 可知，编号为KNG2041103111446.NS 的地震动记录频率＜1 Hz 的低频成分丰富，该地震动可用于频域角度海洋结构动力响应研究，尤其是在自振周期较长的海洋结构设计中具有重要参考价值。

图13 典型低频地震动加速度时程曲线Fig. 13 Acceleration time history of typical low frequency ground motion

图14 典型低频地震动傅里叶谱及其对比Fig. 14 Fourier spectrum of typical low frequency ground motion and its curve of comparison

4.2 高频地震动

高频地震动不仅对短周期结构的破坏能力极强，易与其发生共振现象，且会使长周期结构发生较大的瞬态振动响应。吴琛等（2011）发现当高频地震动作用于长周期结构的低阶振型时，结构振动受瞬态振动影响显著。因此，高频地震动对海域长、短周期结构均有较大的影响，但响应机理不同。近场地震动高频成分丰富，李雪红等（2014）研究发现，当βl＜0.2 时，地震动高频成分占主导，因此本文推荐近场高频地震动的依据为震中距＜20 km，且βl＜0.2。在949 组不同震源机制下的海底地震动记录中，近场地震动有20 组，均满足βl＜0.2 的条件，如表7 所示。

表7 基于低频地震动识别参数βl 排序的海底地震动记录（从小到大）Table 7 Recommended seafloor ground motion records based on defining parameters（βl）of low frequency （from small to large）

选取编号为KNG2061912140324.NS 的海底地震动作为典型地震动进行分析，该地震动记录震级为4.3 级，震中距为9.9 km，βl=0.005，是典型的近场高频地震动。为描述典型高频地震动，选取编号为KNG2051103111515.NS 的低频地震动进行比较，震级为7.7 级，震中距为211.5 km，βl=0.60。所选的2 条海底地震动记录加速度时程曲线如图15 所示，傅里叶谱如图16 所示。由图16 可知，编号为KNG20619 12140324.NS 的地震动频率＞1 Hz 的高频成分丰富，海域短周期结构对此地震动较敏感，因此该地震动可为短周期海洋结构激励响应和长周期结构瞬态响应研究提供合适的输入地震动。

图15 典型近场高频地震动加速度时程曲线Fig. 15 Acceleration time history of typical high frequency ground motion

图16 典型近场高频地震动傅里叶谱Fig. 16 Fourier spectrum of typical high frequency ground motion and its curve of comparison

5 结论

本文基于日本K-NET 的ETMC 海底地震动数据，筛选出可供工程输入的949 组海底地震动，并按照震源类型对海底地震动进行分类，分析峰值、持时和频率等地震动特征。面向不同结构的抗震需求，分别基于地震动幅值（PGA、PGV 和PGD）、能量持时（长持时和短持时）及长周期识别参数对海底地震动进行排序推荐，给出具有典型地震动特征的记录，并建立基于地震动分类排序的海底地震动数据库，结果可为海域工程结构抗震设计和评估提供初选的输入海底地震动。致谢 感谢日本K-NET 台网2https://www.kyoshin.bosai.go.jp/对本文提供的数据支持。