韩建平1, 2，周 伟1
(1. 兰州理工大学防震减灾研究所, 甘肃, 兰州 730050; 2. 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室, 甘肃, 兰州 730050)
摘 要：选择国家强震动台网中心发布的2008年5月12日汶川地震四川、甘肃、陕西等地台站中的94组加速度记录进行了处理，提取了一些主要地震动参数，应用统计分析方法重点对地震动竖向与水平峰值加速度比、竖向与水平加速度反应谱及竖向与水平卓越周期比等进行了研究。结果表明，竖向与水平峰值加速度比的平均值为0.58，但约30%台站的峰值加速度比大于2/3；竖向与水平峰值加速度比随震中距的增大减小，近震区该比值离散性较大，场地条件对该比值也有较大的影响；在周期0-6s内竖向与水平加速度反应谱比曲线总体呈“Z”字形；不同的周期段，竖向加速度反应谱和水平加速度反应谱的谱形有较大差异，相比水平加速度反应谱，竖向加速度反应谱偏“瘦”；除少数台站外，绝大部分台站竖向与水平卓越周期比均小于1.0，该比值随震中距的增大而增大，并逐渐趋于平缓。上述研究结果可以为时程分析选取竖向地震动输入提供参考。
关键词：汶川地震；竖向地震动；峰值加速度比；反应谱；卓越周期
中图分类号：P315.9 文献标识码：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
近些年来全球范围内发生的几次强烈地震，特别是1995年日本Kobe地震和1999年我国台湾集集地震的震害调查表明，许多结构的破坏中有竖向地震作用的痕迹，有的甚至是由竖向地震作用直接导致的。在高烈度区，特别是震中区及近断层区，竖向地震作用是非常明显的[1-6]。
大量近断层地震记录的统计结果表明：竖向峰值加速度 与水平峰值加速度 的比值会超过预先设想的2/3[4,7]，而且近些年来也获得了竖向峰值加速度达到甚至超过水平峰值加速度的地震记录。1976年前苏联格兹里地震，记录到的最大竖向峰值加速度为1.39g，竖向和水平峰值加速度的比值为1.63[1]；1979年美国帝国山谷(Imperial Valley)地震所获得的30个记录， 的平均值为0.77，靠近断层(距离约为10km)的11个记录 的平均值则达到了1.12，其中最大的一个记录，竖向峰值加速度更是达到1.759g，竖向和水平向峰值加速度比高达2.4[8]。Bozorgnia等分析了发生在1975年到1995年间44个地震的2800多个峰值加速度和33个地震动的1300多个反应谱、发现 的值与场地的卓越周期、场地土条件和震源距有很大的关系，而与震级和发震断层类型的关系不明显， 的最大值在场地卓越周期为0.1s时可能达到1.5，在场地卓越周期为0.3~2.0s时, 的值为0.5或者更小一些；而对卓越周期较长的场地， 的最大值可达0.7[8]。周锡元等利用台湾集集地震所得地震动记录对近断层竖向与水平反应谱比值进行了研究，结果表明，在短周期范围内，该比值远大于2/3[9]。
基于此，国内外学者对结构竖向地震反应的研究日益重视。Kikuchi等研究了五层三跨RC框架结构分别在水平地震作用、竖向地震作用、水平地震和竖向地震同时作用下的抗震性能，其分析结果表明在水平地震动和竖向地震动同时作用时，竖向地震动仅对柱的轴力有较大影响[10]。Yamazaki等研究了钢框架结构在竖向地震动作用下的反应，提出竖向地震动对结构水平反应有较大影响，影响程度与结构竖向振动周期与水平振动周期之比 有关[11]。贾俊峰等人对近断层竖向地震动峰值特征研究后发现，在近断层区域的结构抗震设计中应重视可能发生的走滑断层中等震级条件下竖向地震动对结构的潜在危害[3]。Kim、Elnashai等研究了竖向与水平峰值加速度比对RC桥梁和房屋结构承载力的影响后发现，结构的抗剪承载力随着该比值的增大而减弱[4,12-15]。Kunnath、Yilmaz等研究了公路桥梁在竖向地震作用下的影响后认为，应该要考虑竖向地震动对结构承载力的不利影响[16,17]。
本文对国家强震动台网中心收集并发布的2008年5月12日汶川8.0级地震四川、甘肃、陕西94个台站的各分量加速度记录进行了处理与初步分析，提取了一些主要的地震动参数，并重点对地震动竖向与水平峰值加速度比、竖向与水平加速度反应谱及竖向与水平卓越周期比等进行了研究。
1 汶川地震强震动记录概况及选取原则
1.1 四川、甘肃、陕西地震动台站基本情况
四川、甘肃和陕西省境内分别有由131个、65个和29个固定自由场强震动观测台组成的数字强震动台网。在汶川地震中，除11个台站记录完全或部分缺失外，其余台站均记录到完整的地震动加速度数据。图1为汶川地震四川省、甘肃省、陕西省获取地震记录台站分布图。
1.2 四川、甘肃、陕西地震动台站数据的选择与处理
1.2.1 典型台站地震动时程数据的选择
汶川地震中，四川、甘肃、陕西分别有124个、61个、29个数字强震仪完整地记录到此次地震。本文依据所记录到的原始地震动加速度时程，从中共选取峰值加速度大于100gal且持时较长的94组较典型的三分量加速度记录进行分析与研究，其中四川省选取64组、甘肃省选取17组、陕西省选取13组。
选取的64组四川省台站加速度记录中，汶川卧龙台站(51WCW)东西方向水平峰值加速度及竖向峰值加速度均为最大，其值分别为957.70gal、948.10gal；竖向峰值加速度高于水平峰值加速度的有7个台站，分别是：江油含增台站(51JYH)、茂县南新台站(51MXN)、什邡八角台站(51SFB)、卧龙台站(51WCW)、黑水双溜索台站(51HSL)、理县木卡台站(51LXM)、理县桃平台站(51LXT)；最大记录持时为泸定加郡台站(51LDL)，时长398s。
选取的17组甘肃省台站加速度记录中，武都台站(62WUD)东西方向水平峰值加速度最大，其值为184.87gal；文县台站(62WIX)竖向峰值加速度最大，其值为131.97gal；最大记录持时为和平台站(62HEP)，时长为343s。
选取的13组陕西省台站加速度记录中，陇县台站(61LOX)东西方向水平峰值加速度最大，其值为153.95gal；凤翔台站(61FEX)竖向峰值加速度最大，其值为58.25gal；凤翔台站(61FEX)竖向峰值加速度(58.25gal)大于南北方向峰值加速度 (22.04gal)；最大记录持时为户县台站(61HXI)，时长为439s。
1.2.2 典型台站地震动时程数据的处理
对所选取的94组强震动记录数据进行频带滤波(0.1-25Hz)和基线校正处理，提取其地震动记录详细信息。表1为94组地震动记录的详细信息。图2为经滤波和基线处理后的部分台站地震加速度时程曲线示例，图3为部分台站地震动记录加速度反应谱曲线示例。
2
2竖向与水平峰值加速度比分析
2.1 竖向与水平峰值加速度比与震中距的关系
图8表明：除了少数台站的竖向与水平向卓越周期比大于1.0之外，绝大部分台站竖向与水平向卓越周期比均小于1.0；竖向与水平向卓越周期的比值随震中距的增大有增大的趋势，并逐渐趋于平缓。因此，对于竖向设计反应谱的特征周期应有单独规定，规范中将竖向设计反应谱的特征周期取为和水平向设计反应谱的特征周期相同是不尽合理的。
5 结论与建议
本文对国家强震动台网中心收集并发布的2008年5月12日汶川8.0级地震四川、甘肃、陕西94个台站的各分量加速度记录进行了处理与初步分析，重点研究了竖向与水平峰值加速度比、竖向与水平加速度反应谱及竖向与水平卓越周期比等，得到了以下结论：
(1) 94组地震动记录竖向与水平峰值加速度比的平均值为0.58，约30%台站的峰值加速度比大于2/3，四川汶川卧龙台站和理县木卡台站的峰值加速度比甚至达到1.18。
(2) 竖向与水平峰值加速度比随震中距的增大有减小的趋势。在震中附近，竖向地震动峰值加速度较大，但随着震中距的逐渐加大，竖向地震动峰值加速度相对水平向地震动峰值加速度衰减较快。另外，近震区 的离散性较大。
(3) 场地条件对地震动竖向与水平向峰值加速度比也有较大的影响。不同场地类别和不同震源机制对峰值加速度比的影响，尚需随着地震记录的不断积累而进行更深入的分析和研究。
(4) 在周期0-6s内竖向与水平加速度反应谱比曲线总体呈“Z”字形；不同的周期段，竖向加速度反应谱和水平加速度反应谱的谱形有较大差异，相比水平加速度反应谱，竖向加速度反应谱偏“瘦”。
(5) 除少数台站外，绝大部分台站竖向与水平卓越周期比均小于1.0；竖向与水平卓越周期比随震中距的增大而增大，并逐渐趋于平缓。
基于上述结论，建议：
(1) 竖向地震动分量对结构的作用不可忽视，加大对竖向地震动的研究具有现实的工程意义和重要的学术价值。在近震区和近断层区，对竖向地震动的作用应进行慎重地分析。
(2) 抗震规范取竖向地震影响系数的最大值为水平地震影响系数最大值的65％的规定有待进一步探讨，建议可以考虑区分不同的周期段采用不同的系数。
(3) 竖向反应谱的形状不能认为和水平反应谱的形状一致，建议适当减小规范竖向设计反应谱的衰减指数。
(4) 规范中将竖向反应谱的特征周期取为和水平反应谱的特征周期相同是不尽合理的，建议对竖向设计反应谱的特征周期应有单独规定。
致谢 衷心感谢国家强震动台网中心提供数据支持!
参考文献：
[1] 辛娅云. 竖向地震作用的重要性[J]. 工程抗震与加固改造, 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] 贾俊峰, 欧进萍. 近断层竖向地震动峰值特征[J]. 地震工程与工程振动, 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] 贾俊峰, 欧进萍. 近断层竖向与水平向加速度反应谱比值特征[J]. 地震学报, 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, 秦小军. 竖向与水平向地震动加速度反应谱比特性分析[J]. 地震工程与工程振动, 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] 周锡元, 徐平, 王国权, 等. 1999年台湾集集地震近断层竖向与水平反应谱比值的研究[J]. 地震地质, 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.