2008年5月12日汶川8级地震，提供了大批强震动记录，中国数字强震动台网的420个台站获得了震相完整的主震强震动加速度记录^[1]，其中布设在龙门山断裂带及其周围地区的50多个台站获得了大于100Gal的加速度记录，有46组三分向加速度记录的断层距小于100km^{[2, 3]}.

汶川地震的这些强震动记录为深入研究内陆型高角度逆冲地震的竖向和水平向加速度谱之间的关系提供了可能.目前普遍认为，竖向加速度反应谱与水平向加速度反应谱比值的统计平均值在1/2~2/3之间.但实际上影响着这一统计平均值的因素众多且关系较复杂，近断层更是如此.1989年Loma Prieta地震、1994 Northridge地震和Chi-Chi地震获得了大量的近场强震动记录，使开展竖向加速度反应谱与水平向加速度反应谱的比值研究成为可能.周锡元等^[4]详细研究了Chi-Chi地震近断层竖向与水平向加速度反应谱的比值特征，分析了断层上盘效应、场地条件及断层距对比值的影响.周正华等^[5]对国内外数十次地震的加速度记录进行统计分析，重点研究了Chi-Chi地震竖向加速度反应谱特征，结果表明，竖向加速度峰值和水平向加速度峰值的比值随震级的增大而减小，竖向加速度反应谱与水平向加速度反应谱的比值与震源距、场地类别及周期有关.国外不少学者系统分析了世界各地竖向加速度记录特征，研究了竖向加速度反应谱值与水平向加速度反应谱值之间的统计关系^[6~12].Campbell和Bozorgnia对周期在0.04~3s之间竖直与水平地震动的反应谱比进行了研究，结果表明，在短周期段（＜0.1s）竖向加速度反应谱与水平向加速度反应谱的比值有时超过1，甚至高达1.8，这比2/3高很多，在周期段（0.3~1.0s）其比值却比1/2低很多^{[13, 14]}.因此，目前的抗震设计规范按水平向加速度反应谱乘以一个固定的比例系数规定竖向加速度反应谱的合理性，还有待汶川等其他大地震强震动记录的验证.本文主要选用汶川主震的40组（东西向、南北向和竖向三分向记录）断层距小于120km加速度记录，对加速度峰值、加速度反应谱及其比值进行统计分析，旨在认识汶川地震的强震动特征，为深入研究工程结构地震破坏机理提供依据.

汶川地震发生在青藏高原东缘龙门山推覆构造带，其中，沿北川-映秀断裂展布的地表断裂带长约240km；沿灌县-江油断裂连续展布的地表破裂带长约72km^[15].图 1给出了本文使用近震源区域的40个强震动台站在龙门山发震断层附近的分布位置.依据建筑抗震规范（GB50011-2001），由土层等效剪切波速和覆盖土层厚度的不同，场地条件可以分为四类（见表 1）.本文40个强震动台站中，基岩（Ⅰ类场地）台站5个，中硬土（Ⅱ类场地）台站21个，中软土（Ⅲ类场地）台站14个.

图 1

Fig. 1

图 1 1本文使用的40个强震台站在发震断层周围的分布 Fig. 1 The distribution of 40 strong motion stations along the causative fault used in this study

表 1(Table 1)

表 1 建筑抗震规范中的分类(GB 50011-2001) Table 1 Site classification system used in seismic design code (GB50011-2001)

表 1 建筑抗震规范中的分类(GB 50011-2001) Table 1 Site classification system used in seismic design code (GB50011-2001)

利用断层距小于120km的40组强震动记录数据分析这次地震近断层地震动加速度峰值的衰减特征，采用统计回归的方式得出地震动加速度峰值的衰减关系.表 2分别给出所采用的衰减模型及这次地震三分向加速度峰值随断层距R的衰减关系，包括由东西向和南北向加速度峰值数据集合回归出的水平向加速度峰值的衰减关系.

表 2(Table 2)

表 2 衰减模型及回归得到的汶川地震近震源地震动的衰减系数 Table 2 Regression formula and corresponding coefficients based on the recordings with the closet rupture distance less than 120 km

表 2 衰减模型及回归得到的汶川地震近震源地震动的衰减系数 Table 2 Regression formula and corresponding coefficients based on the recordings with the closet rupture distance less than 120 km

图 2给出的是东西向、南北向及竖向地震动加速度峰值的衰减曲线，可以看出竖向加速度峰值明显比水平向加速度峰值小；东西向加速度峰值与南北向加速度峰值差别相对较小，但可以看到，在断层距小于60km时，东西向加速度峰值稍比南北向加速度峰值大，当断层距大于60km时，东西向加速度峰值和南北向加速度峰值的差别已不明显.表 3列出的是统计得到的不同断层距范围内的水平地震动加速度、速度峰值比（东西向/南北向）的平均值.

图 2

Fig. 2

图 2 断层距小于120km的地震动三分向加速度峰值衰减 东西向、南北向和竖向加速度峰值的数据点分别以空心圆圈、实心圆圈和三角表示. Fig. 2 Attenuation of PGA within 120 km to the fault rupture The recorded PGAs of EW, NS and Vertical component are represented by the solid circle, open circle and triangle marks.

表 3(Table 3)

表 3 不同距离范围的地震动峰值比(东西/南北向) Table 3 Average PGA ratios (EW/NS) during different distance range

表 3 不同距离范围的地震动峰值比(东西/南北向) Table 3 Average PGA ratios (EW/NS) during different distance range

从表 3可以看到，在断层距小于60km时，地震动加速度和速度峰值东西向/南北向的平均比值大于1，即水平地震动东西向的加速度和速度峰值比南北向要大，尤其在断层距小于30km时，加速度和速度峰值东西向/南北向的平均比值分别为1.19和2.25，这说明近断层水平地震动存在明显的方向差别，整体上东西向地震动峰值比南北向要大，这可能与汶川地震以逆冲断裂为主的震源破裂机制有关^[16~20].

Abrahamson和俞言祥等^{[21, 22]}曾分别对Northridge和Chi-Chi地震的上盘效应进行过深入的分析.参考文献[21]和^[22]的方法，分别对比位于断层上盘和下盘的水平向加速度峰值和竖向加速度峰值相对于衰减关系的对数残差.图 3给出了断层距小于120km的加速度峰值的对数残差的分布，图中的实心圆表示位于发震断层上盘台站的数据点，空心圆表示下盘台站的数据点，上盘台站的断层距以正值表示，下盘台站的断层距以负值表示.从图 3可以看出，在断层距小于60km时，断层上盘上的水平向及竖向加速度峰值的残差大部分为正值，与衰减关系所得的结果相比要大30%~40%，而断层下盘则相反，水平向及竖向加速度峰值的残差大部分是负值，偏低于与衰减关系所得出的结果.这一结果证实了本次内陆逆冲断层型地震地震动分布具有明显的上盘效应，研究还表明这种效应仅限于断层距60km以内的靠近发震断层的地区.

图 3

Fig. 3

图 3 发震断层上盘和下盘的加速度峰值对数残差 (a)水平向; (b)竖向. Fig. 3 Calculated PGA residuals on the hanging Avail (solid circle) and footwall (open circle) (a) Horizontal; (b) Vertical.

对不同场地上地震动加速度峰值的残差进行比较，图 4给出了加速度峰值残差随断层距变化的分布，基岩（Ⅰ类场地）、中硬土（Ⅱ类场地）和中软土（Ⅲ类场地）上的加速度残差数据点分别用实心圆、空心圆和三角符号表示.上盘台站的断层距取为正值，下盘台站的断层距为负值.可以看到，不论是在发震断层的上盘，还是下盘，基岩场地上的地震动残差与土层场地上残差相比偏小，且基岩场地上的PGA残差值大多为负值，说明基岩场地上观测到的地震动PGA峰值与衰减模型的预测值相比偏低.而在中硬土和中软土场地上的加速度残差值离散性较大.

图 4

Fig. 4

图 4 不同场地(基岩、中软土、中硬土)的加速度对数残差值比较 (a)水平向; (b)竖向. Fig. 4 Calculated PGA residuals on rock sites (solid circle) and soil sites (open circle) (a) Horizontal; (b) Vertical.

为了揭示近断层竖向地震动沿龙门山发震断层的分布特征，对竖向与水平加速度峰值比进行分析.图 5给出地震动加速度峰值竖向/水平向的比值的等值线图.从图 5可以看出，在靠近发震断层的地区，竖向与水平向加速度峰值的比值较大，有些地区的比值接近1.5，在距断层较远的地区该比值相对较小.此外，从图 5中还可以看到发震断层上盘一侧竖向与水平向加速度峰值的比值明显大于断层下盘一侧，这说明发震断层上盘一侧竖向地震动比下盘要剧烈得多.

图 5

Fig. 5

图 5 地震动加速度峰值比沿发震断层的分布 (a)竖向/东西向; (b)竖向/南北向. Fig. 5 The distribution of PGA ratio along the causative fault (a) Vertical/EW; (b) Vertical/NS.

按台站上、下盘位置对40组强震动记录进行分组统计，图 6给出了地震动加速度峰值竖向/水平向的比值随断层距变化的统计结果，大体可以看出加速度峰值比（竖向/水平向）的比值大于1.0的记录分布在断层距小于60km的范围内，竖向/水平向的PGA比值是随断层距的增大而逐渐衰减的，且该比值在上盘比下盘明显要大.将同一台站的地震动加速度峰值竖向/东西向和竖向/南北向的比值作为独立的数据点，分别得到发震断层的上盘和下盘一侧的地震动竖向加速度峰值与水平向加速度峰值比值随断层距R的变化关系.表 4给出了拟合得到的上盘和下盘地震动PGA比值随断层距变化的衰减系数.图 7给出位于发震断层上盘和下盘的地震动加速度峰值比（竖向/水平向）随断层距变化的关系曲线.从图 7可以看出，在断层距小于60km时，地震动竖向分量相对较大，部分近断层加速度记录的竖向分量的加速度峰值甚至达到了水平分量的1.5倍，加速度峰值比随断层距的增大而减小.比较图 7a和图 7b可以发现，发震断层上盘一侧地震动加速度峰值比要比发震断层的下盘一侧大，在断层距小于30km时，上盘一侧地震动加速度峰值之比（竖向/水平向）大约为0.9~1.1，而在下盘一侧地震动竖向与水平向的比值在0.7~0.8之间.

表 4(Table 4)

表 4 地震动加速度峰值比(竖向/水平向)随断层距变化的衰减系数 Table 4 Regression formula and corresponding parameter for the attenuation of PGA ratio (Vertical/Horizontal)

表 4 地震动加速度峰值比(竖向/水平向)随断层距变化的衰减系数 Table 4 Regression formula and corresponding parameter for the attenuation of PGA ratio (Vertical/Horizontal)

图 6

Fig. 6

图 6 上盘和下盘地震动加速度峰值比的统计值 (a)竖向/东西向; (b)竖向/南北向. Fig. 6 PGA ratio of strong motions on the hanging wall and footwall (a) Vertical/EW; (b) Vertical/NS.

图 7

Fig. 7

图 7 地震动加速度峰值比(竖向/水平向)随断层距的变化. (a)上盘; (b)下盘. Fig. 7 Variation of PGA ratio (Vertical/Horizontal) with respect to fault distance (a) Hanging wall; (b) Foot wall.

为了揭示这次地震近断层地震动的频域成分特性，给出周期为0.2s和1.0s的5%阻尼的反应谱加速度值沿龙门山发震断裂的空间分布.图 8是地震动东西向、南北向和竖向反应谱加速度值等值线图，可以发现反应谱加速度值的极大值主要分布在靠近北川-映秀主断裂的区域，反应谱加速度值随着断层距增大迅速衰减，周期为0.2s的反应谱加速度值尤为明显.就整体而言，竖向反应谱加速度值比两个水平分量的反应谱加速度值小.比较周期为0.2s和1.0s时反应谱加速度值等值线发现，周期为0.2s的反应谱加速度值在近断层区域高达1.6g，随着特征周期的增大，反应谱加速度值迅速减小，在周期为1.0s时，靠近断层区域最大的反应谱加速度值只有0.5g.这从一个侧面反映出汶川地震近断层地震动长周期成分不很丰富，这可能与汶川地震不连续的多次破裂的震源过程有关.

图 8

Fig. 8

图 8 8地震动反应谱加速度值(Sa/g)沿龙门山发震断裂的分布 (A)T=0.2s;(B)T=1.0s.(a1, b1)东西向; (a2, b2)南北向; (a3, b3)竖向. Fig. 8 The distribution of spectrum acceleration along the causative fault (A)T=0.2 s; (B)T=1.0 s.

图 9给出了地震动的竖向与水平分量加速度反应谱的谱比值的等值线，图中（A）、（B）、（C）、（D）、（E）分别是周期为0.05、0.1、0.2、0.5s和1.0s的地震动谱比.从图 9可以看到，周期为0.05s和0.1s的反应谱加速度谱比值的极大值分布在靠近中央发震断裂的区域，随着断层距的增大，谱比值减小；在周期为0.2、0.5s和1.0s的等值线图上，谱比值的最大值并不是位于地表破裂带附近，而是位于北川-映秀发震断层的上盘一侧，同时可以看到，发震断层上盘一侧的谱比值明显比下盘大.这说明在短周期和长周期段，地震动竖向与水平分量加速度反应谱的谱比值沿发震断层周围的分布是不同的.另外，比较T=0.05、0.1、0.2、0.5s和1.0s反应谱等值线图还可以发现，周期T=0.2s和0.5s的谱比值整体上较小，在短周期T=0.05s和较长周期T=1.0s时的谱比值相对较大.

图 9

Fig. 9

图 9 地震动加速度反应谱谱比值(竖向/水平向)沿发震断裂的分布 (A)T=0.05s;(B)T=0.1s;(C)T=0.2 s; (D)T=0.5 s; (E)T=1.0s;(a1~e1)竖向/东西向; (a2~e2)竖向/南北向. Fig. 9 The distribution of acceleration spectrum ratio (Vertical/Horizontal) along the causative fault. (A)T=0.05 s; (B)T=0.1 s; (C)T=0.2 s; (D)T=0.5 s; (E)T=1.0.

按断层距大小对加速度记录分组，统计分析周期0.01~4.0s地震动竖向与水平向加速度反应谱比随断层距变化的特征.图 10给出的是断层距分别为R＜30km、30km＜R＜60km、60km＜R＜90km和90km＜R＜120km的地震动平均加速度谱比曲线（竖向/水平向），可以看出平均加速度谱比值（竖向/水平向）曲线呈现中间下凹的特点，在长、短周期两侧谱比较大，在短周期段（＜0.1s），竖向与水平向加速度反应谱比比值较大，尤其是靠近中央断裂（R＜30km）的记录，竖向与水平向加速度平均反应谱比可达1.3；而在中间周期区间（0.2~1s）竖向与水平向加速度平均反应谱比小于2/3；在较长周期段（1.0~4.0s），竖向与水平向地震动谱比值呈现出随周期增大而增大的趋势，这一趋势与周锡元^[4]分析Chi-Chi地震得到的结果相同.比较不同断层距的加速度谱比曲线，可以看出在短周期（＜0.2s）段，平均反应谱比随着断层距的增大而减小.断层距小于60km和大于60km的加速度平均反应谱比在短周期（＜0.2s）段差异相当明显，断层距小于60km的两组加速度平均反应谱比，较断层距大于60km的两组加速度平均反应谱比大很多.另外，在较长周期（＞1.0s）段，断层距小于30km的加速度平均反应谱比其它3组小很多.

图 10

Fig. 10

图 10 10断层距在R < 30km、30km < R < 60km、60 km < R < 90km和90 km < R < 120km范围的4组地震动的反应谱平均谱比值(竖向/水平向)曲线 Fig. 10 Average curves of V/H spectra ratio for 4 groups of datawith fault distance R < 30km、30km < R < 60km、60 km < R < 90km and 90 km < R < 120km

（1）地震动加速度峰值有显著的上盘效应，经验衰减模型的结果表明，在距地表破裂3到60km的范围内，发震断层上盘一侧地震动竖向与水平向加速度峰值比衰减模型得到的平均值要大30%~40%.上盘的加速度峰值残差大部分是正值，而断层下盘残差大部分是负值；水平地震动的东西分量幅值总体要大于南北分量，东西分量衰减相对较慢，在断层距大于60km时，水平地震动EW和NS分量的差别则不明显.

（2）汶川地震近断层地震动长周期成分不很丰富.加速度反应谱值等值线的分布主要受控于主发震断裂，加速度反应谱谱值的极大值主要分布在靠近北川-映秀发震断裂的区域，随断层距增大迅速衰减.加速度反应谱值随周期增大而迅速减小，在周期1.0s时，即使在靠近北川-映秀发震主断裂的最大加速度反应谱值只有0.5g.地震动加速度反应谱谱比值（竖向/水平向）沿发震断层周围的分布，在短周期和长周期有明显不同的分布特征.周期为0.05s和0.1s时的加速度谱比值分布与加速度峰值分布类似，加速度谱比的极大值分布在靠近发震断层的区域，谱值的比值随断层距增大而减小.在周期为0.2s，0.5s和1.0s的谱比等值线图上，谱比值的极大值并未出现在距北川-映秀中央断裂最近的区域，而是位于其上盘，且上盘一侧的谱比值明显较下盘大.

（3）近断层竖向地震动显著，地震动加速度峰值比（竖向/水平向）可以达到1.4.在发震断层的上盘，地震动加速度峰值比整体上比下盘要大，竖向地震动尤为剧烈.地震动谱比值（竖向/水平向）在短周期段（＜0.1s），远大于2/3，部分台站的地震动谱比值甚至超过1.5.地震动反应谱谱比值曲线受周期和断层距的影响，地震动谱比曲线随周期变化呈现为中间下凹的特点，在中间周期区间（0.2~1s）谱比值小于2/3，谱比值在长、短周期两侧则相对较大；统计结果表明在短周期段（＜0.1s）竖向与水平向反应谱谱比值随断层距的增大而减小.

感谢周正华研究员、朱建刚高级工程师给予的帮助，感谢两位评审专家提出的宝贵意见.感谢中国强震台网提供的汶川地震强震动数据.