基于地面运动模拟和概率地震危险性分析的近断层区地震运动空间变异特性研究：以南口-孙河断层为例

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Study on spatial variation characteristics of seismic motion in near-fault zones based on ground motion simulation and probabilistic seismic hazard analysis: A case study of the Nankou-Sunhe Fault

本研究采用随机有限断层法（SFFM）和概率地震危险性分析（PSHA）模拟南口-孙河断层M7.5地震近场地面运动的空间分布特征，揭示其衰减规律与分段阈值有效性，验证了现行抗震设计规范中的5公里分段调整系数，为近断层地震效应纳入结构设计提供了理论依据。

　　

姜宇彤|谢卓娟|张丽芳|李宇|刘月军

中国应急管理部国家自然灾害研究院，北京，100085

摘要

近断层地面运动具有高强度和显著的空间异质性，对工程结构构成严重威胁。当前的地震设计规范采用经验系数来考虑近断层效应；然而，近断层地面运动场的空间变化特征尚未得到充分量化。本研究利用随机有限断层方法（SFFM）和概率地震危险性分析（PSHA）对北京地区的南口-孙河断层进行了研究，模拟了Mw7.5地震情景下近场地震运动的空间非均匀分布。SFFM模拟结果显示：北部昌平-白山段形成了局部高值区（PGA约为520加利），沿走向延伸约12公里；中部沙河-孙河段形成了连续的带状高值区（PGA约为530加利），宽度为5-8公里；南部通州段的PGA约为490加利，延伸约15公里。PSHA结果表明，在3500年回归周期内，当震源深度为10公里时，PGA峰值达到520-530加利，而当震源深度为15公里时，PGA峰值降至395加利，反映了深度效应导致的25%的减少。对于0-10公里范围内的断层距离，经验PGA衰减模型的决定系数（R²）介于0.86至0.93之间，衰减率分别为29加利/公里（0-5公里）和16加利/公里（5-10公里），从而验证了当前设计规范中规定的5公里分段阈值。SFFM和PSHA之间的交叉验证显示，整体空间重叠系数为76.2%（中部段为80.3%），皮尔逊相关系数（r）为0.96，标准化均方根误差为9.5%。这些发现为将近断层地面运动效应纳入结构地震设计以及完善地震设计规范提供了理论基础。

引言

地震灾害调查和监测表明，近断层地面运动比典型的远场地面运动具有更复杂的特性[1,2]。2008年汶川Mw7.9地震期间，映秀-北川断层近场的峰值地面加速度（PGA）达到了900加利。距离断层3公里的白芦中学发生了显著位移，而距离断层15公里的都江堰市的PGA降至400-500加利。这种差异清楚地反映了近场效应随距离的衰减（Xu等人，2007年）。1999年台湾集集M_w7.6地震期间，车隆埔断层0-5公里近场范围内的PGA值普遍超过800加利，导致超过30%的建筑物倒塌。距离断层10公里以外，PGA降至300加利以下，建筑物主要受到轻微损坏[3]。地震学和地震工程界将这种现象称为近断层地震效应，是结构损坏的重要原因[4,5]。断层附近的地震效应以独特的脉冲状波形为特征，这些波形源于移动断层破裂辐射的地震波的相干叠加。这种现象被称为近断层脉冲效应，已被证实是造成严重结构损坏的主要因素，其破坏程度远超典型远场记录的预测[6,7]。最近关于非线性地震影响的研究表明，脉冲特性与结构动态特性之间的相互作用——特别是脉冲周期与结构基本频率周期的比值——主导了变形需求的放大效应[8]。通过构建整合物理定律和地震需求关系的神经网络框架，研究人员建立了钢筋混凝土柱的最大位移需求与这一周期比值之间的显著相关性，为脉冲激励下的损伤预测提供了机制基础[9]。将这些发现从单个构件扩展到基础设施系统，最近的网络脆弱性评估进一步表明，脉冲状运动可能在交通网络中引发不成比例的功能损失。在关键桥梁位置，损伤的空间集中可能会以均匀远场振动无法实现的方式损害区域连通性[10]。尽管这些研究共同加深了我们对脉冲效应下结构脆弱性的理解，但它们通常依赖于结构位置的具体地面运动输入。因此，断层附近地面运动场的空间变异性，特别是断层周围地面运动效应的非均匀分布，尚未得到充分描述，这构成了地震灾害特征描述与结构损伤评估之间的关键差距。

目前，中国、美国、欧洲、日本等国的相关地震设计规范采用了经验调整方法，简要考虑了近断层地面运动效应及其相应的工程地震设计方法。中国国家标准GB55002-2021《建筑与市政工程抗震设计通用规范》规定，当工程结构位于地震断层两侧10公里范围内时，应考虑近场效应对设计地面运动参数的影响[11]，但未提供具体的调整系数。中国国家标准GB50011-2010（2024年版）《建筑抗震设计规范》[12]规定，对于采用性能基于方法设计的建筑结构，如果位于地震断层两侧10公里范围内，地面运动参数应考虑近断层影响。在5公里范围内，参数应乘以1.5的放大系数；超过5公里后，放大系数不应小于1.25。然而，该规范并未规定一般建筑是否需要考虑近断层放大系数。自1997年版本以来的美国“统一建筑规范”（称为“UBC97”）规定，在加利福尼亚州西海岸地震带的A型或B型断层15公里范围内的场地设计谱中应应用近场因素[13]。欧洲规范Eurocode 8[14]也有类似规定。日本国土交通省于2020年发布了《建筑抗近断层地面运动设计指南》，将活动断层两侧10公里范围定义为近断层区，并为不同场地类型指定了目标PGA校正系数，以应对脉冲型近断层地面运动的破坏效应[15]。这些规范中使用的经验调整方法的理论基础是近断层区域地面运动场空间分布特征的变化[16,17]。然而，由于地震的时间和位置不确定性，实际地震中获得的近断层地震记录很少。这些离散的观测记录可用于分析近断层地面运动的方向效应、脉冲效应和悬挂墙效应等特征[4,18]。尽管如此，直接获得近断层地震运动空间分布场的整体特征仍然具有挑战性。因此，有必要采用数值方法来模拟近断层地震运动，分析其空间变化特征，并为在结构地震设计中考虑近断层地震运动效应提供理论基础。

随着中国城市化和工业化的加速发展，对建设用地的需求持续增长，而可用土地资源却有限。因此，在活动断层附近的高强度区域进行新的建设逐渐增加。科学合理地制定地震加固标准以有效减轻活动断层引起的地震灾害风险至关重要。南口-孙河断层是华北张家口-渤海地震带的一个重要分支断层，延伸约80公里。研究表明，自全新世以来，南口-孙河断层一直非常活跃，已识别出3次古地震事件。每次事件涉及约1.3米的垂直位移，断层的垂直滑动速率约为0.3毫米/年[[19], [20], [21], [22]]。目前，中关村生命科学园和未来科学城等重要高科技区位于该断层附近。确保断层附近结构的地震安全已成为一个紧迫的实际问题。基于对南口-孙河断层活动特征的分析及其最大潜在震级的确定，同时考虑到近断层地震运动的高频强度和短周期成分，本研究采用了随机有限断层方法（SFFM）来模拟强地震的PGA。然后使用概率地震危险性分析计算断层两侧的PGA。模拟和计算结果表明，南口-孙河断层的近场地面运动表现出显著的非均匀性，受多种构造和深度因素的耦合控制。目前对近断层区的理解尚无共识；大多数研究将其定义为断层两侧20公里范围内的区域，而其他研究建议更合适的边界范围为20-60公里[4,23]。为解决这一问题，全面考虑断层距离和震源深度的耦合影响、量化近场衰减特征、定义具有工程意义的断层区，特别是使用概率地震危险性分析揭示区域风险的空间差异特征以及确定高风险区域，具有重要意义。最后，进一步分析了近场地震运动效应的机制，检查了随机有限断层方法和概率统计方法在表征近场地震运动效应方面的一致性。本研究获得的断层区域地震运动的空间分布特征为未来结构地震设计和评估中考虑近断层地震运动效应提供了理论参考，也为修订地震规范提供了基础。它们还为有效减少与活动断层相关的地震灾害和确保基础设施建设及国家经济和社会安全提供了基本支持。

节选内容

断层活动特征

南口-孙河断层是北京平原上最大和构造上最显著的活跃断层之一，属于张家口-渤海地震带的核心组成部分（图1）。该断层大致呈NW 310°走向，总长度约为80公里。其西北端起源于昌平区的南口镇，向东南方向延伸穿过白泉庄和孙河，直至通州附近。在平面上，它由多个次级断层组成。

随机有限断层方法和模型构建

为了揭示南口-孙河断层近场地面运动的空间变化特征，本研究使用随机有限断层方法模拟M_w7.5强地震下的峰值地面加速度分布。该方法将断层划分为多个子断层，将每个子断层视为一个点源。利用随机振动理论合成高频地面运动，然后与低频确定性成分结合形成整体地震

模拟场景和图像相关性

基于SFFM，构建了一个Mw7.5地震参数模型，设计了两组非均匀滑移场景，源深度分别为10公里和15公里。每组包含具有不同起始方向的随机破裂模式。模拟结果的核心特征见表6。

设计了四种模拟场景（NW/10公里、SE/10公里、NW/15公里、SE/15公里）作为双变量因素，以量化震源深度（10公里对比15公里）的主要效应和相互作用

近场定义和衰减关系

结合中国现行“建筑抗震设计规范”GB/T 50011-2010（2024年版）[12]，对于采用性能基于方法设计的建筑结构，如果位于活动断层两侧10公里范围内，地面运动参数应考虑近断层影响。在5公里范围内，应应用1.5的放大系数；超过5公里后，应应用不小于1.25的放大系数。基于这一分区原则，本研究使用水平

研究结论

本研究重点关注南口-孙河断层近场地面运动的空间分布，整合了随机有限断层方法和概率地震危险性分析两种方法。系统地揭示了M_w7.5地震情景下近场地面运动的空间分布模式、衰减特征和控制机制。构建的广域线性衰减模型既具有物理清晰性，又具有工程实用性

CRediT作者贡献声明

姜宇彤：撰写——原始草稿、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念化。谢卓娟：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、数据管理。张丽芳：软件、方法论、数据管理。李宇：撰写——审阅与编辑、资源管理、数据管理。刘月军：撰写——审阅与编辑、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国应急管理部国家自然灾害研究院的研究资助（资助编号：ZDJ2025-36）。