李世成，崔建文，張潛，劉瓊仙，周摯，張顏琪

(云南省地震局，云南昆明650224)

2009年7月9 日云南省姚安縣6.0級(jí)地震發(fā)生后，地震應(yīng)急人員在震區(qū)迅速布設(shè)了由5臺(tái)強(qiáng)震儀組成的強(qiáng)震動(dòng)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣，及時(shí)地捕獲了觀測(cè)期間震區(qū)發(fā)生的所有M≥3.0余震。截止7月13日12點(diǎn)，5臺(tái)強(qiáng)震儀共捕獲196個(gè)地震事件的588條加速度記錄，其中包括了5.2、4.7和4.6級(jí)三次強(qiáng)余震。記錄中地震動(dòng)峰值加速度大于200 gal的有9條，最大地震動(dòng)峰值為官屯鄉(xiāng)臺(tái)記錄的4.7級(jí)余震的684 gal(E-W分向)，該峰值創(chuàng)云南同震級(jí)檔加速度峰值記錄之最。這些記錄，彌補(bǔ)了地震區(qū)周邊因無(wú)固定強(qiáng)震臺(tái)站而缺乏近震記錄的空白，不僅對(duì)分析確定此次地震震害具有定量的佐證作用，而且為研究近場(chǎng)小震的加速度高峰值現(xiàn)象，以及地震動(dòng)的峰值、持時(shí)、頻譜等與地震宏觀震害之間的關(guān)系等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 地震參數(shù)及強(qiáng)震動(dòng)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站概況

1.1 地震參數(shù)

姚安6.0級(jí)地震發(fā)生在滇中構(gòu)造塊體的南部、楚雄－建水右旋走滑地震斷層北西段與通海－牟定右旋走滑地震斷層北西段所挾持的地殼小隆起構(gòu)造內(nèi)[1]。表1列出了2009年7月9日6.0級(jí)主震及主要強(qiáng)余震參數(shù)。

表1 2009年姚安6.0級(jí)地震及主要強(qiáng)余震的基本參數(shù)

1.2 觀測(cè)儀器及主要技術(shù)參數(shù)

強(qiáng)震流動(dòng)觀測(cè)使用了美國(guó)Kinemetrics公司生產(chǎn)的5臺(tái)K2型便攜式強(qiáng)震動(dòng)儀，該儀器集記錄器、三分向ES-T型加速度計(jì)及供電電池于一體。傳感器滿量程±2gn，記錄器頻響范圍DC～80 Hz，GPS授時(shí)[2]。

1.3 強(qiáng)震動(dòng)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站概況

姚安6.0級(jí)主震微觀震中位于無(wú)民居山區(qū)，宏觀震中則在官屯鄉(xiāng)官屯村一帶。據(jù)此，分別在宏觀震中的官屯鄉(xiāng)政府所在地、姚安盆地內(nèi)的的姚安縣城和光祿鎮(zhèn)、洋派水庫(kù)壩基部位，以及距微觀震中相對(duì)較近的左門鄉(xiāng)阿苤拉村委會(huì)處各架設(shè)了一臺(tái)強(qiáng)震動(dòng)流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)[2](圖1)。

圖1 姚安6.0級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)流動(dòng)臺(tái)布設(shè)和主要余震分布示意圖

2 地震記錄及數(shù)據(jù)處理

對(duì)獲取的強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行分析處理，包括對(duì)加速度波形數(shù)據(jù)的濾波、零漂校正，主要強(qiáng)余震的速度和位移計(jì)算，加速度反應(yīng)譜、準(zhǔn)速度反應(yīng)譜、準(zhǔn)位移反應(yīng)譜以及譜烈度(SI)與相對(duì)持時(shí)(Td)等的計(jì)算及其分析[3－10]。

2.1 濾波處理

所使用的數(shù)字強(qiáng)震儀的工作頻率范圍為DC～80 Hz，利用帶通濾波可分辨出各頻譜段振動(dòng)幅值的分布。對(duì)加速度記錄做0～30 Hz低通濾波，結(jié)果表明對(duì)加速度峰值有較大影響，而對(duì)速度峰值影響不大(表2)。其中，官屯流動(dòng)臺(tái)4.7級(jí)記錄濾波前后三分向的加速度幅值損失比分別為:W-E向18.6%、N-S向19%、U-D向46.8%。而根據(jù)加速度時(shí)程積分得到的速度峰值，濾波前后損失比幾近為0。這反映出近源地震動(dòng)記錄高頻響應(yīng)的特征。圖2所示為4個(gè)典型流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)4.7級(jí)余震記錄經(jīng)處理后的加速度時(shí)程。

表2 姚安地震主要余震記錄低通濾波前后信號(hào)損失比較

圖2 4.7級(jí)地震加速度時(shí)程

2.2 相關(guān)譜計(jì)算

4.7級(jí)余震在官屯臺(tái)記錄的三分向加速度峰值分別為684 gal、617 gal、660 gal，創(chuàng)云南4級(jí)檔地震的加速度記錄之最，在全國(guó)也罕見。這里根據(jù)5個(gè)臺(tái)站校正后的加速度記錄，計(jì)算了相應(yīng)譜，包括加速度反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜、位移反應(yīng)譜及準(zhǔn)速度反應(yīng)譜(PSV)、功率譜密度(PSD)等(表3、圖3)。

表3 4.7級(jí)地震各臺(tái)站記錄的PGA、PGV、PGD及部分譜計(jì)算結(jié)果(阻尼0.05)

圖3 4.7級(jí)地震官屯臺(tái)強(qiáng)震記錄譜分析

從表3和圖3中看出，4.7級(jí)地震加速度最大峰值(E-W分向)對(duì)應(yīng)頻率為6.3 Hz，而其垂直分向峰值的對(duì)應(yīng)頻率為12.9 Hz，即垂直分向的主頻大于水平分向的主頻。但隨著震源距的加大(表2)，主頻這種垂直與水平分向分布的大小會(huì)發(fā)生變化，這不排除場(chǎng)地因素的可能影響。其余各分向加速度峰值主頻集中在3～17 Hz;峰值速度對(duì)應(yīng)頻率大都為1～8 Hz;峰值位移對(duì)應(yīng)頻率為0.1～6.2 Hz，顯示了地震動(dòng)頻率由加速度、速度到位移逐漸由高變低的特征。

2.3 相關(guān)烈度計(jì)算

中國(guó)地震烈度表[11](GB/T17742-2008)，也給出了自由場(chǎng)地上水平向地震動(dòng)峰值加速度值、峰值速度值與宏觀烈度之間對(duì)應(yīng)范圍的參考值。三次余震在各觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的宏觀烈度值列于表5中(對(duì)于三分向記錄，水平向地震動(dòng)峰值為水平2分量的矢量合成值)。根據(jù)Wald等[12－13]統(tǒng)計(jì)回歸得到的PGA、PGV與修正默卡尼烈度(MMI)關(guān)系式，這里也計(jì)算了此三次強(qiáng)余震的默卡尼烈度值(表4)。JMAI[14]地震烈度值是由數(shù)字強(qiáng)震儀記錄經(jīng)ViewWave處理軟件直接給出。由于日本采用的是從零度到Ⅶ度的8個(gè)烈度等級(jí)，這里僅作為參考在表中列出。

表4表明，由地震動(dòng)加速度、速度對(duì)應(yīng)換算得到的宏觀烈度值，均高于由Wald回歸關(guān)系式計(jì)算得到的修正默卡尼烈度值，值差一般為1～2。4.7級(jí)余震在5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的加速度峰值對(duì)應(yīng)的烈度高達(dá)Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ度，個(gè)別點(diǎn)甚至達(dá)Ⅹ度。5.2級(jí)余震的加速度峰值對(duì)應(yīng)的烈度也達(dá)Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度。顯然，與實(shí)際震害相差很大，這主要是沒考慮有效地震動(dòng)的持時(shí)以及作用于結(jié)構(gòu)上的地震動(dòng)譜特征而造成的。

豪斯納[15]定義譜烈度(Spectrum Intensity)為

式中:SV為阻尼為ζ時(shí)的單質(zhì)點(diǎn)體系的相對(duì)速度反應(yīng)譜;T為周期;ζ常取為0或0.2，相應(yīng)的譜烈度為SI0或SI0.2;積分上、下限分別為0.1 s、2.5 s，基本覆蓋了結(jié)構(gòu)的自振頻率范圍。譜烈度并不涉及任何宏觀現(xiàn)象，是一個(gè)客觀反映地震動(dòng)反應(yīng)譜和結(jié)構(gòu)破壞程度之間關(guān)系的物理量。

察爾汗地區(qū)的鹽巖中大都以層狀似層狀產(chǎn)出，但其的雜質(zhì)含量不一，泥質(zhì)夾層分布不均勻[12]，得到的試件中的夾層也不能保證夾層大小一致且分布均勻。在試驗(yàn)中選取試樣時(shí)從同一塊巖石中鉆取巖芯，這樣得到試驗(yàn)結(jié)果只能表明試樣表面的泥質(zhì)夾層的含量及厚度大致一樣。且目前的技術(shù)手段很難判別試樣內(nèi)部夾層的具體分布[13-14]，無(wú)法研究夾層厚度對(duì)鹽巖力學(xué)特性的影響程度，這也是目前研究的難點(diǎn)所在，因此本文假定內(nèi)部泥質(zhì)夾層是均勻分布的。通過(guò)對(duì)野外采集的兩類鹽巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，天然和鹵水飽和兩種狀態(tài)下鹽巖的破壞過(guò)程、全應(yīng)變-應(yīng)力曲線、強(qiáng)度特性、質(zhì)量差與強(qiáng)度的關(guān)系等方面研究與分析，得到主要結(jié)論如下：

利用ViewWave軟件，將校正后的加速度記錄，轉(zhuǎn)換成在ζ=0，0.2時(shí)的CSV格式記錄的速度反應(yīng)譜，然后由式(1)計(jì)算出其譜烈度。用SIx、SIy、SIz分別表示由東西分向、南北分向和垂直分向記錄計(jì)算得到的譜烈度值;則SImax2、SImax3分別表示兩水平分向中的譜烈度值的大者、水平分向與垂直分向三個(gè)譜烈度值中最大者。表6列出了根據(jù)強(qiáng)震動(dòng)記錄計(jì)算得到的不同阻尼比下的譜烈度結(jié)果(計(jì)算中速度單位為cm/s)，以及各觀測(cè)臺(tái)同一地震的最大加速度峰值(ɑmax)與最大譜烈度值(SImax3)之比值。

表4 主要余震的加速度有效持時(shí)、最大峰值及幾種烈度值

表6 各流動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)強(qiáng)余震的譜烈度值及最大加速度峰值(ɑmax)與最大譜烈度值(SImax3)之比

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)阻尼為0.2時(shí)，4.6、4.7和5.2三次余震的譜烈度值范圍為1.5～36.6。它們?cè)诟饔^測(cè)點(diǎn)的最大加速度峰值與其對(duì)應(yīng)的最大譜烈度值的比值則為3.0～21.3，而官屯測(cè)點(diǎn)最大峰值加速度(684 gal)的比值為18.7，僅列第6。這表明，譜烈度(的計(jì)算)不僅考慮了地震動(dòng)的最大峰值、也突出了振動(dòng)幅值及其對(duì)應(yīng)的周期，也就是強(qiáng)調(diào)了地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)自振頻率相近部分的成份。這點(diǎn)，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)地震破壞中尤顯突出[16]。

2.4 地震動(dòng)持時(shí)計(jì)算

地震動(dòng)有效持時(shí)的長(zhǎng)短是控制地面及地表建筑物遭遇地震破壞輕重的五大因素之一(地震動(dòng)強(qiáng)度、譜成份、有效持時(shí)、場(chǎng)地條件及結(jié)構(gòu)特性)。根據(jù)采用加速度的絕對(duì)值或是相對(duì)值來(lái)作持時(shí)，將地震動(dòng)持時(shí)Td劃分為a0持時(shí)(分?jǐn)?shù)持時(shí))和相對(duì)持時(shí)(地震動(dòng)相對(duì)能量持時(shí))[17]。

對(duì)于a0持時(shí)，設(shè)a0=kmax，則有:

式中:T1與T2分別為在T－a(t)平面坐標(biāo)系中水平線a=±a0首次和末次與加速度時(shí)程a(t)的相交點(diǎn)。當(dāng)k取1/2、1/3或1/5時(shí)，得到的Td分別稱為1/2持時(shí)、1/3持時(shí)或1/5持時(shí)。

相對(duì)持時(shí)采用Husid[18]的用地震動(dòng)能量相對(duì)比值的表達(dá)方式來(lái)表示:

把式(4)、(5)中的0.05(0.95)和0.15(0.85)分別稱為90%和70%持時(shí)。

計(jì)算結(jié)果表明:4.7級(jí)地震在官屯記錄點(diǎn)的三種持時(shí)長(zhǎng)度分別只有1.62 s、0.64 s和0.92 s。盡管該處4.7級(jí)地震三分向的加速度峰值均大于600 gal，且水平向合成達(dá)825 gal(按《中國(guó)地震烈度表》對(duì)應(yīng)的地震烈度為Ⅹ)，但短持時(shí)是高加速度峰值的地震作用未使該處及周圍震害加大加重的主要原因(記錄儀安放的一層大跨度鋼混會(huì)議大樓未出現(xiàn)諸如結(jié)構(gòu)壞損或墻體開裂等地震破壞)。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果也顯示，不論是90%、70%持時(shí)，還是1/5持時(shí)，均與震源距呈正相關(guān)，震源距變大，相對(duì)持時(shí)就增長(zhǎng)。

3 結(jié)論、啟示及相關(guān)問(wèn)題討論

本文初步處理分析的結(jié)果、啟示及對(duì)相關(guān)問(wèn)題的討論如下。

(1)4.7級(jí)地震加速度反應(yīng)譜幅值最大值對(duì)應(yīng)的頻率為6.3 Hz;其余各分向加速度峰值主頻集中在3～17 Hz;峰值速度對(duì)應(yīng)頻率大都在1～8 Hz;峰值位移對(duì)應(yīng)頻率在0.1～6.2 Hz，顯示了地面地震動(dòng)頻率由加速度、速度到位移逐漸由高變低的特征。濾波對(duì)此次強(qiáng)余震記錄的加速度峰值有較大影響，而對(duì)速度峰值影響不大。這也表明近源地震動(dòng)記錄高頻響應(yīng)的特征。

(2)阻尼取0.2時(shí)，M4.6、M4.7和M5.2三次余震各測(cè)點(diǎn)的譜烈度值為1.5～36.6。而各觀測(cè)點(diǎn)的最大加速度峰值與其對(duì)應(yīng)的最大譜烈度值的比值則為3～21.3;且官屯測(cè)點(diǎn)(684 gal)的比值為18.7，僅列第6。這表明，譜烈度不僅考慮了地震動(dòng)的最大峰值，也突出了振動(dòng)幅值及其對(duì)應(yīng)的周期，亦即強(qiáng)調(diào)了地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)自振頻率相近部分的成份。譜烈度亦是建立強(qiáng)震動(dòng)峰值參數(shù)與地震宏觀烈度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的有效標(biāo)度。

(3)此次姚安6.0地震的應(yīng)急流動(dòng)觀測(cè)獲取的4.7級(jí)余震加速度峰值，在官屯鄉(xiāng)政府測(cè)點(diǎn)記錄的三分向加速度峰值分別為684 gal、617 gal、660 gal。按國(guó)標(biāo)[11]標(biāo)準(zhǔn)，該地震5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的加速度峰值所對(duì)應(yīng)的烈度高達(dá)Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ度，個(gè)別點(diǎn)甚至達(dá)Ⅹ度。5.2級(jí)余震的加速度峰值對(duì)應(yīng)的烈度也達(dá)Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度。這與實(shí)際震害結(jié)果相差很大。盡管該處4.7級(jí)地震三分向的加速度峰值均大于600 gal，且水平向合成達(dá)825 gal，但其最大峰值的90%、70%和1/5等三種持時(shí)的長(zhǎng)度分別只有1.62 s、0.64 s和0.92 s。地震地面運(yùn)動(dòng)的有效持時(shí)短，是異常高加速度峰值之地震力作用未能使該處及周圍震害加大加重的主要原因。這啟示我們，作用于結(jié)構(gòu)上地震動(dòng)有效持時(shí)長(zhǎng)短及地震動(dòng)頻譜特征，在分析小地震高加速度峰值處的地表震害時(shí)，是必須考慮的地震動(dòng)力參數(shù)。

(4)根據(jù)現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[11]，將地震動(dòng)加速度、速度換算得到的宏觀烈度值，均高于由Wald回歸關(guān)系式計(jì)算得到的修正默卡尼烈度值。一些研究者提出，用地面加速度峰值與速度峰值相結(jié)合的方法等來(lái)確定地震烈度[17－20]，可使計(jì)算的地震烈度值減小，使之更接近于宏觀地震烈度值?！笆濉逼陂g，我國(guó)大陸新建了近1 200個(gè)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)，已獲取了一定數(shù)量的強(qiáng)震動(dòng)記錄。基于這些記錄，重新建立強(qiáng)震動(dòng)記錄參數(shù)與地震烈度之間的關(guān)系，勢(shì)在必行。

(5)強(qiáng)震動(dòng)記錄與地震震害快速判定

強(qiáng)震動(dòng)記錄反映的是記錄點(diǎn)在地震力作用下的運(yùn)動(dòng)情況。數(shù)字強(qiáng)震儀的發(fā)展，大大提高了強(qiáng)地震動(dòng)測(cè)量的精度和分辨率。雖然數(shù)字強(qiáng)震儀仍存在慣性傳感器帶來(lái)的儀器測(cè)量誤差，但經(jīng)過(guò)儀器響應(yīng)失真的校正處理，其結(jié)果具有很高的精確度[8]。構(gòu)筑物地震震害的影響因素復(fù)雜且多，包括所遭遇的地震動(dòng)加速度的強(qiáng)度、頻譜及其有效持時(shí);場(chǎng)地因素及地基條件;結(jié)構(gòu)類型、工程材料及施工質(zhì)量等等[1，17，21－22]。地表強(qiáng)震動(dòng)記錄真實(shí)地反映了地震彈性波在傳播空間的強(qiáng)度分布。雖然強(qiáng)震動(dòng)記錄與記錄點(diǎn)處建構(gòu)筑震害輕重之間并非簡(jiǎn)單的線性相關(guān)，但是，采用適當(dāng)?shù)姆椒ń⑵饛?qiáng)震動(dòng)參數(shù)與地面某種典型建筑物破壞程度之間的關(guān)系，并廣泛用于震災(zāi)快評(píng)、烈度速報(bào)等應(yīng)急工作，是十分必要的[23－25]。在此次姚安6.0級(jí)地震災(zāi)害評(píng)估的現(xiàn)場(chǎng)工作中，5.2、4.7、4.6及的強(qiáng)余震記錄的快速處理結(jié)果，為地震震害快速評(píng)估提供了不可多得的定量證據(jù)。

(6)中小地震的高加速度峰值、低震害現(xiàn)象與相關(guān)規(guī)范

現(xiàn)行的諸多有關(guān)建筑物、構(gòu)筑物、專項(xiàng)工程等等的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[11，26－28]，把場(chǎng)地地震動(dòng)的峰值參數(shù)(am)及其反應(yīng)譜(Sa)，有時(shí)給出幾種阻尼下幾個(gè)分向的加速度反應(yīng)譜作為建構(gòu)筑物的抗震設(shè)防依據(jù)。相對(duì)于中小地震而言，大震包含了更寬域的譜成份，使現(xiàn)行的有關(guān)抗震設(shè)防國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)中、大地震的設(shè)防理念更顯合理，但是中小地震亦常出現(xiàn)高加速度峰值。特別是近幾年記錄到諸多的4級(jí)檔地震的地面水平向加速度峰值在200 gal以上，按《中國(guó)地震烈度表》(GB/T17742－2008)標(biāo)準(zhǔn)換算的結(jié)果，達(dá)地震烈度Ⅷ度、Ⅸ度甚至Ⅹ度，而觀測(cè)點(diǎn)處的建筑物并沒出現(xiàn)高烈度的震害，實(shí)際宏觀烈度大都只有Ⅵ度左右。這勢(shì)必出現(xiàn)高地震動(dòng)峰值低地震烈度的相悖現(xiàn)象。對(duì)這種相?，F(xiàn)象應(yīng)進(jìn)行相關(guān)研究，相應(yīng)的技術(shù)處理應(yīng)在相關(guān)規(guī)范中予以體現(xiàn)。一個(gè)顯著的特點(diǎn)是這類地震近場(chǎng)記錄的有效持時(shí)短。實(shí)際上，許多重大工程選址于只有中小地震背景的區(qū)域，隨著觀測(cè)臺(tái)站覆蓋面的加大，這種中小地震的高加速度峰值低地震烈度的現(xiàn)象定會(huì)更趨明顯。把有效地震動(dòng)持時(shí)列入現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，以適度權(quán)重予以體現(xiàn)，使抗震設(shè)防更趨合理，勢(shì)在必行。

致謝:感謝中國(guó)地震局強(qiáng)震動(dòng)首席專家李小軍博士、中國(guó)地震局強(qiáng)震中心主任溫瑞智博士親臨姚安地震現(xiàn)場(chǎng)，在百忙中對(duì)此次強(qiáng)震流動(dòng)觀測(cè)工作的指導(dǎo)。

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