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(mén)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(jiàn)。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(méi)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(lèi)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?chē)鸷哟蠹又氐闹饕?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(kāi)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?chē)鸷哟蠹又氐闹饕?。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。“十五”期間，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?；谶@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(lèi)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(méi)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?，F(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(lèi)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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