董曉燕，范曉軍，索 銳

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省地質(zhì)勘查院，遼寧 金州 116100）

1 減輕長周期地震動災害是城市防震減災面臨的新課題

強烈地震動引起的結構破壞和倒塌是造成大量生命財產(chǎn)損失最主要的原因，根據(jù)對大量國內(nèi)外破壞性地震調(diào)查資料的統(tǒng)計，至少有90%以上的人員傷亡和建（構）筑物破壞是直接由強烈地震動造成的。此外，強烈地震動也是其它地震破壞作用（如地基失效、邊坡滑移等）的外部條件。一般說來，地震發(fā)生以后，地震波向四周傳播，隨著震中距的增加，地震波能量逐漸向外衰減，地震破壞隨震中距的增加而減輕。例如1975年地震時，Ⅷ度等震線距震中約30km，Ⅶ度等震線距震中最大的距離約120km。1976年唐山7.8級地震Ⅷ度等震線距震中約60km。Ⅶ度等震線距震中約130km。值得指出的是，一些大地震發(fā)生后，震害并不隨震中距的加大而減輕，反而加重，這種情況一般稱為烈度異常。近代一些大地震的震害資料證明，在城市這種奇異的震害現(xiàn)象并不少見，下面舉幾個實例加以說明。

1978年11月29日在墨西哥瓦哈卡南部附近太平洋海岸發(fā)生7.9級地震，瓦哈卡州受災極為嚴重，許多城鎮(zhèn)幾乎被夷為平地，附近幾個州的損失也相當嚴重。然而不可思議的是，與震中相距400多公里的墨西哥城嚴重受損，全市有750棟建筑物被破壞，市內(nèi)一些大樓被震裂甚至倒塌，墨西哥城附近特奧蒂瓦的一座橋梁被震塌。

1985年9月19日墨西哥巴爾薩斯河口附近的太平洋近海發(fā)生8.1級地震，接著于9月20日發(fā)生7.5級余震，這兩次地震使墨西哥格雷羅州等10個州遭受嚴重損失，但破壞最為嚴重的卻是遠離震源400多公里的墨西哥城，該市的老城區(qū)和商業(yè)區(qū)損失十分嚴重，市中心約35%的建筑物遭到破壞，全部倒塌的建筑有300多棟，部分破壞的建筑上千幢，其中多數(shù)是高層建筑，四層以上的樓體幾乎完全倒塌或者攔腰截斷，上半截被拋落在地上。由于市內(nèi)各種設施遭受破壞，使整個墨西哥城的城市功能受到重創(chuàng)。2003年日本十勝近海8級地震時，在距離震中250km處的苫小牧石油罐，由于罐內(nèi)的液體晃動外溢，釀成火災。另一個值得注意的現(xiàn)象是，新加坡是一個幾乎不發(fā)生地震的城市國家，75%的國民生活在高樓內(nèi)。與其相鄰的印度尼西亞多次發(fā)生強烈地震，使高樓林立的新加坡屢次遭受損失，從20世紀80年代開始，無震的新加坡成了地震的受害國。

長周期地震動的危害性在國內(nèi)一些大地震中也有所體現(xiàn)。例如，1976年唐山7.8級地震時，天津市位于Ⅶ度區(qū)，卻遭到Ⅷ度破壞。1975年海城7.3級地震時，營口地區(qū)軟而厚的地基上高大磚煙囪的震害在震中距為20～80km的范圍內(nèi)幾乎沒有減輕，震害指數(shù)均在0.60以上，而剛度大的磚平房隨著震中距的加大，震害明顯減輕（圖1），距震中100多公里的沈陽紅陽煤礦高度40～55m的井塔設備均遭受不同程度的損壞，沈陽市小南街天主教堂的塔尖，高幾十米，地震時被水平錯斷。

圖1 不同類別地基土上各類結構震害指數(shù)衰減曲線Fig.1 Earthquake damage index decay curves of all kinds of structures on different subsoils

從以上實例可以看出，這些奇異的震害現(xiàn)象具有距震中遠、破壞性大并具有重復性的特點。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是長周期地震動的作用。這種破壞作用對建筑物有明顯的選擇性，主要是使固有周期長的建（構）筑物產(chǎn)生破壞。在經(jīng)濟不發(fā)達的年代，這類災害的危害性并不明顯。例如，1974年渤海7.4級地震和1975年海城7.3級地震對遠處城市建筑的破壞并不嚴重，主要原因是這個時期城市的高層和超高層建筑很少甚至沒有，或者是已有較高的建筑物或構筑物不在松而厚的地基上。遼寧是全國的重工業(yè)基地，隨著城市化進程的加快，高層、超高層建筑也會愈來愈多。如何減輕城市長周期地震動災害，是今后城市規(guī)劃、建設和防震減災所面臨的新課題。

2 長周期地震動災害的產(chǎn)生條件

地震波是一種混頻波，包括高頻，中頻和低頻成份。長周期地震動只在地震波傳播了一定距離后才能出現(xiàn)。所以，能產(chǎn)生長周期地震動的地震至少是7級以上的強震，中等地震波及的范圍有限，長周期地震波的作用不明顯。因此，強震是產(chǎn)生長周期地震動的首要條件。

地震波在傳播過程中，會穿過不同性質(zhì)的介質(zhì)而衰減，長周期地震動之所以能造成災害，必須要有能夠保持長周期能量傳播地震波的路徑，日本學者稱之為附加體。大量震害調(diào)查資料證明，軟而厚的土層可以使地震動頻譜特性發(fā)生改變，主要是長周期成份相對突出，而具備松軟和厚沉積層的地方多是平原區(qū)或者一些沉積盆地，所以，合適的地震波傳播途徑也是產(chǎn)生長周期地震動災害的必要條件。當建（構）筑物處在堅硬地基上時，長周期地震波對建筑物的影響不明顯，但是松而厚的地基土對地震動有明顯的放大作用，這種作用主要表現(xiàn)為晃動幅值加大和地震動的持續(xù)時間加長（圖2）。

圖2 厚而松軟地基上不同結構物對長周期地震動反應示意圖Fig.2 Long-period ground motion response by different structures on thick and soft subsoil

如果只是具備了以上條件，沒有相應固有周期的結構物和構筑物，長周期地震動災害也不會發(fā)生。建（構）筑物本身有一個容易晃動的周期叫作“固有周期”或稱自振周期，一般建筑物的固有周期比較短，多為0.1～0.5秒，而高層、超高層建筑物和一些儲罐的固有周期較長，可以長達數(shù)秒，只有當長周期地震動與固有周期長的建（構）筑物發(fā)生共振時，才能發(fā)生破壞，這種共振作用也稱為頻譜效應，所以，地震波周期與建（構）筑物固有周期相近而產(chǎn)生共振，也是產(chǎn)生長周期地震動災害的重要條件。

歸納起來，產(chǎn)生長周期災害的基本條件是，有高震級的地震，合適的地震波傳播途徑、有松軟而厚的地基以及固有周期長的建（構）筑物。

3 遼寧地區(qū)長周期地震動災害預測及防災對策

從遼寧省的地震構造條件環(huán)境、場地條件和城市發(fā)展現(xiàn)狀等方面來看，今后發(fā)生長周期地震動災害的條件是具備的。

首先從地震構造環(huán)境看，遼寧毗鄰渤海強震區(qū)，歷史上在渤海多次發(fā)生過7級以上地震，即1548年7級地震、1597年7級地震，1888年72?級地震和1969年7.4級地震（圖3）。這些地震已不同程度波及到遼寧地區(qū)，另外，在遼寧省的陸地上發(fā)生過1975年海城7.3級地震，直接造成了巨大的損失，盡管7級以上地震重復周期較長，但是，由于上述地區(qū)具備發(fā)生強震的地質(zhì)構造條件，今后再次發(fā)生7級以上強震的可能性是很大的，這些強震所產(chǎn)生的長周期地震動必然會在遼寧地區(qū)產(chǎn)生影響。

圖3 遼寧及周圍地區(qū)強震分布圖Fig.3 Strong earthquakes distribution in Liaoning and its surrounding area

遼寧地區(qū)的地貌基本上由三部分組成，即東部遼東低山、丘陵，中部下遼河平原和遼東灣海城，西部為遼西低山、丘陵。遼東灣和下遼河平原在地質(zhì)構造上是中、新生代斷陷盆地，在新生代早期以斷陷作用為主，新第三紀晚期轉變?yōu)榇蠓秶嫩晗荩芯藓竦男律绯练e，其中在下遼河地區(qū)第四系沉積層序齊全，成因復雜，分布廣泛，最大厚度可達420m（圖4）。

圖4 下遼河地區(qū)第四系等厚線圖及可能產(chǎn)生災害地區(qū)Fig.4 The quaternary isopach map of Xialiaohe Basin and easily triggering disaster area

綜觀下遼河平原的第四系，從東西兩側山地、丘陵到中部平原的橫向變化規(guī)律是，厚度由薄到厚，從幾十米到400多米。地層結構由單一到復雜，巖相在水平方向上由礫卵石、礫石粗粒相變?yōu)楹[粗砂，最后變?yōu)橹写稚?、細砂、粉細砂夾粘性土的細顆粒相。從縱向上看，沉積相由冰水沖積相、沖洪積相、沖海積相變?yōu)楹ｊ懡换ハ唷膸r性變化看，下部以粉質(zhì)粘土與粉細砂互層為主，中部為粉細砂、上部為粉細砂為主夾粉質(zhì)粘土薄層，這樣軟而厚的土層可以使地震波的頻譜成份改變，使長周期部分顯得更為突出，有利于長周期地震波的傳播。

自改革開放以來，遼寧經(jīng)濟快速發(fā)展，橋梁、油汽儲罐等構筑物和城市高層、超高層建筑不斷增加，目前在城市高度百米以上的樓房已不鮮見，而且還出現(xiàn)了許多高度在200m以上的建筑，有些高層建筑還處在松軟而厚的地基上，這類構筑物和建筑物的大量涌現(xiàn)無疑增加了遭受長周期地震災害的風險，遼寧地區(qū)存在產(chǎn)生長周期地震動災害的隱患。這種新的潛在的地震災害在高樓林立的城市中也許不可避免，為了有效地減輕災害所造成的損失，下面提出幾項防災對策。

（1）今后在開展城市建設規(guī)劃和土地利用規(guī)劃時，應注意避免長周期地震動災害，在容易產(chǎn)生長周期地震災害的地區(qū)不建或少建高層、超高層建筑。

（2）目前對城市建筑物的震害預測多集中在單層平房和多層樓房，對高層、超高層建筑的震害預測方法還不夠完善，今后需加強這方面的研究。

（3）在工程場地地震安全性評價中，為了確保高層、超高層建筑的安全，設計反應譜的長周期部分應作專門研究，原則上設計譜長周期部分的譜值不能低于規(guī)范譜。

（4）在城市工程建筑中加強隔震，減震技術的應用和研究，尤其對高層、超高層建筑應多采用隔震裝置和減震的阻尼裝置，自動平衡等技術。

（5）在當前地震預報還不過關的情況下，建立城市地震預警是十分重要的，地震預警主要是利用地震P波和S波的倒時差采用緊急防御措施，例如，關閉電閘，停止電梯運行等。由于長周期地震動災害多發(fā)生在遠離震中處，在這里倒時差比較大，采用緊急措施的時間比較充裕，容易取得減災效果。

長周期地震動災害是隨著工業(yè)發(fā)展和城市建設而出現(xiàn)的一種新災害，盡管它有很大的破壞性，但是，它的產(chǎn)生機理和形成條件還是比較清楚的，只要能針對災害的特點采取有效的措施，減輕或防治這種災害，在當前的技術條件下是可以做到的。

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