田文通,董建華,楊 博,趙律華

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

北京時間2021年5月21日21時48分在云南省大理州漾濞縣境內(nèi)發(fā)生6.4級地震,震中位于25.67°N,99.87°E,震源深度8 km,地震造成3人死亡,32人受傷。根據(jù)云南省地震局發(fā)布的《云南漾濞6.4級地震烈度圖》,此次地震最高烈度為Ⅷ度,Ⅵ度區(qū)及以上面積約6 600 km2,共涉及大理州6縣市,其中Ⅵ度區(qū)土木房屋少數(shù)墻體開裂、梭掉瓦,框架房屋個別墻柱、墻梁結(jié)合部位開裂。Ⅶ度區(qū)土木房屋個別墻體倒塌,部分開裂、梭掉瓦,磚混房屋、框架房屋少數(shù)墻柱、墻梁結(jié)合部位開裂。Ⅷ度區(qū)土木房屋個別柱腳位移,少數(shù)墻體倒塌,部分局部倒塌,多數(shù)開裂、墻體外閃,普遍梭掉瓦,磚混房屋部分墻體開裂;框架房屋部分墻柱、墻梁結(jié)合部位開裂,少數(shù)剪裂[1-2]。

強震動記錄是認識和研究地震動特征、巖土及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的最直接和重要的基礎(chǔ)資料,對工程抗震而言,強震動的特性可以通過地震記錄的幅值、頻譜、持時等關(guān)鍵要素表征,目前已廣泛應(yīng)用于地震場地反應(yīng)分析、震害預(yù)測評估、區(qū)域抗震設(shè)防等方面[3-4],如溫瑞智等[5]研究了蘆山7.0級地震強震動記錄與震害的相關(guān)性;王文才等[6]利用強震動記錄研究了云南通海地震的地面運動和場地反應(yīng)特性,取得了可靠的研究結(jié)果。

本文利用中國數(shù)字化強震動觀測網(wǎng)絡(luò)(CDSMON)布設(shè)在云南漾濞6.4級地震震區(qū)的28個強震動觀測站捕獲到的84條三分向加速度波形記錄,以地震動的幅值、反應(yīng)譜、持時為研究對象,分析了此次地震強地面運動的基本特征,旨在為本次地震的場地反應(yīng)、災(zāi)害評估、地震動影響場估計以及抗震設(shè)防等提供參考[7-8]。

1 強震動記錄收集與處理

漾濞6.4級地震中有28個臺站獲得地面運動加速度記錄,其中包括云南強震動臺網(wǎng)25個臺,四川強震動臺網(wǎng)3個臺。圖1所示為此次地震的主震、余震、強震臺位置和斷層分布情況。28個記錄臺站分布在距震中8.6～351.2 km的范圍內(nèi),其中100 km以內(nèi)5個臺,100～200 km有6個臺,200～300 km有13個臺,其余4個臺的震中距大于300 km。為了避免零線偏移對數(shù)據(jù)結(jié)果的影響,首先利用地震事件前20 s的數(shù)據(jù)對捕獲的強震動觀測數(shù)據(jù)進行基線調(diào)整[9],然后運用低頻截止頻率為0.05 Hz的4階Buttworth高通濾波器濾波,以消除低頻干擾信號,最后對校正后的加速度時程曲線進行積分,得到可靠的速度時程曲線,表1所示為震中距200 km內(nèi)記錄臺站的基本信息及強震動參數(shù)。

圖1 觸發(fā)強震動臺站分布圖Fig.1 Distribution of strong motion stations and main shock

表1 強震動記錄相關(guān)參數(shù)Table 1 Some related parameters of strong motion records

2 地面運動特征分析

2.1 幅值特征

由表1可知,漾濞臺(53YBX)記錄的地面運動幅值最大,其東西、南北、垂直向加速度峰值(PGA)分別為-379.9 cm/s2、-720.3 cm/s2、-448.4 cm/s2,速度峰值(PGV)分別為30.4 cm/s、-29.8 cm/s、-7.2 cm/s;53BTH和53LKT臺站由于處于基巖場地,其觀測記錄的幅值較小,其余土層臺記錄的PGA隨距離的增大總體呈現(xiàn)減小趨勢。圖2為經(jīng)基線校正后53YBX臺三分向的加速度和速度時程曲線。

圖2 53YBX臺加速度時程和速度時程Fig.2 The acceleration and velocity time-history curves of 53YBX station

利用表1的地震動參數(shù),通過計算各臺水平向記錄PGA和PGV的幾何平均值,并采用克里金插值方法得到震中區(qū)域PGA、PGV水平向的等值線(圖3)?？梢钥闯龃舜蔚卣鸬腜GA和PGV等值線圖均呈北西-東南方向展布,這與地震宏觀烈度調(diào)查圖的長軸走向具有很好的一致性。

圖3 震中附近水平向PGA和PGV等值線圖Fig.3 Contour map of horizontal PGA and PGV near the epicenter

2.2 反應(yīng)譜特征

根據(jù)震中距最近、幅值較大的6個臺捕獲的強震記錄,通過計算其單自由度線彈性體系的加速度反應(yīng)譜(阻尼比取5%),并與我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)[10]規(guī)定的抗震設(shè)計譜比較,如圖4所示。其中53YBX、53DLY、53YPX、53BCJ強震臺建于中硬土上,屬于Ⅱ類場地,53BTH和53LKT為基巖場地臺站。根據(jù)規(guī)范GB 50011-2010規(guī)定53YBX、53DLY、53BCJ、53BTH和53LKT所在區(qū)域設(shè)防標準為Ⅷ度設(shè)防,53YPX所在永平縣為Ⅶ度設(shè)防區(qū)域。53YBX和53YPX臺采用第三組設(shè)計地震動,其余臺站均采用第二組。

由圖4可知:(1)53YBX臺在0.05～0.15 s的周期內(nèi),三分向的譜加速度均為“單峰”型,且不同程度的大于Ⅷ度罕遇地震的設(shè)計譜值,其中EW向的反應(yīng)譜值遠大于其余兩分向的反應(yīng)譜值。在0.15～0.45 s的平臺周期內(nèi),三分向的譜加速度值均低于Ⅷ度罕遇地震的設(shè)計譜值,但EW和NS向的幅值仍然大于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計譜值。甚至在0.45～1.5 s的中等周期范圍內(nèi),53YBX臺EW和NS向的反應(yīng)譜幅值也不同程度的大于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計譜值。因此，本次地震在53YBX臺附近，自振周期在上述范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物，將產(chǎn)生比較嚴重的破壞。(2)由《住宅設(shè)計規(guī)范》[11]可知,震區(qū)中小城鎮(zhèn)主要建筑的自振周期為0.3～1 s,而53DLY臺EW和NS向的譜加速度值僅在0.05～0.1 s的范圍內(nèi)大于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計譜值,在0.1～3.0 s的周期范圍內(nèi)始終小于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計譜值。因此,從作用周期范圍看,本次地震對53DLY臺附近進行了Ⅷ度設(shè)防的建筑物影響較小。(3)53SPX臺由于UD向傳感器故障,僅計算出水平向的譜加速度,可以看出EW向的譜加速度顯著大于NS向的譜加速度,并且在0.45～1.5 s的中等周期范圍內(nèi)大于Ⅶ度多遇地震的設(shè)計譜值,但始終小于Ⅶ度設(shè)防的地震設(shè)計譜,說明地震動傳播到53SPX臺附近時,從幅度看已不足以對當?shù)貪M足抗震設(shè)防要求的建筑物構(gòu)成嚴重威脅。(4)53BCJ臺的反應(yīng)譜值始終小于Ⅷ度多遇的地震設(shè)計譜值,53BTH和53LKT臺由于是基巖場地臺站,其反應(yīng)譜值遠小于附近土層臺站記錄的反應(yīng)譜值,也始終小于Ⅷ度多遇地震的設(shè)計譜。

圖4 觀測記錄的反應(yīng)譜與設(shè)計反應(yīng)譜比較Fig.4 Comparison between the response spectrum of observation records and design response spectrum

2.3 持時特征

當?shù)卣饎邮菇Y(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系超過彈性極限時,持續(xù)時間越長,引起結(jié)構(gòu)的破壞越嚴重。目前有30多種持時,但主要分為絕對持時和相對持時2類。其中Td(5%～95%)相對持時定義為5%～95%的Arias強度之間的時間間隔[12-13]。表1列出了各臺站對應(yīng)的Td(5%～95%)相對持時的計算結(jié)果。為更好地描述此次地震持時的空間變化規(guī)律,采用式(1)對各臺站處記錄的地震動持時進行曲線回歸。

Td=c1+c2R+σ

(1)

式中:Td為相對持時;R為震中距,采用最小二乘法得到回歸系數(shù)c1和c2,以及標準差σ列于表2中。

表2 持時與斷層距空間變化關(guān)系的回歸系數(shù)Table 2 Regression coefficient of the relationship between duration and spatial variation of fault distance

由圖5中的回歸曲線可以看出,隨著斷層距的增加,三個方向上的地震動持續(xù)時間均增大,53YBX和53DLY的持時相對擬合曲線而言離散性較大,可能由于震中距小于40 km的記錄數(shù)量較少造成的。當震中距為零時,圖5中曲線與縱軸的截距對應(yīng)的持時為震源持續(xù)時間,由式(1)計算的Td(5%～95%)持時在EW、NS、UD三個方向上擬合得到的震源持續(xù)時間分別為13.06 s、11.43 s、10.22 s。根據(jù)震源破裂過程反演結(jié)果[14],此次地震能量主要集中在前約8～10 s內(nèi)釋放完畢?？梢娪蓴M合曲線計算的震源持續(xù)時間與主震震源破裂過程持續(xù)時間基本一致,符合實際震源能量釋放過程。

圖5 Td(5%～95%)持時與震中距的關(guān)系Fig.5 The relationship between Td(5%～95%)and epicenter distance

3 結(jié)論

利用云南、四川強震動觀測網(wǎng)絡(luò)在2021年云南漾濞6.4級地震中捕獲的84條三分向加速度記錄,通過對數(shù)據(jù)處理,從地震動的幅值、反應(yīng)譜、持時三要素方面研究了此次地震強地面運動的基本特征,得到如下結(jié)論:

(1)震中附近水平向PGA和PGV等值線圖與烈度調(diào)查圖的走向基本相同,可以為震后快速應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害評估、地震動影響場估計和未來區(qū)域抗震設(shè)計提供參考依據(jù);

(2)不論從幅值還是作用周期來看,本次地震都會對53YBX臺附近的建(構(gòu))筑物造成一定的破壞影響,但對53DLY、53SPX臺附近符合抗震設(shè)計規(guī)范的建筑影響較小。此外,兩個基巖臺記錄的地震動幅值遠小于同等震中距土層臺的值;

(3)Td(5%～95%)持時在EW、NS、UD三個方向上擬合得到的震源持續(xù)時間在10.22～13.06 s間,與震源破壞過程反演結(jié)果對應(yīng)的地震矩釋放過程相似。

致謝:中國地震局工程力學(xué)研究所為本研究提供數(shù)據(jù)支持,云南省地震局從事強震動觀測的工作人員在數(shù)據(jù)的收集整理過程中付出了辛勤勞動,以及甘肅省地震局王文才工程師對數(shù)據(jù)處理提供的幫助,在此表示感謝。