2009年姚安6.0級地震強震動應(yīng)急觀測的數(shù)據(jù)處理及其震害啟示*

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臺強震儀組成的強震動流動觀測臺陣，及時地捕獲了觀測期間震區(qū)發(fā)生的所有M≥3.0余震。截止7月13日12點，5臺強震儀共捕獲196個地震事件的588條加速度記錄，其中包括了5.2、4.7和4.6級三次強余震。記錄中地震動峰值加速度大于200 gal的有9條，最大地震動峰值為官屯鄉(xiāng)臺記錄的4.7級余震的684 gal(E-W分向)，該峰值創(chuàng)云南同震級檔加速度峰值記錄之最。這些記錄，彌補了地震區(qū)周邊因無固定強震臺站而缺乏近震記錄的空白，不僅對分析確定此次地震震害具有定量的佐證作用，而且為研究近場小震的加速度高峰值現(xiàn)象，以及地震動的峰值、持時、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)及強震動流動觀測臺站概況

1.1 地震參數(shù)

姚安6.0級地震發(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級主震及主要強余震參數(shù)。

表1 2009年姚安6.0級地震及主要強余震的基本參數(shù)

1.2 觀測儀器及主要技術(shù)參數(shù)

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

1.3 強震動流動觀測臺站概況

姚安6.0級主震微觀震中位于無民居山區(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)、洋派水庫壩基部位，以及距微觀震中相對較近的左門鄉(xiāng)阿苤拉村委會處各架設(shè)了一臺強震動流動觀測臺[2](圖1)。

圖1 姚安6.0級地震強震動流動臺布設(shè)和主要余震分布示意圖

2 地震記錄及數(shù)據(jù)處理

對獲取的強震動記錄進行分析處理，包括對加速度波形數(shù)據(jù)的濾波、零漂校正，主要強余震的速度和位移計算，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)與相對持時(Td)等的計算及其分析[3－10]。

2.1 濾波處理

所使用的數(shù)字強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幅值的分布。對加速度記錄做0～30 Hz低通濾波，結(jié)果表明對加速度峰值有較大影響，而對速度峰值影響不大(表2)。其中，官屯流動臺4.7級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記錄高頻響應(yīng)的特征。圖2所示為4個典型流動觀測臺4.7級余震記錄經(jīng)處理后的加速度時程。

表2 姚安地震主要余震記錄低通濾波前后信號損失比較

圖2 4.7級地震加速度時程

2.2 相關(guān)譜計算

4.7級余震在官屯臺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級檔地震的加速度記錄之最，在全國也罕見。這里根據(jù)5個臺站校正后的加速度記錄，計算了相應(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級地震各臺站記錄的PGA、PGV、PGD及部分譜計算結(jié)果(阻尼0.05)

圖3 4.7級地震官屯臺強震記錄譜分析

從表3和圖3中看出，4.7級地震加速度最大峰值(E-W分向)對應(yīng)頻率為6.3 Hz，而其垂直分向峰值的對應(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發(fā)生變化，這不排除場地因素的可能影響。其余各分向加速度峰值主頻集中在3～17 Hz;峰值速度對應(yīng)頻率大都為1～8 Hz;峰值位移對應(yīng)頻率為0.1～6.2 Hz，顯示了地震動頻率由加速度、速度到位移逐漸由高變低的特征。

2.3 相關(guān)烈度計算

中國地震烈度表[11](GB/T17742-2008)，也給出了自由場地上水平向地震動峰值加速度值、峰值速度值與宏觀烈度之間對應(yīng)范圍的參考值。三次余震在各觀測點對應(yīng)的宏觀烈度值列于表5中(對于三分向記錄，水平向地震動峰值為水平2分量的矢量合成值)。根據(jù)Wald等[12－13]統(tǒng)計回歸得到的PGA、PGV與修正默卡尼烈度(MMI)關(guān)系式，這里也計算了此三次強余震的默卡尼烈度值(表4)。JMAI[14]地震烈度值是由數(shù)字強震儀記錄經(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個烈度等級，這里僅作為參考在表中列出。

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

豪斯納[15]定義譜烈度(Spectrum Intensity)為

式中:SV為阻尼為ζ時的單質(zhì)點體系的相對速度反應(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，是一個客觀反映地震動反應(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。在試驗中選取試樣時從同一塊巖石中鉆取巖芯，這樣得到試驗結(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]，無法研究夾層厚度對鹽巖力學(xué)特性的影響程度，這也是目前研究的難點所在，因此本文假定內(nèi)部泥質(zhì)夾層是均勻分布的。通過對野外采集的兩類鹽巖進行單軸壓縮試驗，天然和鹵水飽和兩種狀態(tài)下鹽巖的破壞過程、全應(yīng)變-應(yīng)力曲線、強度特性、質(zhì)量差與強度的關(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時的CSV格式記錄的速度反應(yīng)譜，然后由式(1)計算出其譜烈度。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譜烈度值中最大者。表6列出了根據(jù)強震動記錄計算得到的不同阻尼比下的譜烈度結(jié)果(計算中速度單位為cm/s)，以及各觀測臺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、最大峰值及幾種烈度值

表6 各流動觀測點強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

計算結(jié)果表明，當(dāng)阻尼為0.2時，4.6、4.7和5.2三次余震的譜烈度值范圍為1.5～36.6。它們在各觀測點的最大加速度峰值與其對應(yīng)的最大譜烈度值的比值則為3.0～21.3，而官屯測點最大峰值加速度(684 gal)的比值為18.7，僅列第6。這表明，譜烈度(的計算)不僅考慮了地震動的最大峰值、也突出了振動幅值及其對應(yīng)的周期，也就是強調(diào)了地震動與結(jié)構(gòu)自振頻率相近部分的成份。這點，在實際的結(jié)構(gòu)地震破壞中尤顯突出[16]。

2.4 地震動持時計算

地震動有效持時的長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(地震動強度、譜成份、有效持時、場地條件及結(jié)構(gòu)特性)。根據(jù)采用加速度的絕對值或是相對值來作持時，將地震動持時Td劃分為a0持時(分?jǐn)?shù)持時)和相對持時(地震動相對能量持時)[17]。

對于a0持時，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程a(t)的相交點。當(dāng)k取1/2、1/3或1/5時，得到的Td分別稱為1/2持時、1/3持時或1/5持時。

相對持時采用Husid[18]的用地震動能量相對比值的表達方式來表示:

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

計算結(jié)果表明:4.7級地震在官屯記錄點的三種持時長度分別只有1.62 s、0.64 s和0.92 s。盡管該處4.7級地震三分向的加速度峰值均大于600 gal，且水平向合成達825 gal(按《中國地震烈度表》對應(yīng)的地震烈度為Ⅹ)，但短持時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，計算結(jié)果也顯示，不論是90%、70%持時，還是1/5持時，均與震源距呈正相關(guān)，震源距變大，相對持時就增長。

3 結(jié)論、啟示及相關(guān)問題討論

本文初步處理分析的結(jié)果、啟示及對相關(guān)問題的討論如下。

(1)4.7級地震加速度反應(yīng)譜幅值最大值對應(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;峰值速度對應(yīng)頻率大都在1～8 Hz;峰值位移對應(yīng)頻率在0.1～6.2 Hz，顯示了地面地震動頻率由加速度、速度到位移逐漸由高變低的特征。濾波對此次強余震記錄的加速度峰值有較大影響，而對速度峰值影響不大。這也表明近源地震動記錄高頻響應(yīng)的特征。

(2)阻尼取0.2時，M4.6、M4.7和M5.2三次余震各測點的譜烈度值為1.5～36.6。而各觀測點的最大加速度峰值與其對應(yīng)的最大譜烈度值的比值則為3～21.3;且官屯測點(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的最大峰值，也突出了振動幅值及其對應(yīng)的周期，亦即強調(diào)了地震動與結(jié)構(gòu)自振頻率相近部分的成份。譜烈度亦是建立強震動峰值參數(shù)與地震宏觀烈度之間對應(yīng)關(guān)系的有效標(biāo)度。

(3)此次姚安6.0地震的應(yīng)急流動觀測獲取的4.7級余震加速度峰值，在官屯鄉(xiāng)政府測點記錄的三分向加速度峰值分別為684 gal、617 gal、660 gal。按國標(biāo)[11]標(biāo)準(zhǔn)，該地震5個觀測點的加速度峰值所對應(yīng)的烈度高達Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ度，個別點甚至達Ⅹ度。5.2級余震的加速度峰值對應(yīng)的烈度也達Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ度。這與實際震害結(jié)果相差很大。盡管該處4.7級地震三分向的加速度峰值均大于600 gal，且水平向合成達825 gal，但其最大峰值的90%、70%和1/5等三種持時的長度分別只有1.62 s、0.64 s和0.92 s。地震地面運動的有效持時短，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)上地震動有效持時長短及地震動頻譜特征，在分析小地震高加速度峰值處的地表震害時，是必須考慮的地震動力參數(shù)。

(4)根據(jù)現(xiàn)行的國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[11]，將地震動加速度、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)合的方法等來確定地震烈度[17－20]，可使計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，我國大陸新建了近1 200個數(shù)字強震動臺，已獲取了一定數(shù)量的強震動記錄。基于這些記錄，重新建立強震動記錄參數(shù)與地震烈度之間的關(guān)系，勢在必行。

(5)強震動記錄與地震震害快速判定

強震動記錄反映的是記錄點在地震力作用下的運動情況。數(shù)字強震儀的發(fā)展，大大提高了強地震動測量的精度和分辨率。雖然數(shù)字強震儀仍存在慣性傳感器帶來的儀器測量誤差，但經(jīng)過儀器響應(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加速度的強度、頻譜及其有效持時;場地因素及地基條件;結(jié)構(gòu)類型、工程材料及施工質(zhì)量等等[1，17，21－22]。地表強震動記錄真實地反映了地震彈性波在傳播空間的強度分布。雖然強震動記錄與記錄點處建構(gòu)筑震害輕重之間并非簡單的線性相關(guān)，但是，采用適當(dāng)?shù)姆椒ń⑵饛娬饎訁?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、烈度速報等應(yīng)急工作，是十分必要的[23－25]。在此次姚安6.0級地震災(zāi)害評估的現(xiàn)場工作中，5.2、4.7、4.6及的強余震記錄的快速處理結(jié)果，為地震震害快速評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、專項工程等等的抗震設(shè)計規(guī)范的國家標(biāo)準(zhǔn)[11，26－28]，把場地地震動的峰值參數(shù)(am)及其反應(yīng)譜(Sa)，有時給出幾種阻尼下幾個分向的加速度反應(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)防國家標(biāo)準(zhǔn)中強調(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級檔地震的地面水平向加速度峰值在200 gal以上，按《中國地震烈度表》(GB/T17742－2008)標(biāo)準(zhǔn)換算的結(jié)果，達地震烈度Ⅷ度、Ⅸ度甚至Ⅹ度，而觀測點處的建筑物并沒出現(xiàn)高烈度的震害，實際宏觀烈度大都只有Ⅵ度左右。這勢必出現(xiàn)高地震動峰值低地震烈度的相悖現(xiàn)象。對這種相悖現(xiàn)象應(yīng)進行相關(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)。一個顯著的特點是這類地震近場記錄的有效持時短。實際上，許多重大工程選址于只有中小地震背景的區(qū)域，隨著觀測臺站覆蓋面的加大，這種中小地震的高加速度峰值低地震烈度的現(xiàn)象定會更趨明顯。把有效地震動持時列入現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范中，以適度權(quán)重予以體現(xiàn)，使抗震設(shè)防更趨合理，勢在必行。

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

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