日本建筑研究所的強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣網(wǎng)＊

王湘南葉春明

1）北京市地震局，北京100038

2）廣東省地震局，廣州510070

日本建筑研究所的強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣網(wǎng)＊

王湘南1）葉春明2）

1）北京市地震局，北京100038

2）廣東省地震局，廣州510070

1 臺(tái)陣網(wǎng)建設(shè)

日本建筑研究所（Building Research Institute of Japen，BRI）成立于1942年，原為日本財(cái)政部建筑司領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)建筑研究組，1948年更名為建筑研究所，2001年成為獨(dú)立行政法人機(jī)構(gòu)。1952年日本十勝?zèng)_發(fā)生8.2級(jí)大地震后，日本政府和土木工程界為了更加詳細(xì)地了解地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)特征和建筑物的反應(yīng)，于1957年開始施行日本的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)地震觀測計(jì)劃（The Strong－Motion Earthquake Observation Project）。在該計(jì)劃中，日本建筑研究所在日本的大城市里建設(shè)了47個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)地震觀測點(diǎn)。1984年至1989年，在政府和私企的參與下，建筑研究所又完成了日本仙臺(tái)市11個(gè)不同場地條件的井下強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣（圖1）。這11個(gè)觀測臺(tái)陣相互之間的間距僅3～4km，且每一個(gè)臺(tái)陣都在地面、基巖和中間層安裝了加速度傳感器。1995年1月17日日本神戶（Kobe）發(fā)生M7.2級(jí)地震，地震奪去6 000余人生命以及造成1 000億美元的經(jīng)濟(jì)損失。人們在救災(zāi)的過程中認(rèn)識(shí)到一條重要的經(jīng)驗(yàn)，那就是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，應(yīng)盡快得到地震的烈度分布和震害發(fā)展趨勢的信息。為此，日本建筑研究所在1996年又在東京城區(qū)新增了20個(gè)建筑結(jié)構(gòu)觀測臺(tái)陣。臺(tái)陣分布以東京為中心，成放射狀向外延展（圖2）。

這些臺(tái)陣組成了日本大城市的強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣網(wǎng)（BRI Strong Motion Network）（圖3），且以市政電話線與建筑研究所建立數(shù)據(jù)聯(lián)系。

圖1 日本仙臺(tái)市不同場地強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣分布（圖片來自http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm）

圖2 日本東京城區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣分布（圖片來自http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm）

圖3 日本建筑研究所強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣網(wǎng)臺(tái)陣分布（圖片來自http：∥smo.kenken.go.jp/smn）

儀器的布設(shè)方式是由觀測目的決定的，典型的地面觀測的儀器布設(shè)方式如圖4所示。如果是為了觀測地震時(shí)地表面的運(yùn)動(dòng)，儀器通常布設(shè)在堅(jiān)硬的自由場地或淺埋在地下。如果是為了調(diào)查表層地質(zhì)的影響，就必須布設(shè)一系列不同深度下的井下傳感器，最深位置的井下傳感器通常布設(shè)在如基巖一類的堅(jiān)硬層上。圖5展示的是建筑結(jié)構(gòu)地動(dòng)觀測的儀器典型布設(shè)方式。為了調(diào)查建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，至少必須在建筑的基底和頂部各安裝一套傳感器。根據(jù)建筑物的大小，有時(shí)還必須在建筑中增加傳感器，例如，對(duì)于高層建筑，為了更進(jìn)一步了解它的自然響應(yīng)模式，就必須在它的中間樓層增設(shè)傳感器。而對(duì)于那些外形比較寬的建筑，就必須在建筑物的頂部配置兩個(gè)甚至更多的傳感器。土壤與結(jié)構(gòu)的相互影響關(guān)系，是評(píng)估地震力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的一個(gè)重要課題，為了在地震波傳播過程中得到觀測點(diǎn)場地效應(yīng)、土壤與結(jié)構(gòu)相互關(guān)系，以及建筑物的結(jié)構(gòu)反應(yīng)狀態(tài)，在建設(shè)臺(tái)陣時(shí)，不僅在建筑物的結(jié)構(gòu)上布設(shè)了記錄儀器而且也在建筑物附近下面的土層里安裝了傳感器，組成了一個(gè)綜合型建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺(tái)陣。

圖4 地層響應(yīng)觀測的測點(diǎn)典型布設(shè)示意圖（圖片來自http：∥smo.kenken.go.jp/smn/sensorconf）

圖5 建筑結(jié)構(gòu)測點(diǎn)典型布設(shè)示意圖（圖片來自http：∥smo.kenken.go.jp/smn/sensorconf）

為了了解在建筑中地震振動(dòng)的輸入機(jī)制，需要布設(shè)一個(gè)高密度監(jiān)測臺(tái)陣，以實(shí)施對(duì)建筑及其周圍地面進(jìn)行全面的觀測。例如，日本建筑研究所在本所的城市減災(zāi)研究中心（The BRI Urban Disaster Mitigation Research Center）大樓的配樓布設(shè)的臺(tái)陣就屬該類臺(tái)陣。該配樓是一座地上8層地下1層的鋼筋混凝土建筑。研究所不僅在大樓的主樓上布設(shè)了4個(gè)（12通道）加速度傳感器，在配樓上也安裝了11個(gè)（33通道）傳感器，而且在大樓附近的地表層也安裝了7個(gè)（21通道）加速度傳感器（圖6）。1998年大樓建成時(shí)，該觀測系統(tǒng)就已安裝完畢并開始運(yùn)行。到目前為止，已獲得了大量的有價(jià)值的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)記錄數(shù)據(jù)。

圖6 日本城市減災(zāi)研究中心大樓配樓地震反應(yīng)觀測系統(tǒng)示意圖（圖片來自http：∥smo.kenken.go.jp/node/6）

2 臺(tái)陣網(wǎng)記錄儀器

日本建筑研究所的強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)陣網(wǎng)目前采用8種型號(hào)的數(shù)字化記錄儀：AJE－8200、Altus Etna、Altus K2、KSG－xxSB、SENDAI、SMAC－MD、SMAC－MDU和SMAR－6A3P。其中既有日本國內(nèi)生產(chǎn)的儀器也有國外先進(jìn)國家生產(chǎn)的儀器。所用儀器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

3 臺(tái)陣的記錄數(shù)據(jù)

到目前為止，BRI的臺(tái)陣網(wǎng)已經(jīng)獲得了許多次地震的有意義記錄，如日本1964年新瀉（Niigata）地震和1978年宮城（Miyagi）地震記錄。前一個(gè)地震系列記錄是日本第一個(gè)來自災(zāi)難性地震的記錄，后者最大PGA超過1g。1993年釧路（Kushiro）地震時(shí)，布設(shè)在釧路（Kushiro）的日本氣象廳（JMA）氣象臺(tái)臺(tái)陣的地表測點(diǎn)記錄到了711cm/s2的最大峰值加速度。另外，1994年三陸（Sanriku）地震時(shí)，新建的八戶（Hachinohe）市市政廳大樓觀測臺(tái)陣的第6層測點(diǎn)記錄到的地震峰值加速度達(dá)到1g。雖然這次地震對(duì)新建的樓房損害較輕，但鄰近的老舊房屋損失慘重。該記錄對(duì)研究建筑物的破壞過程非常有價(jià)值。

臺(tái)陣網(wǎng)的儀器記錄數(shù)據(jù)文件是一個(gè)帶.ac擴(kuò)展名的ASCII文本文件。其行是由CRLF方式劃分的。一個(gè)ac文件能夠包含儀器記錄的數(shù)個(gè)通道數(shù)據(jù)。它的格式如下：

第一行包含下列信息：

1－10列：記錄數(shù)據(jù)的日期（yyyy/mm/dd）；

12－19列：被采樣的第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)間（hh/nn/ss），它可以是臺(tái)站當(dāng)?shù)氐牡貐^(qū)時(shí)間。

21－23列：數(shù)據(jù)文件記錄的通道數(shù)；

表1 日本建筑研究所建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測臺(tái)陣網(wǎng)記錄儀器主要技術(shù)指標(biāo)來源于的(http:∥smo.kenken.go.jp/“BRI strong motion network”-Strong motion instrument)

25－27列：采樣率（Hz，每秒采樣數(shù)）；

29－33列：每個(gè)通道的數(shù)據(jù)數(shù)量，且所有通道的數(shù)據(jù)數(shù)量都是相同的；

35列至最后列：臺(tái)站信息。標(biāo)準(zhǔn)的格式是“編碼：描述”。編碼是臺(tái)站的編碼（在BRI臺(tái)網(wǎng)中只能是唯一的名稱縮寫），描述指對(duì)臺(tái)站的描述，通常是臺(tái)站的完整名稱，編碼和描述的長度都不受限制。

第二行是第一通道記錄的頭文件：

1－10列：該通道的識(shí)別標(biāo)記，通常由方位角（或方位）和區(qū)域編碼組成，中間用連接符“－”隔開。方位角由3個(gè)數(shù)字和1個(gè)從北右旋的角度數(shù)組成，用字符串表示，如063－GL表示在地表層方位角為N63°E（即從北到東63°）。UP－GL表示地表層的垂直分量。

11－20列：該通道的峰值；

21－30列：峰值出現(xiàn)的步長；

31－40列：原始數(shù)據(jù)處理所用的偏移；

41－50列：原始數(shù)據(jù)處理時(shí)的標(biāo)定系數(shù)；

第三行及以下行：

均為數(shù)據(jù)行。加速度數(shù)據(jù)占10列，每行包括8個(gè)值。

每通道數(shù)據(jù)都有道頭文件和數(shù)據(jù)塊，下面給出一個(gè)實(shí)例（表2）（http：∥smo.kenken.go.jp/smn/acfile）。

表2 數(shù)據(jù)實(shí)例

在臺(tái)陣網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫中用戶可以檢索到地震信息、臺(tái)站信息和記錄數(shù)據(jù)信息，也能看到記錄波形和反應(yīng)譜。有些地震的記錄數(shù)據(jù)可以直接從數(shù)據(jù)庫中下載。

數(shù)據(jù)庫目前存放的數(shù)據(jù)有：

（1）仙臺(tái)網(wǎng)1986—1998年的觀測數(shù)據(jù)。

（2）1990年以來BRI臺(tái)網(wǎng)可以下載的記錄數(shù)據(jù)為：

① 地面或地層里記錄到的數(shù)據(jù)；

② 建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)記錄到的數(shù)據(jù)。

如果用戶使用BRI庫的數(shù)據(jù)公開發(fā)表研究結(jié)果，請遵照下列要求：

1.不允許直接將數(shù)據(jù)傳給第三者；

2.請明確標(biāo)明數(shù)據(jù)的來源；

3.將發(fā)表文章的副本傳給BRI；

有些建筑結(jié)構(gòu)記錄數(shù)據(jù)的下載是有條件的，如用戶需要，可與BRI聯(lián)系。

本文根據(jù)http：∥www.kenken.go.jp和http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm網(wǎng)站的部分資料編寫而成，在此表示感謝！

（作者電子郵箱，王湘南：wangxiangnan1956＠sohu.com；wangxiangnan＠bjseis.gov.cn）

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.11.009

2011－02－15。