唐山豐南M4.1級(jí)地震強(qiáng)震記錄分析1

冉志杰 楊歧焱 周月玲 孫麗娜 呂國軍 孟立朋 范 強(qiáng) 彭遠(yuǎn)黔

（河北省地震局，石家莊 050022）

引言

唐山老震區(qū)位于河北平原地震構(gòu)造帶上，斷裂構(gòu)造發(fā)育，地震活動(dòng)頻繁，1976年 7月28日唐山7.8級(jí)地震就發(fā)生在該地區(qū)（梅世蓉等，1982）。近年來唐山地區(qū)中小地震活躍，2010年4月9日18時(shí)52分在唐山市豐南區(qū)發(fā)生了4.1級(jí)地震，北京、天津等地有明顯震感。地震發(fā)生后，津冀地區(qū)獲取了多個(gè)臺(tái)站強(qiáng)震記錄，本文對(duì)此次地震的強(qiáng)震記錄進(jìn)行分析。

1 地震參數(shù)

據(jù)河北省地震臺(tái)網(wǎng)測定，2010年4月9日18時(shí)52分在唐山市豐南區(qū)發(fā)生4.1級(jí)地震，震中位置為：北緯39.47°，東經(jīng)118.06°，震源深度13km。

2 發(fā)震構(gòu)造背景

唐山老震區(qū)周圍被 4條斷裂圍限，其南界是寧河-昌黎斷裂，北界是榛子鎮(zhèn)（豐臺(tái)鎮(zhèn)-野雞坨）斷裂，二者走向都是北東東向；東界是灤縣-樂亭斷裂，西界是薊運(yùn)河斷裂，二者走向均呈北西向（虢順民等，1977）。唐山地震及余震主要沿上述斷裂所控制區(qū)域內(nèi)的唐山斷裂帶分布（圖1）。

唐山斷裂帶主要由唐山-古冶斷裂、陡河斷裂、唐山-巍山-長山斷裂、王蘭莊斷裂組成（郭慧等，2011）：

（1）唐山-古冶斷裂（F4）：西南段走向北東30°，東北段走向50°。斷裂南端被1條近東西向橫斷裂（豐南斷裂）所切，全長約30km。唐山以南一段由2條平行的斷層組成，兩斷層間距約500m，斷面傾向北西，傾角70°－80°，西邊1條為逆斷層，東邊1條為正斷層。唐山-古冶斷裂為全新世活動(dòng)斷裂。

（2）陡河斷裂（F2）：斷裂為北東走向，由南、北兩段組成。東北段為傾向北西的正斷層，西南段由2條相距約200m的平行小斷層組成，斷面都傾向北西，正斷層，全長約50km。

（3）唐山-巍山-長山斷裂（F3）：由一些斷斷續(xù)續(xù)的北東向斷層組成，多為向北西傾的逆斷層，以擠壓逆沖性質(zhì)為主，斷面多沿地層層面分布。斷層長約20km。

（4）王蘭莊斷裂（F9）：在王蘭莊一帶展布2條斷裂，稱之為王蘭莊西支斷裂和王蘭莊東支斷裂，它們分別是唐山-豐南斷裂、碑子院-豐南斷裂向南延伸段，彼此間呈右階錯(cuò)列，分別長約18km。總體走向北東，均傾向東，上新統(tǒng)底部礫巖被其斷開40—300m。1976年唐山7.8級(jí)地震余震沿王蘭莊斷裂東支和王蘭莊南-漢沽斷裂密集成帶。此次 4.1M 級(jí)地震就發(fā)生在王蘭莊斷裂附近。

圖1 唐山豐南M4.1級(jí)地震發(fā)生的構(gòu)造背景圖Fig. 1 Tectonic background of Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake

3 臺(tái)站獲取記錄情況

3.1 觀測臺(tái)站

津冀地區(qū)共有36個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站（臺(tái)站位置見圖1）獲得了 4.1M 級(jí)地震記錄，臺(tái)站均建在土層上，部分臺(tái)站分布在地震活動(dòng)斷裂帶及其附近。觀測儀器采用三種類型，如表1所示。三種儀器從性能上雖各有其差異，但記錄效果基本一致。

表l 強(qiáng)震儀類型Table 1 The seismometers used for strong motion record

3.2 觀測記錄情況

36個(gè)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站共獲取107條加速度記錄，對(duì)所獲得的加速度記錄進(jìn)行了波形數(shù)據(jù)的基線校正、0.01—80Hz的數(shù)字濾波，最終獲取地震加速度記錄峰值如表2所示；圖2為距震中最近的胥各莊臺(tái)和最遠(yuǎn)的靜海臺(tái)加速度波形記錄。

表2 獲取的地震加速度記錄結(jié)果Table 2 The records of earthquake acceleration

續(xù)表

圖2 胥各莊臺(tái)（左）和靜海臺(tái)（右）唐山豐南M4.1級(jí)地震加速度時(shí)程記錄Fig. 2 Acceleration time-history used for Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake record from Xugezhuang station (L) and Jinghai station (R)

4 強(qiáng)震記錄分析

4.1 加速度時(shí)程

在距震中11.9—120.07km范圍內(nèi)，記錄到的最大水平加速度峰值為58.92cm/s2，最大豎向加速度峰值為 22.24cm/s2，加速度峰值總體呈現(xiàn)隨震中距增大而減小趨勢(shì)，沿北東向斷裂附近的臺(tái)站兩水平分量加速度峰值相差較明顯，達(dá)1.0—3.5倍，如唐山、漢沽鹽場、七里海、和平地辦。水平分量峰值加速度均比豎向峰值加速度大，東西分量為豎向峰值加速度的0.87—4.36倍，南北分量為豎向峰值加速度的0.96—8.07倍，大于一般認(rèn)為的1/2—2/3水平，強(qiáng)震動(dòng)具有豎向分量偏高的特點(diǎn)。隨著震中距R的增大，南北分量加速度峰值比東西分量大。將兩水平分量加速度峰值與豎向分量加速度峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到如下關(guān)系式：

式中，PGAv為豎向分量加速度峰值；PGAh為水平分量加速度峰值。

由圖3可見，水平分量加速度峰值在大于15cm/s2時(shí)樣點(diǎn)較為離散，顯示出距震中較近的臺(tái)站水平分量與豎向分量的加速度峰值差別較大。

圖3 水平分量與豎向分量加速度峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 3 The horizontal and vertical peak value of acceleration

4.2 地震動(dòng)衰減

地震動(dòng)峰值是地震動(dòng)的主要參數(shù)之一，一般建筑抗震設(shè)計(jì)中最常用的地震動(dòng)峰值是水平加速度峰值。強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄一般為三分向紀(jì)錄，即2個(gè)相互垂直的水平分量和1個(gè)垂直分量。按照定義，水平加速度峰值應(yīng)該是 2個(gè)相互垂直的水平分量的矢量合成的最大值PGAH，但在有關(guān)地震加速度峰值的研究中，由于矢量合成比較麻煩，所以大部分是采用 2個(gè)水平分量中的較大絕對(duì)值或2個(gè)分量的均值近似作為加速度峰值PGAH。本文采用2個(gè)水平分量的最大值矢量合成的加速度峰值的絕對(duì)值PGAH，即記錄水平向矢量合成的加速度峰值的絕對(duì)值PGAH由下式計(jì)算得到：

利用臺(tái)站獲取的加速度峰值，按照常用的地震動(dòng)峰值衰減模型Ⅰ和衰減模型Ⅱ確定地震動(dòng)衰減關(guān)系（崔建文等，2006），地震動(dòng)峰值衰減模型采用如下形式：

式中，Y為加速度峰值（gal）；M為震級(jí)；R為震中距（km）；0R是近場飽和因子；0c～3c為回歸的系數(shù)，其中0c為常數(shù)項(xiàng)，ε為統(tǒng)計(jì)分析誤差項(xiàng)。

采用多元線性回歸擬合得到地震動(dòng)的峰值加速度隨震級(jí)和震中距變化的規(guī)律，衰減模型Ⅱ中0R分別取2、4、8、10、20進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸試算，以統(tǒng)計(jì)回歸方差最小者確定其值，通過試算確定02R= 。經(jīng)多元線性回歸擬合得到地震動(dòng)加速度峰值衰減關(guān)系如下：

衰減模型Ⅰ：

衰減模型Ⅱ：

上述衰減關(guān)系式中HY為水平向加速度峰值；VY為豎向加速度峰值；M為震級(jí)；R為震中距；δ為方差；r為相關(guān)系數(shù)。

對(duì)比衰減模型Ⅰ、模型Ⅱ的回歸參數(shù)δ和r可見衰減模型Ⅱ更能夠體現(xiàn)地震動(dòng)衰減特征。

4.3 加速度傅氏譜

地震記錄中包含了許多極為豐富的振動(dòng)頻率，不同地區(qū)的主要振動(dòng)頻率不同，結(jié)構(gòu)物本身具有自身的不同頻率和復(fù)頻響應(yīng)，因而在不同頻率振動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)便不相同。為了避免地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象，確保結(jié)構(gòu)安全，因而必須對(duì)地震的頻率成份進(jìn)行分析。

通過對(duì)36條加速度記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行傅氏譜分析計(jì)算，結(jié)果見表2；圖4為胥各莊臺(tái)和靜海臺(tái)傅氏譜分析結(jié)果。由表2和圖5可見，東西分量加速度譜峰值在2.3—9.8Hz之間，南北分量加速度譜峰值在2.1—9.8Hz之間，豎向譜峰值在2.3—17.7Hz之間，總體而言東西分量的譜峰值比南北分量和豎向分量大。在震中距19.43—75.68km之間，隨著震中距的增加，東西分量加速度譜峰值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，之后譜峰值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而南北分量和豎向分量沒有這樣的特征。通常震中距越遠(yuǎn)，地震動(dòng)記錄中的長周期（低頻）越顯著，但本次地震無該顯著特征，可能是受震源機(jī)制的影響。

根據(jù)傅氏譜計(jì)算結(jié)果將譜型分為三種類型：①單峰值型，傅氏譜峰值僅有1個(gè)主峰值；②雙峰值型，傅氏譜峰值有2個(gè)主峰值；③多峰值型，傅氏譜峰值有2個(gè)以上主峰值。單峰值型傅氏譜31條，雙峰值型傅氏譜35條，多峰值型傅氏譜41條。單峰值型比例為28%，雙峰值型比例為32%，而多峰值型傅氏譜比例為40%。其加速度傅氏譜譜型多以多峰值為主，這與臺(tái)址所處的土層有關(guān)，其頻率成分豐富。

圖4 傅氏譜分析結(jié)果Fig. 4 Results from Fourier spectrum analysis

圖5 傅氏譜峰值（頻率）隨震中距變化圖Fig. 5 Fourier spectrums’ Peak value (frequencies) v.s. epicenter distance

4.4 加速度反應(yīng)譜

隨著震中距R的增大，反應(yīng)譜高頻成分的衰減快于低頻成分，長周期（T>1.0s）成分隨著R的增大而顯著增多（圖6）。兩水平分量反應(yīng)譜在高頻段的差別較大，南北分量的反應(yīng)譜衰減快于東西分量，隨著R的增大反應(yīng)譜的卓越周期增大，豎向卓越周期的增長快于水平分量，在高頻段隨著R的增大豎向分量比水平分量衰減慢。

規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜是確定地震作用的重要工具，也是地震工程中研究的重點(diǎn)，規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜（或稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜、放大系數(shù)譜）就是將地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜分別除以對(duì)應(yīng)地震動(dòng)的最大值，縱坐標(biāo)一般用β 表示，它反映了單質(zhì)點(diǎn)體系在地震作用下的最大反應(yīng)對(duì)地震動(dòng)峰值的放大情況。圖7為36組地震記錄的東西分量（EW）、南北分量（NS）和豎直分量（UD）規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線，從圖7可以看出：

（1）在小于0.3s的周期段，兩水平向譜曲線的形狀相似，在大于0.3s的周期段，豎直分量譜曲線比兩水平分量譜曲線的形狀較尖銳。

（2）兩水平分向的譜值差別不大。

（3）在小于0.1s的短周期段，兩水平分量與豎直分量譜值相差不大，當(dāng)譜周期大于0.3s后，豎直分量譜值高于兩水平分量。

采用平均反應(yīng)譜的標(biāo)定方法對(duì)36組強(qiáng)震記錄加速度反應(yīng)譜進(jìn)行標(biāo)定（圖7），得到唐山豐南M4.1級(jí)地震土層場地規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜，結(jié)合唐山地區(qū)131個(gè)土層臺(tái)站共288組地震記錄（3.5級(jí)以上地震）反應(yīng)譜的標(biāo)定結(jié)果（圖8），獲得唐山地區(qū)土層場地反應(yīng)譜譜形參數(shù)，其結(jié)果見表3。

表3 場地反應(yīng)譜參數(shù)值Table 3 Parameters of site response spectrum

表中g(shù)T、1T、maxβ分別為反應(yīng)譜的特征周期值、第一拐點(diǎn)周期值、放大系數(shù)最大值。《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2001）將場地特征周期分為0.35s、0.40s和0.45s三檔，唐山地區(qū)屬0.35s檔?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》（中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)，2010）將區(qū)劃圖中的0.35s和0.40s的區(qū)域作為設(shè)計(jì)地震的第一組，取值0.35s，而將區(qū)劃圖中為0.45s的區(qū)域多數(shù)作為設(shè)計(jì)地震的第二組，取值0.40s，唐山地區(qū)在該規(guī)范中為設(shè)計(jì)地震第一組取值0.35s。由上述強(qiáng)震記錄反應(yīng)譜標(biāo)定結(jié)果可見，唐山地區(qū)水平向特征周期值大于該規(guī)范的規(guī)定值0.35s，maxβ值的優(yōu)勢(shì)分布在2.5，并與國際上采用的結(jié)果相同，而《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011-2010）》將其設(shè)定為2.25。

在一般情況下，豎向加速度約為水平向的1/2—2/3。由上述標(biāo)定結(jié)果可見豎向地震動(dòng)maxβ與水平向的maxβ相同，因此，需要進(jìn)一步對(duì)豎向加速度反應(yīng)譜進(jìn)行研究，獲得可靠合理的參數(shù)。

圖6 震中距對(duì)反應(yīng)譜的影響Fig. 6 The effect of epicenter distance on response spectrum

圖7 唐山豐南M4.1級(jí)地震加速度規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜Fig. 7 Normalized acceleration response spectrum of Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake

圖8 唐山地區(qū)土層場地加速度反應(yīng)譜Fig.8 Acceleration response spectrum for soil site in Tangshan area

5 結(jié)論

（1）唐山豐南M4.1級(jí)地震，津冀地區(qū)共有36個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站獲取到強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄，在距震中11.9—0.07km范圍內(nèi)，記錄到的最大水平加速度峰值為58.92cm/s2，最大豎向加速度峰值為22.24cm/s2。

總體而言，豎向的譜峰值比水平向大，無論是水平分量還是豎向分量，其加速度傅氏譜譜型多以多峰值為主。

（2）隨著震中距R的增大，反應(yīng)譜的高頻成分衰減快于低頻成分，長周期（T>1.0s）成分隨著R的增大而顯著增多。隨著R的增大反應(yīng)譜的卓越周期增大，豎向卓越周期的增長快于水平分量，在高頻段豎向分量隨著R的增大比水平分量衰減慢。

南北分量為豎向峰值加速度的0.96—8.07倍，以及反應(yīng)譜豎向地震動(dòng)maxβ與水平向的相同，均與一般認(rèn)為的豎向加速度約為水平向的1/2—2/3差別較大，因此，需要進(jìn)一步開展豎向加速度記錄的研究。

根據(jù)本次強(qiáng)震動(dòng)記錄加速度反應(yīng)譜標(biāo)定所獲得反應(yīng)譜參數(shù)，具有地域性，對(duì)唐山地區(qū)的工程抗震設(shè)計(jì)具有適用性和指導(dǎo)意義。

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