基于建筑物地震反應(yīng)的地震預(yù)警系統(tǒng)

張鵬程　紀(jì)似玉

(廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院　福建廈門　361005)

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基于建筑物地震反應(yīng)的地震預(yù)警系統(tǒng)

張鵬程紀(jì)似玉

(廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院福建廈門361005)

為完善地區(qū)抗震烈度區(qū)劃表，以及推演所覆蓋地區(qū)地殼斷裂帶的分布特征，在地震預(yù)警速報(bào)研究的基礎(chǔ)上，利用與房屋的自振周期相同的振子、鏡像模擬房屋震時(shí)反應(yīng)，以對(duì)危險(xiǎn)趨勢做出及時(shí)報(bào)警，以預(yù)警器為神經(jīng)元，建立覆蓋一定地區(qū)地震及時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。

建筑物；預(yù)警器；實(shí)時(shí)預(yù)警；地震災(zāi)害；應(yīng)急系統(tǒng)

0　引言

地震是一種自然現(xiàn)象，它與天體運(yùn)動(dòng)、地球氣候以及地殼結(jié)構(gòu)的局部演變、改變等諸多因素有關(guān)，準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)地震難度很大。地震動(dòng)可以摧毀地面建筑、橋梁等，有時(shí)也會(huì)誘發(fā)泥石流、核泄漏、火災(zāi)等次生災(zāi)害，從而造成人員傷亡以及設(shè)施損毀。“建造抗震房屋”和“及時(shí)預(yù)警”是目前得到絕大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)可的有效的減少災(zāi)難損失的方法。對(duì)地震災(zāi)害的防范是龐大的系統(tǒng)工程，建立有效的地震預(yù)警系統(tǒng)是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。

基于實(shí)時(shí)地震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)所建立地震速報(bào)系統(tǒng)的原理主要是臺(tái)網(wǎng)拾取的異常地動(dòng)信息可以通過電話或無線電波的傳播速度(300 000km/s)遠(yuǎn)大于地面地震機(jī)械波波速(通常10km/s)，立刻發(fā)布速報(bào)信息，通知相關(guān)機(jī)構(gòu)迅速做出防災(zāi)反應(yīng)。一次地震發(fā)生時(shí)，震源散發(fā)出的機(jī)械波中的縱波(P波)往往先于破壞性更大的橫波(S波)及其衍生波到達(dá)地面，對(duì)異常P波的拾取及速報(bào)可以收到更好的效果。相應(yīng)的地震應(yīng)急防災(zāi)系統(tǒng)則是在收到速報(bào)信號(hào)之后，快速進(jìn)行相關(guān)區(qū)域?qū)Φ卣鹈舾械慕煌ā⒔ㄖO(shè)施停運(yùn)，人員疏散，核電站關(guān)閉等。

目前全球已經(jīng)發(fā)展了多套地震速報(bào)系統(tǒng)。如日本的UrEDAS、墨西哥SAS和SASO、美國ElarmS、土耳其的PreSEIS和SOSEWIN系統(tǒng)、我國臺(tái)灣地區(qū)試驗(yàn)性預(yù)警系統(tǒng)、土耳其伊斯坦布爾市預(yù)警系統(tǒng)及羅馬尼亞布加勒斯特地震預(yù)警系統(tǒng)等。此外，美國加利福尼亞州及意大利等一些國家也在建設(shè)類似系統(tǒng)[1]；我國大陸也在研發(fā)基于實(shí)時(shí)傳輸測震臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的地震預(yù)警系統(tǒng)，并擬先在福建地區(qū)、首都圈地區(qū)和蘭州地區(qū)進(jìn)行布設(shè)。

雖然這些系統(tǒng)各有自己的不同特點(diǎn)和優(yōu)勢，但論其基本構(gòu)成大致相同。主要由地震監(jiān)測臺(tái)(網(wǎng))、通訊系統(tǒng)、中央處理控制系統(tǒng)和對(duì)用戶的警報(bào)系統(tǒng)等4部分組成。其中核心技術(shù)室中央處理控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)地震參數(shù)的測定。地震早期預(yù)警仍是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其高度集成、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及快速響應(yīng)的特點(diǎn)，要求科技人員、政府和社會(huì)公眾等多方面共同合作才能發(fā)揮功效[1]。

1　基于建筑物地震反應(yīng)的地震報(bào)警器

與大范圍的地動(dòng)監(jiān)測相比，如果對(duì)某個(gè)具體地點(diǎn)的具體建筑物在遭遇突發(fā)地震時(shí)是否有危險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及時(shí)預(yù)警，則可以起到更有效的防災(zāi)作用。它可以既準(zhǔn)確又省去了信號(hào)傳輸過程，利于做出快速響應(yīng)，即可以通過對(duì)建筑物、橋梁、隧道的遇震安全性進(jìn)行監(jiān)測并利用監(jiān)測提供的預(yù)警信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)速報(bào)。以工程結(jié)構(gòu)自身作為“神經(jīng)元”，以區(qū)域中具體建筑物、橋、隧設(shè)施為地震信息載體，通過監(jiān)測、采集建筑物日常地震反應(yīng)信息，繪制實(shí)時(shí)記錄圖表，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)鑒別，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

建筑物往往基于一個(gè)計(jì)算簡圖，設(shè)計(jì)參數(shù)來源于實(shí)驗(yàn)測定，一個(gè)設(shè)計(jì)明確、施工精良的建筑物的地震反應(yīng)與設(shè)計(jì)目標(biāo)可以大致吻合。建筑的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被設(shè)計(jì)得具備相當(dāng)?shù)某惺芰?，利用它感知到最初的彈性振?dòng)到破壞性振動(dòng)的間隙，一樣可以提醒其內(nèi)以及周邊人員避險(xiǎn)。

預(yù)警系統(tǒng)的建立可以通過在建筑物內(nèi)安放如圖1所示的預(yù)警裝置。

建筑結(jié)構(gòu)本身都有基本準(zhǔn)確的振動(dòng)特性，例如常用各類房屋在搖晃時(shí)都具有一個(gè)可估計(jì)的自振周期，而一旦遭遇可與其發(fā)生共振的地震動(dòng)時(shí)，都是房屋最可能發(fā)生破壞的狀況?；诖罅康墓こ虣z測經(jīng)驗(yàn)，各類常用結(jié)構(gòu)，通?？梢岳帽?所列的經(jīng)驗(yàn)公式，基本準(zhǔn)確地估算一幢具體建筑物的最危險(xiǎn)的振動(dòng)周期(第一自振周期)。

表1　第一自振周期經(jīng)驗(yàn)算法

房屋結(jié)構(gòu)按照設(shè)防烈度進(jìn)行抗震設(shè)防，也可通過設(shè)定一個(gè)比設(shè)防烈度略小的預(yù)警烈度進(jìn)行耐震預(yù)警。鏡像振子本身與所在房屋振動(dòng)特性相同，振子的反應(yīng)如果超過預(yù)警烈度則報(bào)警，沒超過則保持靜默。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)?shù)卣鹗狗课莸膫?cè)移角度達(dá)到預(yù)計(jì)破壞的最大側(cè)移角前，裝置作出報(bào)警反應(yīng)，啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。為避免受到人們?nèi)粘；顒?dòng)以及風(fēng)、車輛引發(fā)振動(dòng)等影響，微小而敏感的振子需要一個(gè)避風(fēng)盒進(jìn)行保護(hù)，并安裝在公共建筑底層易于觀測的位置。對(duì)于數(shù)量更大的民用住宅，可以安裝在臥床枕側(cè)的墻上，以利于夜間發(fā)生危險(xiǎn)地震時(shí)及時(shí)報(bào)警，喚醒沉睡中的住戶。

一般情況下，地震發(fā)生時(shí)，速度快、危害小的P波會(huì)先行抵達(dá)地表。P波使得建筑物上下晃動(dòng)，上下向的振子(Bob-Z axis)隨建筑物一起振動(dòng)。如圖1所示，用剛度較小的薄鋼片來固定，當(dāng)感受到振動(dòng)時(shí)可以發(fā)出警報(bào)信號(hào)。同樣S波抵達(dá)時(shí)候，依靠左右方向的振子來實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

各振子的振動(dòng)屬于受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)是由周期性變化的激振力所引起，其振動(dòng)的頻率等于激振力的頻率(或?yàn)榧ふ窳︻l率的倍數(shù))，可根據(jù)振子的振動(dòng)頻率簡單推出地震的頻率以及周期。

2　基于建筑物地震反應(yīng)報(bào)警器的地區(qū)預(yù)警系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成部分

2.1.1實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置

安放一個(gè)靈敏度高的預(yù)警器。該預(yù)警器能夠及時(shí)檢測到地震的發(fā)生，通過計(jì)算確定能夠使得建筑物發(fā)生破壞的偏移角度和位移。最好通過檢測P波的振幅、頻率等來確定建筑物是否會(huì)發(fā)生破壞，并以此來發(fā)出預(yù)警信號(hào)。用一個(gè)指南針確定結(jié)構(gòu)朝向；東-西、南-北、上-下振子可敲擊鈴鐺報(bào)警；振子與各自所代表的方向上的結(jié)構(gòu)周期相同。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)首先監(jiān)測到P波，通過上下向的振子及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，對(duì)整棟樓發(fā)出警報(bào)，并把信號(hào)通過電纜發(fā)送到附近的地震臺(tái)網(wǎng)，對(duì)比系統(tǒng)中收錄的信號(hào)，進(jìn)而推測地震發(fā)生的位置并計(jì)算較大振幅的S波會(huì)在何處抵達(dá)，從而完成對(duì)更大范圍的預(yù)警。

2.1.2P波檢測設(shè)置

P波的震動(dòng)有上-下振動(dòng)，破壞較弱，傳播速度較快的特點(diǎn)，目前主要通過對(duì)P波的拾取作為地震震級(jí)測定主要方法。本文旨在通過簡單機(jī)械進(jìn)行地震發(fā)生的確定和通過簡單報(bào)警裝置實(shí)施居民樓內(nèi)部的報(bào)警系統(tǒng)，不做準(zhǔn)確測定。

目前人們已經(jīng)發(fā)展了應(yīng)用P波來估計(jì)地震災(zāi)害的各種觀測參數(shù)，其中B-PV方法是通過振幅和B值來確定地震震級(jí)。B-PV方法：P波段地震波形的包絡(luò)可以用Sw0=B·t·exp(-At)·u(t)[2]來模擬，通過對(duì)一定數(shù)量地震擬合垂直分向P波速度記錄的包絡(luò)函數(shù)并反演求公式參數(shù)B和A。用M=algPv+blgB+c確定震級(jí)的方式來逆推破壞地震時(shí)P波振幅PV和B值。一般1～3級(jí)地震發(fā)生時(shí)只有精密儀器才能發(fā)現(xiàn)，3～5級(jí)地震會(huì)有輕微震感，但不會(huì)造成建筑物破壞，本預(yù)警器通過5級(jí)地震的B-PV方法確定的振幅值作為報(bào)警閾值。

因?yàn)镻波上-下振動(dòng)的特性，可通過上文方法確定破壞震級(jí)對(duì)應(yīng)幅值，而后通過調(diào)整上-下振子距離響鈴的位置來擬合破壞震級(jí)對(duì)應(yīng)幅值。

2.1.3報(bào)警器信號(hào)通訊設(shè)置

報(bào)警器宜布置于樓層頂部避免干擾的地區(qū)，另外還應(yīng)布置于有專人負(fù)責(zé)的區(qū)域。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，首先樓層內(nèi)的預(yù)警器發(fā)出預(yù)警信號(hào)，引發(fā)報(bào)警裝置，提醒居民。在每個(gè)居民房間內(nèi)設(shè)置和預(yù)警器關(guān)聯(lián)的蜂鳴器，可以讓樓內(nèi)居民可以盡早知曉地震的發(fā)生。同時(shí)當(dāng)發(fā)生誤報(bào)時(shí)候，在專人看管區(qū)域可以通過手動(dòng)來停止警報(bào)，避免造成恐慌。

報(bào)警器還兼有預(yù)警分級(jí)的作用，依據(jù)振動(dòng)幅度將地震分為3個(gè)等級(jí)，即微感、有感、破壞震感。并采用GSM/CDMA信道傳遞方式，及時(shí)將地震信息傳遞出去。區(qū)域監(jiān)控。與政府放在中心聯(lián)通。信號(hào)共通。無線發(fā)射器。信號(hào)由地震防災(zāi)中心進(jìn)行甄別并發(fā)布相關(guān)范圍預(yù)警信息。

2.1.4震時(shí)安全區(qū)域的設(shè)置

本系統(tǒng)的主要目的在于減少人員的傷亡，因此最好事先劃定在遇到地震時(shí)能夠躲避建筑物倒塌的區(qū)域。安全區(qū)域內(nèi)不受建筑物倒塌的影響，并像消防通道一樣給居民指引撤離的安全路線。這一點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)時(shí)納入考慮，對(duì)已規(guī)劃完成的居民區(qū)，應(yīng)合理選擇，實(shí)地考察后確定。

對(duì)于居民區(qū)可在門衛(wèi)室設(shè)置大的警鈴開關(guān)，以及有應(yīng)急供電的廣播系統(tǒng)。在發(fā)生地震時(shí)候通過廣播，引導(dǎo)人們迅速有效地向原先設(shè)定的安全區(qū)域撤離。

2.2系統(tǒng)的布置

在我國地震所造成的傷亡主要由農(nóng)村的低層民居倒塌造成。低層的磚石砌體房屋抗水平能力較弱，并且建筑物本身自重較大，極易造成嚴(yán)重的倒塌傷害，這些區(qū)域宜多做布置。具體做法為：在房屋頂部安放，并連接蜂鳴器，報(bào)警器要有獨(dú)立的供電，可儲(chǔ)備電源以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，另為保險(xiǎn)起見，可選用機(jī)械報(bào)警裝置，即使出現(xiàn)設(shè)備斷電時(shí)仍然可以依靠拾取地震產(chǎn)生的地動(dòng)能量來實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

對(duì)于發(fā)生在夜間的災(zāi)害要遠(yuǎn)比白晝?cè)斐傻膿p失重大。如1976年3時(shí)42分53.8秒唐山發(fā)生里氏7.8級(jí)大地震，超過24萬人在地震中遇難，一是因?yàn)檎鹬袨槭兄行?，震?jí)較高，另外也是由于發(fā)生在夜間。預(yù)警器完全可以比人類自身更早地覺察到地震的發(fā)生，從而叫醒睡夢中的人們，避免慘劇地發(fā)生。

2.3功能特點(diǎn)

(1)電話預(yù)警、短信、大功率廣播預(yù)警發(fā)布。

布置在小區(qū)有專人看管的地方，比如門衛(wèi)室，地震來臨時(shí)，可以及時(shí)通過大功率廣播來提醒用戶。預(yù)警器可將地震信息傳遞給地震臺(tái)，然后由地震臺(tái)通過電話和短信預(yù)警。

(2)利用地震產(chǎn)生的動(dòng)能，預(yù)警器機(jī)械振動(dòng)報(bào)警。

在無供電的情況下，預(yù)警器將依靠自身振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音來提醒用戶，實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

(3)實(shí)時(shí)預(yù)警在斷電情況下即可利用動(dòng)能機(jī)械報(bào)警，并對(duì)居民樓內(nèi)部進(jìn)行報(bào)警提醒。

(4)單棟樓內(nèi)部開設(shè)雙線，一條與戶主相連，另一條與消防系統(tǒng)公用，作為應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)一部分。

(5)采用GSM/CDMA信道傳遞方式。

(6)對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行記錄，可提取，便于災(zāi)后研究。

(7)確定報(bào)警限值，可盡量避免誤報(bào)。

(8)采用警笛報(bào)警傳播特性好，穿透力強(qiáng)。

(9)采用微功耗設(shè)計(jì)，有震時(shí)激活，無震時(shí)自動(dòng)靜默。

該報(bào)警器可在每家每戶設(shè)置，然后通過GPS連接到地震臺(tái)網(wǎng)。共享地震臺(tái)網(wǎng)的信息，與之相輔相成更為有效地對(duì)地震的發(fā)生實(shí)施預(yù)警。

3　討論

地震預(yù)警與地震預(yù)報(bào)的不同之處在于：地震預(yù)警是通過確認(rèn)地震發(fā)生后，利用地震波縱橫波的傳遞時(shí)間差來進(jìn)行預(yù)警。地震速報(bào)則是在地震發(fā)生之時(shí)快速地向震源周邊地區(qū)發(fā)布預(yù)警信息。

首先我們需要了解地震預(yù)警系統(tǒng)的原理:地震的破壞主要來自地震波,而地震波包含P波(縱波)和S波(橫波)兩種形式，P波主要是上下的振動(dòng)，危害較小，傳遞速率較快，通常為6-7km/s。并且在一般情況下，P波的信號(hào)強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于背景噪聲，能輕易判定，這就給監(jiān)測提供了可能。地下的S波會(huì)使得建筑物進(jìn)行水平晃動(dòng),這就是地震時(shí)造成建筑物破壞最主要的因素。中國有個(gè)成語叫“迅雷不及掩耳之勢”，我們可以利用光與聲傳播速度的不同，提早掩住耳朵以避免雷聲沖擊。同理，也可以利用P波出現(xiàn)S波之間的速度差來立即作出反應(yīng)，以最大限度地減少災(zāi)害造成的損失[3]。

理論上來說，對(duì)于距震中30km的地區(qū)往往會(huì)有更為有效的時(shí)間進(jìn)行地震預(yù)警。分析汶川和青海的兩次地震造成的災(zāi)害，低矮民房因?yàn)樵O(shè)計(jì)的不規(guī)范以及使用年代久遠(yuǎn)等諸多問題，成為造成傷亡的主要因素，而快捷的地震預(yù)警可以讓低矮民房中的居民及時(shí)撤離，從而降低人員傷亡。

中國地震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)消息，從2013年10月31日吉林松原5.5級(jí)地震到12月8日16時(shí)，共記錄到地震事件712次，其中3.0級(jí)以上地震23次，包括5.0～5.9級(jí)5次，4.0～4.9級(jí)6次，3.0～3.9級(jí)12次。松原地區(qū)的地震頻發(fā)難免會(huì)使群眾恐慌，該預(yù)警器可以在這一地區(qū)廣泛布置，以應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的較強(qiáng)地震。因?yàn)樵撗b置成本低，安裝簡單，并且已通過國家的專利申請(qǐng)，有足夠的理論基礎(chǔ)，可用于彌補(bǔ)我國中小型城市的地震預(yù)警系統(tǒng)力所不及之處，以及應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的漏洞[4]。

4　結(jié)論

本項(xiàng)研究通過針對(duì)具體建筑物設(shè)計(jì)該建筑物的拾振預(yù)警系統(tǒng)，提供該建筑物的反應(yīng)預(yù)報(bào)。選用與該建筑物的第一地震周期相同的振子來模擬震時(shí)振動(dòng)。振子通過利用地動(dòng)激振(條件許可可采用電子輔助)，實(shí)現(xiàn)單棟房屋預(yù)警，再通過無線訊號(hào)與地震臺(tái)建立聯(lián)動(dòng)，由地震臺(tái)判斷預(yù)警器的收錄信息是否正確，從而實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的地震預(yù)警。另外該預(yù)警器中可用于記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)用于檢測地震發(fā)生時(shí)記錄地震三要素，記錄檔案可用于研究修訂當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度區(qū)劃。

[1]殷海濤,劉希強(qiáng),李杰,等.現(xiàn)今地震預(yù)警技術(shù)及其在國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r的探討[J].中國地震,2012,01:1-9.

[2]劉希強(qiáng).高斯線調(diào)頻小波變換及其在地震震相識(shí)別中的應(yīng)用[J].地震學(xué)報(bào),2002,24(6):607-616.

[3]李山有,金星,馬強(qiáng),等.地震預(yù)警系統(tǒng)與智能應(yīng)急控制系統(tǒng)研究[J].世界地震工程,2004,04:21-26.

[4]袁志祥,單修政,徐世芳,等.地震預(yù)警技術(shù)綜述[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2007,06:216-223.

張鵬程(1972-)，男，副教授，博士，主要從事建筑物防災(zāi)減災(zāi)方面的工作。

紀(jì)似玉(1990- )，男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)工程分析與研究。

Earthquake early warning system based on earthquake response of buildings

ZHANGPengchenJISiyu

(School of architecture and civil engineering，Xiamen 361005)

On the basis of the research of earthquake early warning, the thesis uses the vibrators with the same natural vibration period of housing to form the image simulation of the conditions of the housing in the earthquake, then can set an early warning of the tendency of risks and establish the in-time earthquake early warning system covering a range of areas with the early warning indicators as nerve cells.Thereafter, the long-term data accumulation of the system can be used to further perfect the earthquake intensity zoning map of China and predict the distribution characteristics of the crustal fault zone in the covered areas.

Buildings；Early warning device；Real-time early warning；Earthquake early warning

張鵬程(1972-)，男，副教授。

E-mail:zpcchina@yahoo.com.cn

2015-11-29

P315

A

1004-6135(2016)02-0109-04