廣西北流-廣東化州MS 5.2級(jí)地震地震動(dòng)峰值加速度特征

黃樹生 ,左天惠,韋王秋,3,潘岳怡,符 衡

（1.廣西壯族自治區(qū)地震局,南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)國(guó)情地理監(jiān)測(cè)院,南寧 530022；3.廣西工程防震研究院,南寧 530022）

0 引言

經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)后,目前廣西境內(nèi)形成了由固定自由場(chǎng)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站、一般站、基本站和基準(zhǔn)站組成的數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)。這一臺(tái)網(wǎng)為研究廣西及周邊地區(qū)地震的強(qiáng)震動(dòng)提供了便利。2019年10月12日在廣西北流發(fā)生了MS5.2級(jí)地震。地震發(fā)生后,通過收集廣西境內(nèi)的數(shù)字強(qiáng)震臺(tái)站數(shù)據(jù),計(jì)算了本次地震的峰值加速度,并結(jié)合豎向與兩個(gè)水平向地震動(dòng)峰值加速度的比值關(guān)系、震中距和場(chǎng)地條件,分析了本次地震的豎向地震動(dòng)特征。希望通過本次工作能為廣西工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析和工程抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)據(jù)

廣西強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)由國(guó)家“十五”重點(diǎn)項(xiàng)目—中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)項(xiàng)目廣西19個(gè)臺(tái)站、廣西地震烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)項(xiàng)目300個(gè)臺(tái)站均建設(shè)在自由場(chǎng)地面基墩上（本文標(biāo)記為土層）,北部灣地震烈度速報(bào)項(xiàng)目110個(gè)臺(tái)站安裝在學(xué)校樓房一層地面基墩（本文標(biāo)記為結(jié)構(gòu)一層）上。數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站使用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸,“十五”臺(tái)站數(shù)據(jù)采樣率為200 Hz其他臺(tái)站數(shù)據(jù)采樣率為100 Hz ,通過JOPENS軟件將數(shù)據(jù)匯集至臺(tái)網(wǎng)中心服務(wù)器,廣西強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)規(guī)模已覆蓋廣西轄區(qū)范圍。

圖1 研究區(qū)臺(tái)站分布與地質(zhì)關(guān)系簡(jiǎn)圖Fig. 1 The diagram of the relationship between the distribution of stations and geology in the study area

廣西北流—廣東化州5.2級(jí)地震發(fā)生后,共收集到50個(gè)臺(tái)站共150組強(qiáng)震數(shù)據(jù),其中豎向加速度數(shù)據(jù)50組。這50個(gè)臺(tái)站主要使用的儀器型號(hào)為GL-P2A型強(qiáng)震儀,2個(gè)臺(tái)站儀器型號(hào)為SYSCOM型強(qiáng)地震儀，1個(gè)臺(tái)站儀器型號(hào)為ETNA型強(qiáng)震儀，僅有5個(gè)臺(tái)站儀器型號(hào)為CMG-5TCDE型強(qiáng)震儀,各強(qiáng)震儀均安裝在地面基墩上。其中結(jié)構(gòu)臺(tái)站14個(gè),土層臺(tái)站36個(gè),其中研究區(qū)的臺(tái)站分布圖,見圖1。

2 方法

本文采用2015年3月1日中國(guó)地震局頒布的《儀器地震烈度計(jì)算暫行規(guī)程》算法對(duì)地震記錄選取和處理,使用港震公司SMAIAS軟件對(duì)強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,具體計(jì)算方法如下：

（1）基線校正。對(duì)強(qiáng)震儀獲取的記錄進(jìn)行基線校正處理,采用記錄時(shí)間過程減去地震事件前記錄的平均值,事件前記錄時(shí)間長(zhǎng)度30 s。

（2）數(shù)字濾波。采用巴特沃斯數(shù)字濾波器對(duì)地震動(dòng)加速度每個(gè)分向進(jìn)行0.1～10 Hz帶通濾波,濾波器通帶波紋小于0.5 dB,濾波器帶外衰減大于12 dB每倍頻程式。

本次工作共計(jì)算了水平向峰值加速度100組,豎向峰值加速度50組。

3 結(jié)果

為使本次地震的計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際情況，作者收集了東南一側(cè)廣東局3個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站數(shù)據(jù)，通過上述算法獲得各臺(tái)站的3個(gè)方向的峰值加速度,然后采用克里金法進(jìn)行插值獲得3個(gè)方向的峰值加速度等值線圖,再以這3張等值線圖為底圖,疊加區(qū)域斷裂、臺(tái)站位置及編號(hào)、方位角、震中距,得到3個(gè)方向的峰值加速度與區(qū)域斷裂帶、震中距的關(guān)系圖（圖2～圖4）。

結(jié)果表明在震中西側(cè)有多中心出現(xiàn)，且連續(xù)呈現(xiàn)近EW。震中東側(cè)數(shù)據(jù)不足暫不做討論。

圖2 南北向峰值加速度分布與震中距、構(gòu)造關(guān)系圖Fig.2 The relationship between the distribution of north-south peak acceleration distribution, the epicentral distance and structure

圖3 東西向峰值加速度分布與震中距、構(gòu)造關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the distribution of east-west peak acceleration distribution,the epicentral distance and structure

圖4 垂向峰值加速度分布與震中距、構(gòu)造關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the distribution of vertical peak acceleration distribution, the epicentral distance and structure

4 分析與討論

4.1 峰值加速度與震中距的關(guān)系

從宏觀上觀察（圖2～4）,三個(gè)方向上的峰值加速度最大值均出現(xiàn)在30 km以內(nèi),在30 km以內(nèi)迅速降低。將本次工作的結(jié)果與中國(guó)東部強(qiáng)震區(qū)5級(jí)地震的衰減關(guān)系[1]進(jìn)行了對(duì)比。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),0～30 km范圍內(nèi),3個(gè)方向的峰值加速度衰減明顯。而震中距大于30 km的峰值加速度中,大部分的峰值加速度大于東部5級(jí)強(qiáng)震區(qū)的峰值加速度衰減關(guān)系,只有小部分垂向峰值加速度和個(gè)別的水平向峰值加速度小于東部5級(jí)強(qiáng)震區(qū)的衰減關(guān)系。造成這種結(jié)果的原因,可能與研究區(qū)內(nèi)臺(tái)站的臺(tái)基有關(guān)。全國(guó)性的區(qū)劃圖的衰減關(guān)系實(shí)際上是一個(gè)平均的場(chǎng)地的衰減。而研究區(qū)中有14個(gè)臺(tái)是結(jié)構(gòu)臺(tái),地震動(dòng)傳入結(jié)構(gòu)后對(duì)地震動(dòng)有放大作用。而對(duì)地震動(dòng)的響應(yīng)是復(fù)雜的[2],土層臺(tái)對(duì)地震動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制仍不清楚。

圖5 廣西北流—廣東化州Ms 5.2級(jí)地震三方向峰值加速度與中國(guó)東部強(qiáng)震區(qū)峰值加速度衰減關(guān)系對(duì)比圖Fig.5 Comparison of attenuation relationship between the peak acceleration in three directions of the Beiliu-Huazhou Ms 5.2 earthquake and the peak acceleration in the strong earthquake area of eastern China

4.2 峰值加速度與地質(zhì)條件的關(guān)系

從圖1至圖4觀察,靠近斷層或在斷層上的10個(gè)臺(tái)（表1）附近出現(xiàn)加速度峰值密集區(qū),這些密集區(qū)呈現(xiàn)出等值線密集或峰谷（等值線封閉成低值或高值的區(qū)域）。江輝等[3]引入考慮震級(jí)和斷層距影響的地震動(dòng)衰減模型,并與既有的衰減模型進(jìn)行了對(duì)比,提出了一個(gè)新的近斷層區(qū)域峰值衰減模型。本文將靠近斷層的10個(gè)臺(tái)的數(shù)據(jù)與該模型進(jìn)行了對(duì)比（圖6）,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)近斷層或斷層上的臺(tái)站衰減明顯小于江輝等[3]的衰減模型關(guān)系,暗示研究區(qū)內(nèi)的斷層對(duì)本次地震的峰值衰減的影響并不明顯。

圖6 研究區(qū)近斷層（或斷層上）的臺(tái)站三方向峰值加速度衰減特征（底圖為江輝等,2011的衰減模型）Fig 6 Attenuation characteristics of peak acceleration in three directions of the station near the fault (or above the fault) in the study area

4.3 峰值加速度與斷裂關(guān)系

從圖2～圖4觀察，三分向峰值加速度在震中西側(cè)有多中心出現(xiàn)，且其連線呈現(xiàn)近EW。作者認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與斷裂有關(guān)聯(lián)。經(jīng)查閱資料，任鎮(zhèn)寰等（2016）的研究表明，陸川至信宜一線存在一條東西向-30-40×10-5m/s2的重力梯度異常帶，博白—浦北一線則出現(xiàn)北西西向的-20×10-5m/s2的重力梯度異常帶，后來經(jīng)過綜合解譯認(rèn)為深部存在一條東西向的“浦北—信宜斷裂”。對(duì)照本文結(jié)果中出現(xiàn)的多中心現(xiàn)象，與該東西向的重力異常梯度帶基本吻合。

4.4 工程意義

對(duì)于大跨度橋梁、高層房屋、核電站等工程的抗震設(shè)計(jì)者而言,豎向地震動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響是值得重視[4-5],因而加深對(duì)豎向地震動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)具有現(xiàn)實(shí)和工程意義[6]。目前的核心問題是在工程設(shè)計(jì)時(shí)豎向峰值加速度的取值問題。現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2010年版）和構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2012年版）中規(guī)定[7-8],在9度時(shí)的一些特定建筑和結(jié)構(gòu),其豎向地震影響系數(shù)的最大值可取水平影響系數(shù)最大值的65%。

將本次地震豎向峰值加速度與兩個(gè)水平方向峰值加速度分別作比值（UD/NS為豎向峰值加速度/南北向峰值加速度,UD/EW為豎向峰值加速度/東西向峰值加速度,下同）,共100組（圖7）。在比值大于1.0的組分里,30 km以內(nèi)的有3組（共4組）, 30～60 km范圍內(nèi)的有0組（共18組）, 60～90 km范圍內(nèi)的有3組（共22組）,＞90 km范圍內(nèi)的有6組（共56組）。

比值大于0.65小于1.0的組分里, 30 km以內(nèi)的有1組, 30～60 km范圍內(nèi)的有2組（共18組）, 60～90 km范圍內(nèi)的有5組（共22組）,＞90 km范圍內(nèi)的16組（共56組）。

圖7 垂向峰值加速度與水平向峰值加速度比值圖Fig.7 The ratio of vertical peak acceleration to horizontal peak acceleration

對(duì)工程抗震而言,如果僅從比值上考察,那么現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定是不足的。但是,峰值加速度均經(jīng)換算后大于0.05g（相當(dāng)于Ⅵ度）只有3組,這三組峰值加速度出現(xiàn)在同一個(gè)站,即本次工作中震中距最小的臺(tái)站（21 km）玉林烏石站,UD/NS 為 0.85 , UD/EW 為 1.05。

周正華等[4]通過研究國(guó)內(nèi)外數(shù)十次地震（ML≥5）的近場(chǎng)自由地表加速度記錄,并進(jìn)行近場(chǎng)加速度峰值比的統(tǒng)計(jì)分析后認(rèn)為,豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值不能簡(jiǎn)單地取為水平向設(shè)計(jì)譜值的2/3,并指出最大影響系數(shù)αmax的確定應(yīng)考慮近、遠(yuǎn)場(chǎng)的影響,在近場(chǎng)大于2/3 ,在遠(yuǎn)場(chǎng)小于2/3。本次工作的計(jì)算結(jié)果與周正華等[4]的建議有相同之處。

5 結(jié)論

通過上述計(jì)算、分析和討論后,可以獲得以下認(rèn)識(shí)：

（1）0～30 km范圍內(nèi),3個(gè)方向的峰值加速度衰減明顯。而震中距大于30 km的峰值加速度中,大部分的峰值加速度大于東部5級(jí)強(qiáng)震區(qū)的峰值加速衰減關(guān)系,只有小部分垂向峰值加速度和個(gè)別的水平向峰值加速度小于東部5級(jí)強(qiáng)震區(qū)的衰減關(guān)系。

（2）研究區(qū)三分向峰值加速度在震中西側(cè)有多中心出現(xiàn)，且其連線呈現(xiàn)近EW。

（3）研究區(qū)斷層對(duì)本次地震的峰值加速度衰減影響不明顯。

（4）豎向峰值加速度與兩個(gè)水平方向峰值加速度有超過1/3的比值大于0.65（36組/100組）。36組數(shù)據(jù)中只有3組數(shù)據(jù)的峰值加速度大于0.05 g,具有工程設(shè)防意義。