日本建筑研究所的強震動觀測臺陣網＊

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震動觀測臺陣網＊

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 臺陣網建設

日本建筑研究所（Building Research Institute of Japen，BRI）成立于1942年，原為日本財政部建筑司領導的一個建筑研究組，1948年更名為建筑研究所，2001年成為獨立行政法人機構。1952年日本十勝沖發生8.2級大地震后，日本政府和土木工程界為了更加詳細地了解地震時地面運動特征和建筑物的反應，于1957年開始施行日本的強地面運動地震觀測計劃（The Strong－Motion Earthquake Observation Project）。在該計劃中，日本建筑研究所在日本的大城市里建設了47個建筑物結構地震觀測點。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市11個不同場地條件的井下強震動觀測臺陣（圖1）。這11個觀測臺陣相互之間的間距僅3～4km，且每一個臺陣都在地面、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）發生M7.2級地震，地震奪去6 000余人生命以及造成1 000億美元的經濟損失。人們在救災的過程中認識到一條重要的經驗，那就是當地震發生時，應盡快得到地震的烈度分布和震害發展趨勢的信息。為此，日本建筑研究所在1996年又在東京城區新增了20個建筑結構觀測臺陣。臺陣分布以東京為中心，成放射狀向外延展（圖2）。

這些臺陣組成了日本大城市的強震動觀測臺陣網（BRI Strong Motion Network）（圖3），且以市政電話線與建筑研究所建立數據聯系。

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

圖2 日本東京城區建筑物結構地震反應強震動觀測臺陣分布（圖片來自http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm）

圖3 日本建筑研究所強震動觀測臺陣網臺陣分布（圖片來自http：∥smo.kenken.go.jp/smn）

儀器的布設方式是由觀測目的決定的，典型的地面觀測的儀器布設方式如圖4所示。如果是為了觀測地震時地表面的運動，儀器通常布設在堅硬的自由場地或淺埋在地下。如果是為了調查表層地質的影響，就必須布設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在如基巖一類的堅硬層上。圖5展示的是建筑結構地動觀測的儀器典型布設方式。為了調查建筑結構的地震響應，至少必須在建筑的基底和頂部各安裝一套傳感器。根據建筑物的大小，有時還必須在建筑中增加傳感器，例如，對于高層建筑，為了更進一步了解它的自然響應模式，就必須在它的中間樓層增設傳感器。而對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甚至更多的傳感器。土壤與結構的相互影響關系，是評估地震力對建筑結構影響的一個重要課題，為了在地震波傳播過程中得到觀測點場地效應、土壤與結構相互關系，以及建筑物的結構反應狀態，在建設臺陣時，不僅在建筑物的結構上布設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，組成了一個綜合型建筑結構地震反應觀測臺陣。

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

圖5 建筑結構測點典型布設示意圖（圖片來自http：∥smo.kenken.go.jp/smn/sensorconf）

為了了解在建筑中地震振動的輸入機制，需要布設一個高密度監測臺陣，以實施對建筑及其周圍地面進行全面的觀測。例如，日本建筑研究所在本所的城市減災研究中心（The BRI Urban Disaster Mitigation Research Center）大樓的配樓布設的臺陣就屬該類臺陣。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了4個（12通道）加速度傳感器，在配樓上也安裝了11個（33通道）傳感器，而且在大樓附近的地表層也安裝了7個（21通道）加速度傳感器（圖6）。1998年大樓建成時，該觀測系統就已安裝完畢并開始運行。到目前為止，已獲得了大量的有價值的結構地震反應記錄數據。

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

2 臺陣網記錄儀器

日本建筑研究所的強震動觀測臺陣網目前采用8種型號的數字化記錄儀：AJE－8200、Altus Etna、Altus K2、KSG－xxSB、SENDAI、SMAC－MD、SMAC－MDU和SMAR－6A3P。其中既有日本國內生產的儀器也有國外先進國家生產的儀器。所用儀器的主要技術指標見表1。

3 臺陣的記錄數據

到目前為止，BRI的臺陣網已經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。前一個地震系列記錄是日本第一個來自災難性地震的記錄，后者最大PGA超過1g。1993年釧路（Kushiro）地震時，布設在釧路（Kushiro）的日本氣象廳（JMA）氣象臺臺陣的地表測點記錄到了711cm/s2的最大峰值加速度。另外，1994年三陸（Sanriku）地震時，新建的八戶（Hachinohe）市市政廳大樓觀測臺陣的第6層測點記錄到的地震峰值加速度達到1g。雖然這次地震對新建的樓房損害較輕，但鄰近的老舊房屋損失慘重。該記錄對研究建筑物的破壞過程非常有價值。

臺陣網的儀器記錄數據文件是一個帶.ac擴展名的ASCII文本文件。其行是由CRLF方式劃分的。一個ac文件能夠包含儀器記錄的數個通道數據。它的格式如下：

第一行包含下列信息：

1－10列：記錄數據的日期（yyyy/mm/dd）；

12－19列：被采樣的第一個數據時間（hh/nn/ss），它可以是臺站當地的地區時間。

21－23列：數據文件記錄的通道數；

表1 日本建筑研究所建筑結構地震反應觀測臺陣網記錄儀器主要技術指標來源于的(http:∥smo.kenken.go.jp/“BRI strong motion network”-Strong motion instrument)

25－27列：采樣率（Hz，每秒采樣數）；

29－33列：每個通道的數據數量，且所有通道的數據數量都是相同的；

35列至最后列：臺站信息。標準的格式是“編碼：描述”。編碼是臺站的編碼（在BRI臺網中只能是唯一的名稱縮寫），描述指對臺站的描述，通常是臺站的完整名稱，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：該通道的識別標記，通常由方位角（或方位）和區域編碼組成，中間用連接符“－”隔開。方位角由3個數字和1個從北右旋的角度數組成，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：峰值出現的步長；

31－40列：原始數據處理所用的偏移；

41－50列：原始數據處理時的標定系數；

第三行及以下行：

均為數據行。加速度數據占10列，每行包括8個值。

每通道數據都有道頭文件和數據塊，下面給出一個實例（表2）（http：∥smo.kenken.go.jp/smn/acfile）。

表2 數據實例

在臺陣網的數據庫中用戶可以檢索到地震信息、臺站信息和記錄數據信息，也能看到記錄波形和反應譜。有些地震的記錄數據可以直接從數據庫中下載。

數據庫目前存放的數據有：

（1）仙臺網1986—1998年的觀測數據。

（2）1990年以來BRI臺網可以下載的記錄數據為：

① 地面或地層里記錄到的數據；

② 建筑結構地震反應記錄到的數據。

如果用戶使用BRI庫的數據公開發表研究結果，請遵照下列要求：

1.不允許直接將數據傳給第三者；

2.請明確標明數據的來源；

3.將發表文章的副本傳給BRI；

有些建筑結構記錄數據的下載是有條件的，如用戶需要，可與BRI聯系。

本文根據http：∥www.kenken.go.jp和http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm網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。