汶川地震強震動記錄分析及應用

彭小波

1）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080

2）江蘇省地震局，南京210014

汶川地震強震動記錄分析及應用

彭小波1，2）

1）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080

2）江蘇省地震局，南京210014

地震工程的研究手段主要包括：震害調查、強震觀測、模型試驗和數值分析。由于大地震本身較少，同時造成嚴重震害并且獲得強震動記錄的大地震就更少，一般的研究就更多地集中在利用模型試驗和數值分析方面，而基于震害調查和強震觀測的研究較少，在國內這一點更為突出，我國雖然是一個遭受地震災害非常嚴重并且對地震進行記錄和研究最早的國家，但是，在汶川地震之前近斷層強震動記錄一直非常匱乏。2008年5月12日發生在四川省的汶川8.0級大地震震動強度大、影響范圍廣，對我國造成了巨大的經濟損失和人員傷亡，再一次表明了抗震減災工作的必要性和重要性。在這次地震中收集到了大量的近斷層強震動記錄，并且在震后進行了大量的震害調查工作，這兩項資料極大的豐富了我國大地震和震害的研究素材，為對汶川地震展開科學研究工作奠定了基礎。本文利用近斷層強震動記錄和建筑物的現場調查資料，以強震記錄為主線首先對近斷層強震動記錄進行了校正處理、分析了速度和位移特征，然后利用強震動記錄估算了地面傾斜情況，接著利用近斷層強震動記錄反演了本次地震的震源破裂分布情況，最后分析了震害分布的特征及其和強震動參數之間的相關性，得到了以下一些認識和成果：

（1）系統回顧了自強震動儀發明和應用以來，在模擬記錄和數字記錄兩階段對近斷層加速度記錄進行校正的發展歷程和方法，分析了6類噪音源的影響，把校正方法分成兩類5種，分析了每種方法的要點，并明確提出了評估校正結合合理性的6條準則。指出了汶川地震中記錄漂移的復雜性，把漂移類型分成了6大類，其中起始漂移和復雜漂移為首次提出。分析了零線調整數據選取不同造成的校正誤差，明確指出使用地震波到達之前部分要優于整個事前部分。根據漂移特征，改進了單段式和雙段式校正方法，并提出了分部校正方法。研究了校正前后加速度的差異，指出對峰值影響很小，而傅里葉譜和反應譜在長周期部分（約15 s以上）可能會有極大差異。根據校正結果研究了速度脈沖的單雙側性和周期特征，給出了脈沖幅值在14 cm／s以上的存在區域，分析了上下盤、方向性效應對速度脈沖的影響。并通過PGV／PGA的比值分析了對脈沖的判斷，指出存在脈沖時該比值要明顯大于沒有脈沖時的情況。利用小波分析方法給出了控制速度和位移的加速度成分，顯示了三者不同的頻段特性。結合GPS結果指出了位移場的特征，并統計了永久位移同斷層距之間的關系。比較了PGA、PGV、PGD以及RGD之間的關系，對定性判斷各個值的大小提供了基本參考。最后分析了單、雙側濾波的影響，結果表明，濾波后的PGV、PGD和RGD同真實結果會有很大的差異。

（2）根據傳感器擺的運動方程，分析了地面傾斜對三分量加速度記錄影響的差異，表明地面傾斜對水平向記錄可能產生明顯的影響，影響的頻段主要集中在低頻部分。介紹了基于傅里葉譜比和小波變換從加速度記錄中估算地面傾斜值的方法，并使用譜比法計算了主震中近斷層36個臺站和6個余震中12個臺站處的地面傾斜值，結果表明主震中的地面傾斜基本在1.0°以下，部分臺站處存在地面殘余傾斜值。傾斜結果表明，發生0.1°傾斜的地方基本在斷層距30 km以內，在斷層距100 km以外或者均方根加速度值小于200 cm／s2時則很少發生0.01°以上的地面傾斜情況。根據主震傾斜結果分析了離中央地表破裂跡線和前山地表破裂跡線最近的兩個臺站傾斜、斷層法線和平行向傾斜、上下盤地面傾斜以及逆沖段和走滑段傾斜、譜比與傾斜等情況的特征和差異。余震傾斜結果表明，很少出現大于0.001°以上的地面傾斜值，在5.3級以下地震引發0.001°以上傾斜的可能性非常低。進一步分析了水平向記錄地面傾斜和積分漂移之間的關系，結果表明，傾斜對應的低頻段積分結果基本上與整個記錄的積分重合，但是相對于漂移的普遍性，估算出存在明顯傾斜的臺站要少很多，并根據校正前后傅里葉譜比的差異探討了特征頻率的合理取值。

（3）總結回顧了基于觀測記錄反演震源過程的研究進展，分析了使用遠場測震記錄和近場強震記錄進行反演之間的差異。系統地闡述了使用近斷層強震記錄進行反演中涉及的震源理論、模型離散和方程形成、相關約束、反演理論以及多時間窗反演等相關內容，提出了使用條件數來確定約束因子的方法并使用數值算例進行了驗證。結合汶川地震的地質構造背景、地表破裂調查數據和既有的反演結果，建立了單一平面破裂模型，對比選擇了適當的發震時刻作為起始時刻，指出了強震記錄地震波初到時的選取方法并校正了選取的120 km以內的44個臺站記錄的到時。根據反演能力把子斷層劃分為5 km×5 km，共計512個子源，結合分辨能力的要求和記錄中噪音的特征，確定了用于反演的速度時程的頻段為0.05～1 Hz。利用程序包COMPSYN計算理論地震圖，并對其進行了適當的修改以便于進行反演方程的形成，利用非負最小二乘方法計算了1～4個時間窗下不同約束權重和數據組時斷層面上滑動量的分布，結果同地表破裂調查結果和既有的反演結果之間的主要特征符合得較好。

（4）回顧了我國震害評估的歷史和發展，介紹了震害指數的提出和使用方法，并總結對比了其在行業標準和國家標準中的發展過程。介紹了汶川地震中使用震害指數對170個調查場點5類建筑物的調查結果，結合實際震害分析了斷層、地形和土層對建筑震害的影響情況。統計給出了5類建筑的震害指數和烈度區的關系，結果顯示了2008版中國地震烈度表中對建筑分類的合理性，分析了在Ⅵ度和Ⅺ度區內平均震害指數異常的原因。分析了震害指數離斷層距增加而衰減的特點，指出使用雙對數線性關系可以較好地表示這種衰減關系，給出了相關的擬合參數。利用震害指數對比和衰減特征分析了5類建筑的抗震能力的差異，并指出建筑震害之間具有高度線性相關性。提出歸一化方法對PGA和震害指數之間的關系進行分析，指出歸一化后的水平向記錄的PGA衰減曲線和磚混建筑的比較接近，而豎向偏低。選用與強震臺站相距在0.1°以內的調查點分析了震害指數與PGA、PGV以及反應譜峰值之間的線性相關性，結果表明磚混和磚木建筑同PGA、PGV的線性相關系數在0.7～0.8之間，而老舊建筑與其相關系數基本在0.3以下，并且總體上與PGA和PGV的相關性沒有明顯區別。建筑震害指數與反應譜峰值的線性相關性與此前兩類比較接近，總體上來說使用時程峰值或者反應譜峰值來預測磚混和磚木建筑的震害情況會更為可靠。

基線校正；速度脈沖；永久位移；地面傾斜；震源反演；震害指數；相關性

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.05.010

（作者電子信箱，彭小波：xiaobo＿peng＠163.com）