云南漾濞6.4級(jí)地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)三要素基本特征分析

田文通,董建華,楊 博,趙律華

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.中國(guó)地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

北京時(shí)間2021年5月21日21時(shí)48分在云南省大理州漾濞縣境內(nèi)發(fā)生6.4級(jí)地震,震中位于25.67°N,99.87°E,震源深度8 km,地震造成3人死亡,32人受傷。根據(jù)云南省地震局發(fā)布的《云南漾濞6.4級(jí)地震烈度圖》,此次地震最高烈度為Ⅷ度,Ⅵ度區(qū)及以上面積約6 600 km2,共涉及大理州6縣市,其中Ⅵ度區(qū)土木房屋少數(shù)墻體開(kāi)裂、梭掉瓦,框架房屋個(gè)別墻柱、墻梁結(jié)合部位開(kāi)裂。Ⅶ度區(qū)土木房屋個(gè)別墻體倒塌,部分開(kāi)裂、梭掉瓦,磚混房屋、框架房屋少數(shù)墻柱、墻梁結(jié)合部位開(kāi)裂。Ⅷ度區(qū)土木房屋個(gè)別柱腳位移,少數(shù)墻體倒塌,部分局部倒塌,多數(shù)開(kāi)裂、墻體外閃,普遍梭掉瓦,磚混房屋部分墻體開(kāi)裂;框架房屋部分墻柱、墻梁結(jié)合部位開(kāi)裂,少數(shù)剪裂[1-2]。

強(qiáng)震動(dòng)記錄是認(rèn)識(shí)和研究地震動(dòng)特征、巖土及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的最直接和重要的基礎(chǔ)資料,對(duì)工程抗震而言,強(qiáng)震動(dòng)的特性可以通過(guò)地震記錄的幅值、頻譜、持時(shí)等關(guān)鍵要素表征,目前已廣泛應(yīng)用于地震場(chǎng)地反應(yīng)分析、震害預(yù)測(cè)評(píng)估、區(qū)域抗震設(shè)防等方面[3-4],如溫瑞智等[5]研究了蘆山7.0級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)記錄與震害的相關(guān)性;王文才等[6]利用強(qiáng)震動(dòng)記錄研究了云南通海地震的地面運(yùn)動(dòng)和場(chǎng)地反應(yīng)特性,取得了可靠的研究結(jié)果。

本文利用中國(guó)數(shù)字化強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(CDSMON)布設(shè)在云南漾濞6.4級(jí)地震震區(qū)的28個(gè)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)站捕獲到的84條三分向加速度波形記錄,以地震動(dòng)的幅值、反應(yīng)譜、持時(shí)為研究對(duì)象,分析了此次地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的基本特征,旨在為本次地震的場(chǎng)地反應(yīng)、災(zāi)害評(píng)估、地震動(dòng)影響場(chǎng)估計(jì)以及抗震設(shè)防等提供參考[7-8]。

1 強(qiáng)震動(dòng)記錄收集與處理

漾濞6.4級(jí)地震中有28個(gè)臺(tái)站獲得地面運(yùn)動(dòng)加速度記錄,其中包括云南強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)25個(gè)臺(tái),四川強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)3個(gè)臺(tái)。圖1所示為此次地震的主震、余震、強(qiáng)震臺(tái)位置和斷層分布情況。28個(gè)記錄臺(tái)站分布在距震中8.6～351.2 km的范圍內(nèi),其中100 km以內(nèi)5個(gè)臺(tái),100～200 km有6個(gè)臺(tái),200～300 km有13個(gè)臺(tái),其余4個(gè)臺(tái)的震中距大于300 km。為了避免零線偏移對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果的影響,首先利用地震事件前20 s的數(shù)據(jù)對(duì)捕獲的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線調(diào)整[9],然后運(yùn)用低頻截止頻率為0.05 Hz的4階Buttworth高通濾波器濾波,以消除低頻干擾信號(hào),最后對(duì)校正后的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行積分,得到可靠的速度時(shí)程曲線,表1所示為震中距200 km內(nèi)記錄臺(tái)站的基本信息及強(qiáng)震動(dòng)參數(shù)。

圖1 觸發(fā)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution of strong motion stations and main shock

表1 強(qiáng)震動(dòng)記錄相關(guān)參數(shù)Table 1 Some related parameters of strong motion records

2 地面運(yùn)動(dòng)特征分析

2.1 幅值特征

由表1可知,漾濞臺(tái)(53YBX)記錄的地面運(yùn)動(dòng)幅值最大,其東西、南北、垂直向加速度峰值(PGA)分別為-379.9 cm/s2、-720.3 cm/s2、-448.4 cm/s2,速度峰值(PGV)分別為30.4 cm/s、-29.8 cm/s、-7.2 cm/s;53BTH和53LKT臺(tái)站由于處于基巖場(chǎng)地,其觀測(cè)記錄的幅值較小,其余土層臺(tái)記錄的PGA隨距離的增大總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。圖2為經(jīng)基線校正后53YBX臺(tái)三分向的加速度和速度時(shí)程曲線。

圖2 53YBX臺(tái)加速度時(shí)程和速度時(shí)程Fig.2 The acceleration and velocity time-history curves of 53YBX station

利用表1的地震動(dòng)參數(shù),通過(guò)計(jì)算各臺(tái)水平向記錄PGA和PGV的幾何平均值,并采用克里金插值方法得到震中區(qū)域PGA、PGV水平向的等值線(圖3)?？梢钥闯龃舜蔚卣鸬腜GA和PGV等值線圖均呈北西-東南方向展布,這與地震宏觀烈度調(diào)查圖的長(zhǎng)軸走向具有很好的一致性。

圖3 震中附近水平向PGA和PGV等值線圖Fig.3 Contour map of horizontal PGA and PGV near the epicenter

2.2 反應(yīng)譜特征

根據(jù)震中距最近、幅值較大的6個(gè)臺(tái)捕獲的強(qiáng)震記錄,通過(guò)計(jì)算其單自由度線彈性體系的加速度反應(yīng)譜(阻尼比取5%),并與我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)[10]規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)譜比較,如圖4所示。其中53YBX、53DLY、53YPX、53BCJ強(qiáng)震臺(tái)建于中硬土上,屬于Ⅱ類場(chǎng)地,53BTH和53LKT為基巖場(chǎng)地臺(tái)站。根據(jù)規(guī)范GB 50011-2010規(guī)定53YBX、53DLY、53BCJ、53BTH和53LKT所在區(qū)域設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為Ⅷ度設(shè)防,53YPX所在永平縣為Ⅶ度設(shè)防區(qū)域。53YBX和53YPX臺(tái)采用第三組設(shè)計(jì)地震動(dòng),其余臺(tái)站均采用第二組。

由圖4可知:(1)53YBX臺(tái)在0.05～0.15 s的周期內(nèi),三分向的譜加速度均為“單峰”型,且不同程度的大于Ⅷ度罕遇地震的設(shè)計(jì)譜值,其中EW向的反應(yīng)譜值遠(yuǎn)大于其余兩分向的反應(yīng)譜值。在0.15～0.45 s的平臺(tái)周期內(nèi),三分向的譜加速度值均低于Ⅷ度罕遇地震的設(shè)計(jì)譜值,但EW和NS向的幅值仍然大于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計(jì)譜值。甚至在0.45～1.5 s的中等周期范圍內(nèi),53YBX臺(tái)EW和NS向的反應(yīng)譜幅值也不同程度的大于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計(jì)譜值。因此，本次地震在53YBX臺(tái)附近，自振周期在上述范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物，將產(chǎn)生比較嚴(yán)重的破壞。(2)由《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]可知,震區(qū)中小城鎮(zhèn)主要建筑的自振周期為0.3～1 s,而53DLY臺(tái)EW和NS向的譜加速度值僅在0.05～0.1 s的范圍內(nèi)大于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計(jì)譜值,在0.1～3.0 s的周期范圍內(nèi)始終小于Ⅷ度設(shè)防地震的設(shè)計(jì)譜值。因此,從作用周期范圍看,本次地震對(duì)53DLY臺(tái)附近進(jìn)行了Ⅷ度設(shè)防的建筑物影響較小。(3)53SPX臺(tái)由于UD向傳感器故障,僅計(jì)算出水平向的譜加速度,可以看出EW向的譜加速度顯著大于NS向的譜加速度,并且在0.45～1.5 s的中等周期范圍內(nèi)大于Ⅶ度多遇地震的設(shè)計(jì)譜值,但始終小于Ⅶ度設(shè)防的地震設(shè)計(jì)譜,說(shuō)明地震動(dòng)傳播到53SPX臺(tái)附近時(shí),從幅度看已不足以對(duì)當(dāng)?shù)貪M足抗震設(shè)防要求的建筑物構(gòu)成嚴(yán)重威脅。(4)53BCJ臺(tái)的反應(yīng)譜值始終小于Ⅷ度多遇的地震設(shè)計(jì)譜值,53BTH和53LKT臺(tái)由于是基巖場(chǎng)地臺(tái)站,其反應(yīng)譜值遠(yuǎn)小于附近土層臺(tái)站記錄的反應(yīng)譜值,也始終小于Ⅷ度多遇地震的設(shè)計(jì)譜。

圖4 觀測(cè)記錄的反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較Fig.4 Comparison between the response spectrum of observation records and design response spectrum

2.3 持時(shí)特征

當(dāng)?shù)卣饎?dòng)使結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系超過(guò)彈性極限時(shí),持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),引起結(jié)構(gòu)的破壞越嚴(yán)重。目前有30多種持時(shí),但主要分為絕對(duì)持時(shí)和相對(duì)持時(shí)2類。其中Td(5%～95%)相對(duì)持時(shí)定義為5%～95%的Arias強(qiáng)度之間的時(shí)間間隔[12-13]。表1列出了各臺(tái)站對(duì)應(yīng)的Td(5%～95%)相對(duì)持時(shí)的計(jì)算結(jié)果。為更好地描述此次地震持時(shí)的空間變化規(guī)律,采用式(1)對(duì)各臺(tái)站處記錄的地震動(dòng)持時(shí)進(jìn)行曲線回歸。

Td=c1+c2R+σ

(1)

式中:Td為相對(duì)持時(shí);R為震中距,采用最小二乘法得到回歸系數(shù)c1和c2,以及標(biāo)準(zhǔn)差σ列于表2中。

表2 持時(shí)與斷層距空間變化關(guān)系的回歸系數(shù)Table 2 Regression coefficient of the relationship between duration and spatial variation of fault distance

由圖5中的回歸曲線可以看出,隨著斷層距的增加,三個(gè)方向上的地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間均增大,53YBX和53DLY的持時(shí)相對(duì)擬合曲線而言離散性較大,可能由于震中距小于40 km的記錄數(shù)量較少造成的。當(dāng)震中距為零時(shí),圖5中曲線與縱軸的截距對(duì)應(yīng)的持時(shí)為震源持續(xù)時(shí)間,由式(1)計(jì)算的Td(5%～95%)持時(shí)在EW、NS、UD三個(gè)方向上擬合得到的震源持續(xù)時(shí)間分別為13.06 s、11.43 s、10.22 s。根據(jù)震源破裂過(guò)程反演結(jié)果[14],此次地震能量主要集中在前約8～10 s內(nèi)釋放完畢。可見(jiàn)由擬合曲線計(jì)算的震源持續(xù)時(shí)間與主震震源破裂過(guò)程持續(xù)時(shí)間基本一致,符合實(shí)際震源能量釋放過(guò)程。

圖5 Td(5%～95%)持時(shí)與震中距的關(guān)系Fig.5 The relationship between Td(5%～95%)and epicenter distance

3 結(jié)論

利用云南、四川強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)在2021年云南漾濞6.4級(jí)地震中捕獲的84條三分向加速度記錄,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)處理,從地震動(dòng)的幅值、反應(yīng)譜、持時(shí)三要素方面研究了此次地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的基本特征,得到如下結(jié)論:

(1)震中附近水平向PGA和PGV等值線圖與烈度調(diào)查圖的走向基本相同,可以為震后快速應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)害評(píng)估、地震動(dòng)影響場(chǎng)估計(jì)和未來(lái)區(qū)域抗震設(shè)計(jì)提供參考依據(jù);

(2)不論從幅值還是作用周期來(lái)看,本次地震都會(huì)對(duì)53YBX臺(tái)附近的建(構(gòu))筑物造成一定的破壞影響,但對(duì)53DLY、53SPX臺(tái)附近符合抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的建筑影響較小。此外,兩個(gè)基巖臺(tái)記錄的地震動(dòng)幅值遠(yuǎn)小于同等震中距土層臺(tái)的值;

(3)Td(5%～95%)持時(shí)在EW、NS、UD三個(gè)方向上擬合得到的震源持續(xù)時(shí)間在10.22～13.06 s間,與震源破壞過(guò)程反演結(jié)果對(duì)應(yīng)的地震矩釋放過(guò)程相似。

致謝:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所為本研究提供數(shù)據(jù)支持,云南省地震局從事強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的工作人員在數(shù)據(jù)的收集整理過(guò)程中付出了辛勤勞動(dòng),以及甘肅省地震局王文才工程師對(duì)數(shù)據(jù)處理提供的幫助,在此表示感謝。