基于建筑物地震反應的地震預警系統

張鵬程　紀似玉

(廈門大學建筑與土木工程學院　福建廈門　361005)

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基于建筑物地震反應的地震預警系統

張鵬程紀似玉

(廈門大學建筑與土木工程學院福建廈門361005)

為完善地區抗震烈度區劃表，以及推演所覆蓋地區地殼斷裂帶的分布特征，在地震預警速報研究的基礎上，利用與房屋的自振周期相同的振子、鏡像模擬房屋震時反應，以對危險趨勢做出及時報警，以預警器為神經元，建立覆蓋一定地區地震及時預警系統。

建筑物；預警器；實時預警；地震災害；應急系統

0　引言

地震是一種自然現象，它與天體運動、地球氣候以及地殼結構的局部演變、改變等諸多因素有關，準確的預報地震難度很大。地震動可以摧毀地面建筑、橋梁等，有時也會誘發泥石流、核泄漏、火災等次生災害，從而造成人員傷亡以及設施損毀?！敖ㄔ炜拐鸱课荨焙汀凹皶r預警”是目前得到絕大多數科學家認可的有效的減少災難損失的方法。對地震災害的防范是龐大的系統工程，建立有效的地震預警系統是其中一項重要內容。

基于實時地震監測臺網所建立地震速報系統的原理主要是臺網拾取的異常地動信息可以通過電話或無線電波的傳播速度(300 000km/s)遠大于地面地震機械波波速(通常10km/s)，立刻發布速報信息，通知相關機構迅速做出防災反應。一次地震發生時，震源散發出的機械波中的縱波(P波)往往先于破壞性更大的橫波(S波)及其衍生波到達地面，對異常P波的拾取及速報可以收到更好的效果。相應的地震應急防災系統則是在收到速報信號之后，快速進行相關區域對地震敏感的交通、建筑設施停運，人員疏散，核電站關閉等。

目前全球已經發展了多套地震速報系統。如日本的UrEDAS、墨西哥SAS和SASO、美國ElarmS、土耳其的PreSEIS和SOSEWIN系統、我國臺灣地區試驗性預警系統、土耳其伊斯坦布爾市預警系統及羅馬尼亞布加勒斯特地震預警系統等。此外，美國加利福尼亞州及意大利等一些國家也在建設類似系統[1]；我國大陸也在研發基于實時傳輸測震臺網和強震動臺網的地震預警系統，并擬先在福建地區、首都圈地區和蘭州地區進行布設。

雖然這些系統各有自己的不同特點和優勢，但論其基本構成大致相同。主要由地震監測臺(網)、通訊系統、中央處理控制系統和對用戶的警報系統等4部分組成。其中核心技術室中央處理控制系統主要負責地震參數的測定。地震早期預警仍是一項復雜的系統工程，其高度集成、實時監控以及快速響應的特點，要求科技人員、政府和社會公眾等多方面共同合作才能發揮功效[1]。

1　基于建筑物地震反應的地震報警器

與大范圍的地動監測相比，如果對某個具體地點的具體建筑物在遭遇突發地震時是否有危險進行實時監測及時預警，則可以起到更有效的防災作用。它可以既準確又省去了信號傳輸過程，利于做出快速響應，即可以通過對建筑物、橋梁、隧道的遇震安全性進行監測并利用監測提供的預警信號實現實時速報。以工程結構自身作為“神經元”，以區域中具體建筑物、橋、隧設施為地震信息載體，通過監測、采集建筑物日常地震反應信息，繪制實時記錄圖表，發現異常時，及時鑒別，及時發出預警信號。

建筑物往往基于一個計算簡圖，設計參數來源于實驗測定，一個設計明確、施工精良的建筑物的地震反應與設計目標可以大致吻合。建筑的結構已經被設計得具備相當的承受力，利用它感知到最初的彈性振動到破壞性振動的間隙，一樣可以提醒其內以及周邊人員避險。

預警系統的建立可以通過在建筑物內安放如圖1所示的預警裝置。

建筑結構本身都有基本準確的振動特性，例如常用各類房屋在搖晃時都具有一個可估計的自振周期，而一旦遭遇可與其發生共振的地震動時，都是房屋最可能發生破壞的狀況?；诖罅康墓こ虣z測經驗，各類常用結構，通常可以利用表1所列的經驗公式，基本準確地估算一幢具體建筑物的最危險的振動周期(第一自振周期)。

表1　第一自振周期經驗算法

房屋結構按照設防烈度進行抗震設防，也可通過設定一個比設防烈度略小的預警烈度進行耐震預警。鏡像振子本身與所在房屋振動特性相同，振子的反應如果超過預警烈度則報警，沒超過則保持靜默。通過實時監控,當地震使房屋的側移角度達到預計破壞的最大側移角前，裝置作出報警反應，啟動預警系統。為避免受到人們日?；顒右约帮L、車輛引發振動等影響，微小而敏感的振子需要一個避風盒進行保護，并安裝在公共建筑底層易于觀測的位置。對于數量更大的民用住宅，可以安裝在臥床枕側的墻上，以利于夜間發生危險地震時及時報警，喚醒沉睡中的住戶。

一般情況下，地震發生時，速度快、危害小的P波會先行抵達地表。P波使得建筑物上下晃動，上下向的振子(Bob-Z axis)隨建筑物一起振動。如圖1所示，用剛度較小的薄鋼片來固定，當感受到振動時可以發出警報信號。同樣S波抵達時候，依靠左右方向的振子來實現報警。

各振子的振動屬于受迫振動，受迫振動是由周期性變化的激振力所引起，其振動的頻率等于激振力的頻率(或為激振力頻率的倍數)，可根據振子的振動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報警器的地區預警系統

2.1系統組成部分

2.1.1實時監控裝置

安放一個靈敏度高的預警器。該預警器能夠及時檢測到地震的發生，通過計算確定能夠使得建筑物發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發生破壞，并以此來發出預警信號。用一個指南針確定結構朝向；東-西、南-北、上-下振子可敲擊鈴鐺報警；振子與各自所代表的方向上的結構周期相同。當地震來臨時首先監測到P波，通過上下向的振子及時發出預警信號，對整棟樓發出警報，并把信號通過電纜發送到附近的地震臺網，對比系統中收錄的信號，進而推測地震發生的位置并計算較大振幅的S波會在何處抵達，從而完成對更大范圍的預警。

2.1.2P波檢測設置

P波的震動有上-下振動，破壞較弱，傳播速度較快的特點，目前主要通過對P波的拾取作為地震震級測定主要方法。本文旨在通過簡單機械進行地震發生的確定和通過簡單報警裝置實施居民樓內部的報警系統，不做準確測定。

目前人們已經發展了應用P波來估計地震災害的各種觀測參數，其中B-PV方法是通過振幅和B值來確定地震震級。B-PV方法：P波段地震波形的包絡可以用Sw0=B·t·exp(-At)·u(t)[2]來模擬，通過對一定數量地震擬合垂直分向P波速度記錄的包絡函數并反演求公式參數B和A。用M=algPv+blgB+c確定震級的方式來逆推破壞地震時P波振幅PV和B值。一般1～3級地震發生時只有精密儀器才能發現，3～5級地震會有輕微震感，但不會造成建筑物破壞，本預警器通過5級地震的B-PV方法確定的振幅值作為報警閾值。

因為P波上-下振動的特性，可通過上文方法確定破壞震級對應幅值，而后通過調整上-下振子距離響鈴的位置來擬合破壞震級對應幅值。

2.1.3報警器信號通訊設置

報警器宜布置于樓層頂部避免干擾的地區，另外還應布置于有專人負責的區域。當地震來臨時，首先樓層內的預警器發出預警信號，引發報警裝置，提醒居民。在每個居民房間內設置和預警器關聯的蜂鳴器，可以讓樓內居民可以盡早知曉地震的發生。同時當發生誤報時候，在專人看管區域可以通過手動來停止警報，避免造成恐慌。

報警器還兼有預警分級的作用，依據振動幅度將地震分為3個等級，即微感、有感、破壞震感。并采用GSM/CDMA信道傳遞方式，及時將地震信息傳遞出去。區域監控。與政府放在中心聯通。信號共通。無線發射器。信號由地震防災中心進行甄別并發布相關范圍預警信息。

2.1.4震時安全區域的設置

本系統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能夠躲避建筑物倒塌的區域。安全區域內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。這一點需要在設計時納入考慮，對已規劃完成的居民區，應合理選擇，實地考察后確定。

對于居民區可在門衛室設置大的警鈴開關，以及有應急供電的廣播系統。在發生地震時候通過廣播，引導人們迅速有效地向原先設定的安全區域撤離。

2.2系統的布置

在我國地震所造成的傷亡主要由農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，極易造成嚴重的倒塌傷害，這些區域宜多做布置。具體做法為：在房屋頂部安放，并連接蜂鳴器，報警器要有獨立的供電，可儲備電源以應對突發情況，另為保險起見，可選用機械報警裝置，即使出現設備斷電時仍然可以依靠拾取地震產生的地動能量來實現報警。

對于發生在夜間的災害要遠比白晝造成的損失重大。如1976年3時42分53.8秒唐山發生里氏7.8級大地震，超過24萬人在地震中遇難，一是因為震中為市中心，震級較高，另外也是由于發生在夜間。預警器完全可以比人類自身更早地覺察到地震的發生，從而叫醒睡夢中的人們，避免慘劇地發生。

2.3功能特點

(1)電話預警、短信、大功率廣播預警發布。

布置在小區有專人看管的地方，比如門衛室，地震來臨時，可以及時通過大功率廣播來提醒用戶。預警器可將地震信息傳遞給地震臺，然后由地震臺通過電話和短信預警。

(2)利用地震產生的動能，預警器機械振動報警。

在無供電的情況下，預警器將依靠自身振動所產生的聲音來提醒用戶，實現預警。

(3)實時預警在斷電情況下即可利用動能機械報警，并對居民樓內部進行報警提醒。

(4)單棟樓內部開設雙線，一條與戶主相連，另一條與消防系統公用，作為應急反應系統一部分。

(5)采用GSM/CDMA信道傳遞方式。

(6)對收集到的信號進行記錄，可提取，便于災后研究。

(7)確定報警限值，可盡量避免誤報。

(8)采用警笛報警傳播特性好，穿透力強。

(9)采用微功耗設計，有震時激活，無震時自動靜默。

該報警器可在每家每戶設置，然后通過GPS連接到地震臺網。共享地震臺網的信息，與之相輔相成更為有效地對地震的發生實施預警。

3　討論

地震預警與地震預報的不同之處在于：地震預警是通過確認地震發生后，利用地震波縱橫波的傳遞時間差來進行預警。地震速報則是在地震發生之時快速地向震源周邊地區發布預警信息。

首先我們需要了解地震預警系統的原理: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，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波的信號強度要遠大于背景噪聲，能輕易判定，這就給監測提供了可能。地下的S波會使得建筑物進行水平晃動,這就是地震時造成建筑物破壞最主要的因素。中國有個成語叫“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S波之間的速度差來立即作出反應，以最大限度地減少災害造成的損失[3]。

理論上來說，對于距震中30km的地區往往會有更為有效的時間進行地震預警。分析汶川和青海的兩次地震造成的災害，低矮民房因為設計的不規范以及使用年代久遠等諸多問題，成為造成傷亡的主要因素，而快捷的地震預警可以讓低矮民房中的居民及時撤離，從而降低人員傷亡。

中國地震臺網速報消息，從2013年10月31日吉林松原5.5級地震到12月8日16時，共記錄到地震事件712次，其中3.0級以上地震23次，包括5.0～5.9級5次，4.0～4.9級6次，3.0～3.9級12次。松原地區的地震頻發難免會使群眾恐慌，該預警器可以在這一地區廣泛布置，以應對可能發生的較強地震。因為該裝置成本低，安裝簡單，并且已通過國家的專利申請，有足夠的理論基礎，可用于彌補我國中小型城市的地震預警系統力所不及之處，以及應急聯動的漏洞[4]。

4　結論

本項研究通過針對具體建筑物設計該建筑物的拾振預警系統，提供該建筑物的反應預報。選用與該建筑物的第一地震周期相同的振子來模擬震時振動。振子通過利用地動激振(條件許可可采用電子輔助)，實現單棟房屋預警，再通過無線訊號與地震臺建立聯動，由地震臺判斷預警器的收錄信息是否正確，從而實現更大范圍內的地震預警。另外該預警器中可用于記錄振動數據用于檢測地震發生時記錄地震三要素，記錄檔案可用于研究修訂當地抗震設防烈度區劃。

[1]殷海濤,劉希強,李杰,等.現今地震預警技術及其在國內發展狀況的探討[J].中國地震,2012,01:1-9.

[2]劉希強.高斯線調頻小波變換及其在地震震相識別中的應用[J].地震學報,2002,24(6):607-616.

[3]李山有,金星,馬強,等.地震預警系統與智能應急控制系統研究[J].世界地震工程,2004,04:21-26.

[4]袁志祥,單修政,徐世芳,等.地震預警技術綜述[J].自然災害學報,2007,06:216-223.

張鵬程(1972-)，男，副教授，博士，主要從事建筑物防災減災方面的工作。

紀似玉(1990- )，男，碩士研究生，主要從事結構工程分析與研究。

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