云南漾濞6.4級地震強地面運動三要素基本特征分析

田文通,董建華,楊 博,趙律華

(1.蘭州理工大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730050;2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

北京時間2021年5月21日21時48分在云南省大理州漾濞縣境內發生6.4級地震,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。根據云南省地震局發布的《云南漾濞6.4級地震烈度圖》,此次地震最高烈度為Ⅷ度,Ⅵ度區及以上面積約6 600 km2,共涉及大理州6縣市,其中Ⅵ度區土木房屋少數墻體開裂、梭掉瓦,框架房屋個別墻柱、墻梁結合部位開裂。Ⅶ度區土木房屋個別墻體倒塌,部分開裂、梭掉瓦,磚混房屋、框架房屋少數墻柱、墻梁結合部位開裂。Ⅷ度區土木房屋個別柱腳位移,少數墻體倒塌,部分局部倒塌,多數開裂、墻體外閃,普遍梭掉瓦,磚混房屋部分墻體開裂;框架房屋部分墻柱、墻梁結合部位開裂,少數剪裂[1-2]。

強震動記錄是認識和研究地震動特征、巖土及結構地震反應的最直接和重要的基礎資料,對工程抗震而言,強震動的特性可以通過地震記錄的幅值、頻譜、持時等關鍵要素表征,目前已廣泛應用于地震場地反應分析、震害預測評估、區域抗震設防等方面[3-4],如溫瑞智等[5]研究了蘆山7.0級地震強震動記錄與震害的相關性;王文才等[6]利用強震動記錄研究了云南通海地震的地面運動和場地反應特性,取得了可靠的研究結果。

本文利用中國數字化強震動觀測網絡(CDSMON)布設在云南漾濞6.4級地震震區的28個強震動觀測站捕獲到的84條三分向加速度波形記錄,以地震動的幅值、反應譜、持時為研究對象,分析了此次地震強地面運動的基本特征,旨在為本次地震的場地反應、災害評估、地震動影響場估計以及抗震設防等提供參考[7-8]。

1 強震動記錄收集與處理

漾濞6.4級地震中有28個臺站獲得地面運動加速度記錄,其中包括云南強震動臺網25個臺,四川強震動臺網3個臺。圖1所示為此次地震的主震、余震、強震臺位置和斷層分布情況。28個記錄臺站分布在距震中8.6～351.2 km的范圍內,其中100 km以內5個臺,100～200 km有6個臺,200～300 km有13個臺,其余4個臺的震中距大于300 km。為了避免零線偏移對數據結果的影響,首先利用地震事件前20 s的數據對捕獲的強震動觀測數據進行基線調整[9],然后運用低頻截止頻率為0.05 Hz的4階Buttworth高通濾波器濾波,以消除低頻干擾信號,最后對校正后的加速度時程曲線進行積分,得到可靠的速度時程曲線,表1所示為震中距200 km內記錄臺站的基本信息及強震動參數。

圖1 觸發強震動臺站分布圖Fig.1 Distribution of strong motion stations and main shock

表1 強震動記錄相關參數Table 1 Some related parameters of strong motion records

2 地面運動特征分析

2.1 幅值特征

由表1可知,漾濞臺(53YBX)記錄的地面運動幅值最大,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臺站由于處于基巖場地,其觀測記錄的幅值較小,其余土層臺記錄的PGA隨距離的增大總體呈現減小趨勢。圖2為經基線校正后53YBX臺三分向的加速度和速度時程曲線。

圖2 53YBX臺加速度時程和速度時程Fig.2 The acceleration and velocity time-history curves of 53YBX station

利用表1的地震動參數,通過計算各臺水平向記錄PGA和PGV的幾何平均值,并采用克里金插值方法得到震中區域PGA、PGV水平向的等值線(圖3)。可以看出此次地震的PGA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查圖的長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 反應譜特征

根據震中距最近、幅值較大的6個臺捕獲的強震記錄,通過計算其單自由度線彈性體系的加速度反應譜(阻尼比取5%),并與我國《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)[10]規定的抗震設計譜比較,如圖4所示。其中53YBX、53DLY、53YPX、53BCJ強震臺建于中硬土上,屬于Ⅱ類場地,53BTH和53LKT為基巖場地臺站。根據規范GB 50011-2010規定53YBX、53DLY、53BCJ、53BTH和53LKT所在區域設防標準為Ⅷ度設防,53YPX所在永平縣為Ⅶ度設防區域。53YBX和53YPX臺采用第三組設計地震動,其余臺站均采用第二組。

由圖4可知:(1)53YBX臺在0.05～0.15 s的周期內,三分向的譜加速度均為“單峰”型,且不同程度的大于Ⅷ度罕遇地震的設計譜值,其中EW向的反應譜值遠大于其余兩分向的反應譜值。在0.15～0.45 s的平臺周期內,三分向的譜加速度值均低于Ⅷ度罕遇地震的設計譜值,但EW和NS向的幅值仍然大于Ⅷ度設防地震的設計譜值。甚至在0.45～1.5 s的中等周期范圍內,53YBX臺EW和NS向的反應譜幅值也不同程度的大于Ⅷ度設防地震的設計譜值。因此，本次地震在53YBX臺附近，自振周期在上述范圍內的建(構)筑物，將產生比較嚴重的破壞。(2)由《住宅設計規范》[11]可知,震區中小城鎮主要建筑的自振周期為0.3～1 s,而53DLY臺EW和NS向的譜加速度值僅在0.05～0.1 s的范圍內大于Ⅷ度設防地震的設計譜值,在0.1～3.0 s的周期范圍內始終小于Ⅷ度設防地震的設計譜值。因此,從作用周期范圍看,本次地震對53DLY臺附近進行了Ⅷ度設防的建筑物影響較小。(3)53SPX臺由于UD向傳感器故障,僅計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的中等周期范圍內大于Ⅶ度多遇地震的設計譜值,但始終小于Ⅶ度設防的地震設計譜,說明地震動傳播到53SPX臺附近時,從幅度看已不足以對當地滿足抗震設防要求的建筑物構成嚴重威脅。(4)53BCJ臺的反應譜值始終小于Ⅷ度多遇的地震設計譜值,53BTH和53LKT臺由于是基巖場地臺站,其反應譜值遠小于附近土層臺站記錄的反應譜值,也始終小于Ⅷ度多遇地震的設計譜。

圖4 觀測記錄的反應譜與設計反應譜比較Fig.4 Comparison between the response spectrum of observation records and design response spectrum

2.3 持時特征

當地震動使結構應力-應變關系超過彈性極限時,持續時間越長,引起結構的破壞越嚴重。目前有30多種持時,但主要分為絕對持時和相對持時2類。其中Td(5%～95%)相對持時定義為5%～95%的Arias強度之間的時間間隔[12-13]。表1列出了各臺站對應的Td(5%～95%)相對持時的計算結果。為更好地描述此次地震持時的空間變化規律,采用式(1)對各臺站處記錄的地震動持時進行曲線回歸。

Td=c1+c2R+σ

(1)

式中:Td為相對持時;R為震中距,采用最小二乘法得到回歸系數c1和c2,以及標準差σ列于表2中。

表2 持時與斷層距空間變化關系的回歸系數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,三個方向上的地震動持續時間均增大,53YBX和53DLY的持時相對擬合曲線而言離散性較大,可能由于震中距小于40 km的記錄數量較少造成的。當震中距為零時,圖5中曲線與縱軸的截距對應的持時為震源持續時間,由式(1)計算的Td(5%～95%)持時在EW、NS、UD三個方向上擬合得到的震源持續時間分別為13.06 s、11.43 s、10.22 s。根據震源破裂過程反演結果[14],此次地震能量主要集中在前約8～10 s內釋放完畢。可見由擬合曲線計算的震源持續時間與主震震源破裂過程持續時間基本一致,符合實際震源能量釋放過程。

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

3 結論

利用云南、四川強震動觀測網絡在2021年云南漾濞6.4級地震中捕獲的84條三分向加速度記錄,通過對數據處理,從地震動的幅值、反應譜、持時三要素方面研究了此次地震強地面運動的基本特征,得到如下結論:

(1)震中附近水平向PGA和PGV等值線圖與烈度調查圖的走向基本相同,可以為震后快速應急響應、災害評估、地震動影響場估計和未來區域抗震設計提供參考依據;

(2)不論從幅值還是作用周期來看,本次地震都會對53YBX臺附近的建(構)筑物造成一定的破壞影響,但對53DLY、53SPX臺附近符合抗震設計規范的建筑影響較小。此外,兩個基巖臺記錄的地震動幅值遠小于同等震中距土層臺的值;

(3)Td(5%～95%)持時在EW、NS、UD三個方向上擬合得到的震源持續時間在10.22～13.06 s間,與震源破壞過程反演結果對應的地震矩釋放過程相似。

致謝:中國地震局工程力學研究所為本研究提供數據支持,云南省地震局從事強震動觀測的工作人員在數據的收集整理過程中付出了辛勤勞動,以及甘肅省地震局王文才工程師對數據處理提供的幫助,在此表示感謝。