唐山丰南M4.1级地震强震记录分析1

冉志杰 杨歧焱 周月玲 孙丽娜 吕国军 孟立朋 范 强 彭远黔

（河北省地震局，石家庄 050022）

引言

唐山老震区位于河北平原地震构造带上，断裂构造发育，地震活动频繁，1976年 7月28日唐山7.8级地震就发生在该地区（梅世蓉等，1982）。近年来唐山地区中小地震活跃，2010年4月9日18时52分在唐山市丰南区发生了4.1级地震，北京、天津等地有明显震感。地震发生后，津冀地区获取了多个台站强震记录，本文对此次地震的强震记录进行分析。

1 地震参数

据河北省地震台网测定，2010年4月9日18时52分在唐山市丰南区发生4.1级地震，震中位置为：北纬39.47°，东经118.06°，震源深度13km。

2 发震构造背景

唐山老震区周围被 4条断裂围限，其南界是宁河-昌黎断裂，北界是榛子镇（丰台镇-野鸡坨）断裂，二者走向都是北东东向；东界是滦县-乐亭断裂，西界是蓟运河断裂，二者走向均呈北西向（虢顺民等，1977）。唐山地震及余震主要沿上述断裂所控制区域内的唐山断裂带分布（图1）。

唐山断裂带主要由唐山-古冶断裂、陡河断裂、唐山-巍山-长山断裂、王兰庄断裂组成（郭慧等，2011）：

（1）唐山-古冶断裂（F4）：西南段走向北东30°，东北段走向50°。断裂南端被1条近东西向横断裂（丰南断裂）所切，全长约30km。唐山以南一段由2条平行的断层组成，两断层间距约500m，断面倾向北西，倾角70°－80°，西边1条为逆断层，东边1条为正断层。唐山-古冶断裂为全新世活动断裂。

（2）陡河断裂（F2）：断裂为北东走向，由南、北两段组成。东北段为倾向北西的正断层，西南段由2条相距约200m的平行小断层组成，断面都倾向北西，正断层，全长约50km。

（3）唐山-巍山-长山断裂（F3）：由一些断断续续的北东向断层组成，多为向北西倾的逆断层，以挤压逆冲性质为主，断面多沿地层层面分布。断层长约20km。

（4）王兰庄断裂（F9）：在王兰庄一带展布2条断裂，称之为王兰庄西支断裂和王兰庄东支断裂，它们分别是唐山-丰南断裂、碑子院-丰南断裂向南延伸段，彼此间呈右阶错列，分别长约18km。总体走向北东，均倾向东，上新统底部砾岩被其断开40—300m。1976年唐山7.8级地震余震沿王兰庄断裂东支和王兰庄南-汉沽断裂密集成带。此次 4.1M 级地震就发生在王兰庄断裂附近。

图1 唐山丰南M4.1级地震发生的构造背景图Fig. 1 Tectonic background of Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake

3 台站获取记录情况

3.1 观测台站

津冀地区共有36个强震动台站（台站位置见图1）获得了 4.1M 级地震记录，台站均建在土层上，部分台站分布在地震活动断裂带及其附近。观测仪器采用三种类型，如表1所示。三种仪器从性能上虽各有其差异，但记录效果基本一致。

表l 强震仪类型Table 1 The seismometers used for strong motion record

3.2 观测记录情况

36个强震动台站共获取107条加速度记录，对所获得的加速度记录进行了波形数据的基线校正、0.01—80Hz的数字滤波，最终获取地震加速度记录峰值如表2所示；图2为距震中最近的胥各庄台和最远的静海台加速度波形记录。

表2 获取的地震加速度记录结果Table 2 The records of earthquake acceleration

续表

图2 胥各庄台（左）和静海台（右）唐山丰南M4.1级地震加速度时程记录Fig. 2 Acceleration time-history used for Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake record from Xugezhuang station (L) and Jinghai station (R)

4 强震记录分析

4.1 加速度时程

在距震中11.9—120.07km范围内，记录到的最大水平加速度峰值为58.92cm/s2，最大竖向加速度峰值为 22.24cm/s2，加速度峰值总体呈现随震中距增大而减小趋势，沿北东向断裂附近的台站两水平分量加速度峰值相差较明显，达1.0—3.5倍，如唐山、汉沽盐场、七里海、和平地办。水平分量峰值加速度均比竖向峰值加速度大，东西分量为竖向峰值加速度的0.87—4.36倍，南北分量为竖向峰值加速度的0.96—8.07倍，大于一般认为的1/2—2/3水平，强震动具有竖向分量偏高的特点。随着震中距R的增大，南北分量加速度峰值比东西分量大。将两水平分量加速度峰值与竖向分量加速度峰值进行统计分析得到如下关系式：

式中，PGAv为竖向分量加速度峰值；PGAh为水平分量加速度峰值。

由图3可见，水平分量加速度峰值在大于15cm/s2时样点较为离散，显示出距震中较近的台站水平分量与竖向分量的加速度峰值差别较大。

图3 水平分量与竖向分量加速度峰值统计结果Fig. 3 The horizontal and vertical peak value of acceleration

4.2 地震动衰减

地震动峰值是地震动的主要参数之一，一般建筑抗震设计中最常用的地震动峰值是水平加速度峰值。强震动加速度记录一般为三分向纪录，即2个相互垂直的水平分量和1个垂直分量。按照定义，水平加速度峰值应该是 2个相互垂直的水平分量的矢量合成的最大值PGAH，但在有关地震加速度峰值的研究中，由于矢量合成比较麻烦，所以大部分是采用 2个水平分量中的较大绝对值或2个分量的均值近似作为加速度峰值PGAH。本文采用2个水平分量的最大值矢量合成的加速度峰值的绝对值PGAH，即记录水平向矢量合成的加速度峰值的绝对值PGAH由下式计算得到：

利用台站获取的加速度峰值，按照常用的地震动峰值衰减模型Ⅰ和衰减模型Ⅱ确定地震动衰减关系（崔建文等，2006），地震动峰值衰减模型采用如下形式：

式中，Y为加速度峰值（gal）；M为震级；R为震中距（km）；0R是近场饱和因子；0c～3c为回归的系数，其中0c为常数项，ε为统计分析误差项。

采用多元线性回归拟合得到地震动的峰值加速度随震级和震中距变化的规律，衰减模型Ⅱ中0R分别取2、4、8、10、20进行统计回归试算，以统计回归方差最小者确定其值，通过试算确定02R= 。经多元线性回归拟合得到地震动加速度峰值衰减关系如下：

衰减模型Ⅰ：

衰减模型Ⅱ：

上述衰减关系式中HY为水平向加速度峰值；VY为竖向加速度峰值；M为震级；R为震中距；δ为方差；r为相关系数。

对比衰减模型Ⅰ、模型Ⅱ的回归参数δ和r可见衰减模型Ⅱ更能够体现地震动衰减特征。

4.3 加速度傅氏谱

地震记录中包含了许多极为丰富的振动频率，不同地区的主要振动频率不同，结构物本身具有自身的不同频率和复频响应，因而在不同频率振动作用下，结构振动便不相同。为了避免地震作用下结构发生共振现象，确保结构安全，因而必须对地震的频率成份进行分析。

通过对36条加速度记录数据进行傅氏谱分析计算，结果见表2；图4为胥各庄台和静海台傅氏谱分析结果。由表2和图5可见，东西分量加速度谱峰值在2.3—9.8Hz之间，南北分量加速度谱峰值在2.1—9.8Hz之间，竖向谱峰值在2.3—17.7Hz之间，总体而言东西分量的谱峰值比南北分量和竖向分量大。在震中距19.43—75.68km之间，随着震中距的增加，东西分量加速度谱峰值呈现减小趋势，之后谱峰值呈现增大趋势，而南北分量和竖向分量没有这样的特征。通常震中距越远，地震动记录中的长周期（低频）越显著，但本次地震无该显著特征，可能是受震源机制的影响。

根据傅氏谱计算结果将谱型分为三种类型：①单峰值型，傅氏谱峰值仅有1个主峰值；②双峰值型，傅氏谱峰值有2个主峰值；③多峰值型，傅氏谱峰值有2个以上主峰值。单峰值型傅氏谱31条，双峰值型傅氏谱35条，多峰值型傅氏谱41条。单峰值型比例为28%，双峰值型比例为32%，而多峰值型傅氏谱比例为40%。其加速度傅氏谱谱型多以多峰值为主，这与台址所处的土层有关，其频率成分丰富。

图4 傅氏谱分析结果Fig. 4 Results from Fourier spectrum analysis

图5 傅氏谱峰值（频率）随震中距变化图Fig. 5 Fourier spectrums’ Peak value (frequencies) v.s. epicenter distance

4.4 加速度反应谱

随着震中距R的增大，反应谱高频成分的衰减快于低频成分，长周期（T>1.0s）成分随着R的增大而显著增多（图6）。两水平分量反应谱在高频段的差别较大，南北分量的反应谱衰减快于东西分量，随着R的增大反应谱的卓越周期增大，竖向卓越周期的增长快于水平分量，在高频段随着R的增大竖向分量比水平分量衰减慢。

规准反应谱是确定地震作用的重要工具，也是地震工程中研究的重点，规准反应谱（或称为标准反应谱、放大系数谱）就是将地震动加速度反应谱分别除以对应地震动的最大值，纵坐标一般用β 表示，它反映了单质点体系在地震作用下的最大反应对地震动峰值的放大情况。图7为36组地震记录的东西分量（EW）、南北分量（NS）和竖直分量（UD）规准反应谱曲线，从图7可以看出：

（1）在小于0.3s的周期段，两水平向谱曲线的形状相似，在大于0.3s的周期段，竖直分量谱曲线比两水平分量谱曲线的形状较尖锐。

（2）两水平分向的谱值差别不大。

（3）在小于0.1s的短周期段，两水平分量与竖直分量谱值相差不大，当谱周期大于0.3s后，竖直分量谱值高于两水平分量。

采用平均反应谱的标定方法对36组强震记录加速度反应谱进行标定（图7），得到唐山丰南M4.1级地震土层场地规准反应谱，结合唐山地区131个土层台站共288组地震记录（3.5级以上地震）反应谱的标定结果（图8），获得唐山地区土层场地反应谱谱形参数，其结果见表3。

表3 场地反应谱参数值Table 3 Parameters of site response spectrum

表中gT、1T、maxβ分别为反应谱的特征周期值、第一拐点周期值、放大系数最大值。《中国地震动参数区划图（GB 18306-2010）》（中华人民共和国国家标准，2001）将场地特征周期分为0.35s、0.40s和0.45s三档，唐山地区属0.35s档。《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》（中华人民共和国国家标准，2010）将区划图中的0.35s和0.40s的区域作为设计地震的第一组，取值0.35s，而将区划图中为0.45s的区域多数作为设计地震的第二组，取值0.40s，唐山地区在该规范中为设计地震第一组取值0.35s。由上述强震记录反应谱标定结果可见，唐山地区水平向特征周期值大于该规范的规定值0.35s，maxβ值的优势分布在2.5，并与国际上采用的结果相同，而《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》将其设定为2.25。

在一般情况下，竖向加速度约为水平向的1/2—2/3。由上述标定结果可见竖向地震动maxβ与水平向的maxβ相同，因此，需要进一步对竖向加速度反应谱进行研究，获得可靠合理的参数。

图6 震中距对反应谱的影响Fig. 6 The effect of epicenter distance on response spectrum

图7 唐山丰南M4.1级地震加速度规准反应谱Fig. 7 Normalized acceleration response spectrum of Tangshan-Fengnan 4.1M earthquake

图8 唐山地区土层场地加速度反应谱Fig.8 Acceleration response spectrum for soil site in Tangshan area

5 结论

（1）唐山丰南M4.1级地震，津冀地区共有36个强震台站获取到强震动加速度记录，在距震中11.9—0.07km范围内，记录到的最大水平加速度峰值为58.92cm/s2，最大竖向加速度峰值为22.24cm/s2。

总体而言，竖向的谱峰值比水平向大，无论是水平分量还是竖向分量，其加速度傅氏谱谱型多以多峰值为主。

（2）随着震中距R的增大，反应谱的高频成分衰减快于低频成分，长周期（T>1.0s）成分随着R的增大而显著增多。随着R的增大反应谱的卓越周期增大，竖向卓越周期的增长快于水平分量，在高频段竖向分量随着R的增大比水平分量衰减慢。

南北分量为竖向峰值加速度的0.96—8.07倍，以及反应谱竖向地震动maxβ与水平向的相同，均与一般认为的竖向加速度约为水平向的1/2—2/3差别较大，因此，需要进一步开展竖向加速度记录的研究。

根据本次强震动记录加速度反应谱标定所获得反应谱参数，具有地域性，对唐山地区的工程抗震设计具有适用性和指导意义。

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