基于强地震动记录的两次Ms7.0级地震破坏能力对比研究

王东明， 高永武

(中国地震灾害防御中心， 北京 100029)

2017年08月08日21时19分，在四川阿坝州九寨沟县(北纬33.20°，东经103.82°)发生Ms7.0级地震，震源深度20 km。这是我国继2008年Ms8.0级汶川地震、2010年Ms7.1级玉树地震、2013年Ms7.0级芦山地震之后的又一次破坏性浅源强烈地震。虽然，本次地震震级为Ms7.0级，但其对建筑结构的破坏程度较2013年同为Ms7.0级的芦山地震明显偏低。为了深入剖析本次地震的破坏能力，本文以同样震级的芦山地震为参考[1-3]，基于国家强震动台网中心提供的两次强震动记录，设定震中距小于55 km，PGA大于等于50 gal为筛选条件，筛选得到芦山地震中5个台站10条水平强地震动记录和九寨沟地震中3个台站6条水平强地震动记录。以此为基础数据对每个强地震动记录提取其41种地震动强度参数[4]。同时，为了考虑地震动的频谱特性对不同结构的影响，求取每条地震动记录的V2时-频反应谱，并在其基础上得到与周期一一对应的累计动能曲线[5]，基于两次地震强震动记录的累计动能曲线比较研究其对结构破坏作用的强弱。为了更加直观分析两次地震对建筑物的破坏能力，建立111种集中质量结构简化模型，以筛选地震动作为输入进行了弹塑性时程分析，提取每种结构集中质量处的最大层间位移和最大楼层加速度峰值，研究两次地震对结构和安装在结构楼板上的设备或附属构件的破坏能力[6-7]。通过对比研究，定量的阐述了九寨沟地震较芦山地震破坏能力较小的原因，为科学解释九寨沟地震震害偏轻提供依据。

1 地震动强度参数对比分析

九寨沟地震中中国地震台网中心共获得强震数据66组，其中PGA最大的强震记录为九寨百河强震台，距震中30.50 km，东西、南北、垂直向加速度峰值分别为-129.5、-185.0、-124.7 gal。对于Ms7.0级破坏性地震距震中30.50 km处的该条记录，从PGA角度并不算大。为了更加深入分析本次地震破坏性，我们从已获得的强震动记录中筛选出震中距小于55 km且PGA大于50 gal的强震动数据作为分析对象，本次地震共有3组数据符合条件，具体信息见表1。按照相同条件，对芦山地震获得的强地震记录进行筛选，共有5个台站符合要求，表1给出了符合条件的芦山地震动记录信息。

表1 两次地震符合筛选条件的水平向地震动Tab.1 The selected horizontal strong ground motions from the two Ms 7.0 earthquakes

① 地震动参数序列排号：①PGA②PGV③PGD④Ars⑤Vrs⑥Drs⑦aRMS⑧vRMS⑨dRMS⑩AriasIcPaPvPdArmsVrmsDrmstDFajfarAriasIMIdIvIaPSAPSVPSDSaavgSvavgSdavgEPAEPVEPDASIVSIDSISICAVCADCAIV/AD/V

进行地震动强度参数分析前，首先对已筛选地震动记录进行零线矫正和0.1～40 Hz的滤波处理[8]，然后提取每一条地震记录的41种地震动强度参数①。对两次地震记录的地震动强度参数分别取均值，为了实现41种地震动强度参数能够同时比较，以九寨沟地震动强度参数均值为基准，对芦山地震动强度参数均值标准化，如图1所示。各地震动强度参数标准化值与基准线比较可以发现，除V/A和D/V两个地震动强度参数比值小于1，其余39种地震动参数标准值均大于1，即39种芦山地震动强度参数均值大于九寨沟地震动强度参数均值。经两次地震获取地震动记录强度参数均值对比发现，两次地震均为Ms7.0级，震源所释放的能量相同，但由于震源深度、地质构造等差异，41种地震动强度参数均值中95.12%的芦山地震动强度参数大于九寨沟地震动强度参数，最小为1.24倍，最大高达11.49倍。地震动强度参数的大小在一定程度上能表征输入地震动破坏能力的强弱，通过地震动强度参数均值对比，得出芦山地震的破坏能力要强于九寨沟地震。

图1 地震动强度参数标准化Fig.1 Normalized of ground motion intensity parameters

2 地震动累计动能曲线比较分析

建筑物的破坏虽与输入地震动强度参数大小有关，然而地震动强度参数相同的两条记录对同一结构的破坏作用也存在一定的差异。所以，建筑物的破坏不但要考虑输入地震动强度参数，而且还应考虑结构动力特性与输入地震动的频谱特性间的相关性。为了更加深入研究两次地震对建筑物的破坏能力，本文参考文献[5]中基于V2时-频反应谱(V2TFRS)[9]提出的累计动能曲线，对筛选出的地震动记录从时-频和累计动能方面进行对比研究。

累计动能曲线基于时-频反应谱(V2TFRS)提出。对于具有某一固有周期Ti的单自由度体系，在时刻t的动能Ei(t)可以表示为

(1)

(2)

式中:ts、te为地震时程起止时间;V2(t,Ti)为地震动V2TFRS中截取的一条周期为Ti的谱曲线。

图2给出了对两次地震筛选得到每条强震动记录的累计动能曲线。分别求取两次地震筛选得到强震动记录的累计动能曲线均值并进行对比，由图中比较发现，各周期处芦山地震的累计动能曲线均值均大于九寨沟地震的累计动能曲线均值。特别是多数结构特征周期分布的0.1～3.0 s区间，芦山地震累计动能曲线均值是九寨沟地震累计动能曲线均值的4.0倍～19.3倍。两次地震累计动能曲线均值在4.2 s处相差最小，芦山地震为九寨沟地震的1.3倍。由两次地震累计动能曲线均值对比分析，芦山地震在每个自振周期处均大于九寨沟地震，特别是0.1～3 s间芦山地震的累计动能曲线均值是九寨沟地震累计动能曲线均值的4倍以上。因此从平均意义上说九寨沟地震较芦山地震的破坏作用必然偏低。

图2 两次地震累计动能曲线对比Fig.2 Comparison of accumulative kinetic energy curve of two earthquake ground motion records

3 两次地震对建筑物的破坏分析

3.1 建立模型

为了分析九寨沟地震对建筑物破坏能力偏低的原因，本文基于Ⅷ度设防，层高为3 m，建立了111种简化集中质量模型，考虑结构在强地震作用下的非线性，引入两种层间滞回模型考虑不同结构类型在地震动输入下各层的受力与变形规则，其中参数的确定参考文献[10-11]的方法，对于框架结构的层间滞回规则采用修正的Clough模型，砖混结构和框-剪结构采用捏拢模型[12]反应其层间的受力和变形规则。为了更好地反应框-剪结构弯曲变形对分析结果的影响，本文采用了考虑弯剪耦合的集中质量模型，详细过程参考文献[13]。因我国不同建造年代所依据抗震规范有所差异[14-15]，本文按照建造年代分为1978年之前、1979—1989年间和1989年之后三个阶段，111种集中质量简化模型中包括1～6层砖混结构、1～15层框架结构和10～25层框剪结构，其对应建筑物模型分类及编号见表2。

表2 建筑物模型分类Tab.2 Buildings inventory

3.2 结果分析

以筛选地震记录为输入对111种集中质量简化模型进行弹塑性分析，提取每一种结构集中质量处的位移和加速度响应，对比研究两次地震对结构和安装在结构楼板上的设备或附属构件的破坏作用。

结构整体破坏状态的判断有较多参数，如改进的Park-Ang损伤指标[16]、整体破坏指(OSDI)[17]、顶点位移、最大层间位移角等，其中最大层间位移角是判断结构整体破坏状态简单有效的参数之一，美国HAZUS[18]中也使用了该参数表征结构不同破坏状态限值。本文根据文献[14-15]对中国建筑物的建筑年代、设防水准在HAZUS中选择合适的能力曲线和易损性参数用于中国的建筑物抗震能力评估的研究，给出本文建筑物所对应的破坏状态最大层间位移角限值，见表3～5。根据位移响应得到每一种结构的最大层间位移，并求其最大层间位移角作为判断结构在输入地震动作用下的破坏指标。图3给出了每条地震动输入下各种结构的最大层间位移角分布，其中黑色“·”和“*”分别表示芦山地震动和九寨沟地震动作为输入各结构的最大层间位移角。由图3可知，以芦山地震动记录作为输入得到的各结构最大层间位移角多数大于九寨沟地震动记录作为输入得到的最大层间位移角。虽然，九寨沟地震中最大PGA的51JZB-NS记录作为输入得到的结构最大位移角大于部分芦山地震记录作为输入得到的最大层间位移角，当对两次地震记录输入得到的最大层间位移角平均值对比研究可以发现，芦山地震得到的最大层间位移角均值是九寨沟地震的2.47倍～4.63倍。通过两次地震动记录作为输入提取111栋建筑物最大层间位移角均值的对比研究，可以得出九寨沟地震对建筑物的破坏能力要低于芦山地震。尽管九寨沟地震中的最大PGA地震动记录的破坏能力也较强，但从最大层间位移角均值分析，九寨沟地震对建筑物破坏能力明显要低于芦山地震，该结论也与两次地震实际震害程度相对吻合。同时还可以发现，两次地震记录输入得到最大层间位移角的均值和最大值间存在较大差异，因此，震后应急中仅采用最大PGA地震动记录作为判断地震破坏能力可能会高估实际地震的破坏作用。建议震后应急中，在保证应急时效性的前提下，既要分析最大PGA强震动记录的破坏能力，也要尽可能多的考虑其它台站地震动记录的破坏能力，综合给出该地震的破坏性估计。

表3 1978年之前建筑物不同破坏状态层间位移角限值Tab.3 Interstory drift ratio limits of different structural damage states of buildings before 1978

表4 1979—1989年间建筑物不同破坏状态层间位移角值Tab.4 Interstory drift ratio limits of different structural damage states of buildings in 1979—1989

表5 1989年之后建筑物不同破坏状态层间位移角值Tab.5 Interstory drift ratio limits of different structural damage states of buildings after 1989

图3 筛选地震记录输入得到111种结构最大层间位移角Fig.3 The maximum interstory drift ratio of 111 structures obtained from the analysis by taken screened strong motion records as input

最大楼层加速度峰值在一定程度上可以作为评估地震对安装在结构楼板上设备或附属构件的需求指标。为了研究两次地震对此类设备或附属构件的破坏性，图4给出了两次地震记录输入得到各结构最大楼层加速度峰值。由图4中各结构最大楼层加速度峰值分布趋势可以发现，芦山地震大部分大于九寨沟地震，虽然九寨沟地震中最大PGA的51JZB-NS记录对安装在结构楼板上设备或附属构件也具有较强的破坏作用，但是，其值仍然小于芦山地震所产生的最大楼层加速度峰值均值。因此，基于最大楼层加速度峰值作为安装在结构楼板上设备或附属构件的需求指标，芦山地震对此类设备或附属构件的破坏能力要大于九寨沟地震，其均值为1.44倍～3.43倍。同时还可以发现，两次地震对不同结构类型的最大楼层加速度峰值也存在较大差异，其中对砖混结构其均值差异较小为1.44倍～2.12倍，框架结构为1.71倍～3.03倍，而框-剪结构为2.72倍～3.43倍。基于不同结构最大楼层加速度峰值对比可以得出，两次地震对安装在结构楼板上的设备或附属构件的破坏能力存在一定差异，安装在砖混结构楼板上的设备或附属构件，两次地震对其破坏能力差异较小，而安装在框-剪结构楼板上的设备或附属构件，芦山地震的破坏能力要大于九寨沟地震。由于地震动的频谱特性存在的差异，对安装在结构楼板上的设备或附属构件破坏能力分析中最大楼层加速度峰值仅是一个参考指标，更严格的比较还应做频谱等相关参数的全面研究。

图4 筛选地震记录输入111种结构最大楼层加速度峰值Fig.4 The maximum peak floor acceleration of 111 structures obtained from the analysis by taken screened strong motion records as input

图5给出了以表3～表5中不同极限状态层间位移角限值指标，两次地震对111种结构的破坏状态的情况。表6和表7分别给出了两次地震引起不同结构类型的破坏状态，芦山地震使砖混结构呈现1.11%轻微破坏、54.44%中等破坏和44.44%严重破坏；而九寨沟地震仅51JZB-NS记录使得第14号建筑出现了严重破坏，其余砖混结构轻微破坏为12.04%，中等破坏为87.04%。对于框架结构，芦山地震10条地震动引起破坏状态为基本完好9.33%、轻微破坏85.78%、中等破坏4.89%；而九寨沟地震使得框架结构基本完好为65.93%，轻微破坏为34.07%。对于框-剪结构，芦山地震引起了33.75%轻微破坏，而九寨沟地震的6条地震动作用下均为基本完好。根据上述两次地震筛选所得地震动作为输入而导致的111种结构的破坏状态分析表明，芦山地震的破坏作用不论砖混结构还是框架结构均比九寨沟地震强。对于抗震性能较好的框-剪结构，芦山地震也导致了33.75%的轻微破坏，而九寨沟地震均为基本完好。依据两次地震筛选地震动记录对111种结构的破坏状态的比较结果，得出芦山地震的破坏性要强于九寨沟地震。

表6 芦山地震引起不同结构类型破坏状态Tab.6 Different types of structural damage states cause by Lushan earthquake

表7 九寨沟地震引起不同结构类型破坏状态Tab.7 Different types of structural damage states cause by Jiuzhaigou earthquake

图5 两次Ms7.0级地震作用下111种结构的破坏状态Fig.5 Damage states of 111 structures under two Ms7.0 earthquakes records

4 结 论

设定震中距小于55 km，PGA大于等于50gal为筛选条件，基于中国强震台网中心获得的芦山地震和九寨沟地震的强震动数据筛选出满足条件的16条强地震记录，分别提取每一条地震记录的地震动强度参数和基于V2TFRS的累计动能曲线并进行对比研究。建立不同建造年代、结构类型和层数的111种简化模型，采用符合筛选条件的强震记录为输入进行弹塑性时程分析，提取每一种结构最大层间位移和最大楼层加速度峰值，研究两次同级地震对结构和安装在结构楼板上的设备或附属构件的破坏能力。得出以下结论：

(1) 对每条筛选的地震动记录提取41种地震动强度参数，对比分析两次地震动强度参数均值，除V/A和D/V两种地震动强度参数芦山地震略小于九寨沟地震外，其它地震动强度参数芦山地震明显大于九寨沟地震。虽然，各地震动强度参数比值并不一致，难以确定哪一种参数更能合理表达两次地震真实破坏能力，但是芦山地震中有39种地震动强度参数大于九寨沟地震的地震动强度参数，占41种地震动强度参数的95.12%，基于地震动强度参数对比研究可揭示出芦山地震较九寨沟地震具有更强的破坏作用。

(2) 通过对两次地震筛选强地震动基于V2TFRS的累计动能曲线均值的对比研究，芦山地震强震记录的累计动能曲线均值均大于九寨沟地震强震记录的累计动能曲线均值，特别是多数建筑较敏感的0.1～3.0 s区间，芦山地震强震记录的累计动能曲线均值为九寨沟地震强震记录的累计动能曲线均值的4.0倍～19.3倍。芦山地震与九寨沟地震强震记录的累计动能曲线均值比值在4.2 s处最小为1.3倍。从时-频和能量角度给出了九寨沟地震震害明显偏轻的解释。

(3) 以两次地震筛选得到的强震记录作为输入对111种集中质量简化模型进行弹塑性分析，根据各结构的最大层间位移角、最大楼层加速度峰值和建筑结构的破坏状态对比研究，芦山地震得到的最大层间位移角均值是九寨沟地震最大层间位移角均值的2.47倍～4.63倍；基于最大楼层加速度峰值作为安装在结构楼板上设备或附属构件的需求指标，芦山地震对此类设备或附属构件的破坏能力要大于九寨沟地震，其均值为1.44倍～3.43倍。并且两次地震对不同结构类型的最大楼层加速度峰值也存在较大差异，其中对于砖混结构其均值差异较小为1.44倍～2.12倍，框架结构为1.71倍～3.03倍，而框-剪结构为2.72倍～3.43倍。

(4) 研究两次地震筛选的地震强震记录作为输入引起111种结构的破坏状态，芦山地震的破坏作用不论砖混结构还是框架结构均比九寨沟地震强。对于抗震性能较好的框-剪结构，芦山地震导致了33.75%的轻微破坏，而九寨沟地震均为基本完好。更加直接的证明了芦山地震对各种结构类型的破坏性均强于九寨沟地震。

(5) 两次地震中符合筛选条件的强地震动记录较少，本文各参数比较还不具备严格的统计意义，但通过文中参数均值的比较也可以在一定程度反应九寨沟地震震害偏轻的本质，且通过实测地震记录得出地震的破坏能力具有更加客观的优点，为科学解释九寨沟地震震害偏轻提供依据。

致谢：感谢中国地震工程力学研究所“国家强震台网中心”为本文提供两次地震数据的支持。