广西北流-广东化州MS 5.2级地震地震动峰值加速度特征

黄树生 ,左天惠,韦王秋,3,潘岳怡,符 衡

（1.广西壮族自治区地震局,南宁 530022；2.广西壮族自治区国情地理监测院,南宁 530022；3.广西工程防震研究院,南宁 530022）

0 引言

经过多个项目的建设后,目前广西境内形成了由固定自由场强震动台站、一般站、基本站和基准站组成的数字强震动台网。这一台网为研究广西及周边地区地震的强震动提供了便利。2019年10月12日在广西北流发生了MS5.2级地震。地震发生后,通过收集广西境内的数字强震台站数据,计算了本次地震的峰值加速度,并结合竖向与两个水平向地震动峰值加速度的比值关系、震中距和场地条件,分析了本次地震的竖向地震动特征。希望通过本次工作能为广西工程结构的地震反应分析和工程抗震设计提供参考。

1 数据

广西强震台网由国家“十五”重点项目—中国数字强震动台网项目广西19个台站、广西地震烈度速报与预警系统项目300个台站均建设在自由场地面基墩上（本文标记为土层）,北部湾地震烈度速报项目110个台站安装在学校楼房一层地面基墩（本文标记为结构一层）上。数字强震动台站使用无线网络进行数据实时传输,“十五”台站数据采样率为200 Hz其他台站数据采样率为100 Hz ,通过JOPENS软件将数据汇集至台网中心服务器,广西强震动观测规模已覆盖广西辖区范围。

图1 研究区台站分布与地质关系简图Fig. 1 The diagram of the relationship between the distribution of stations and geology in the study area

广西北流—广东化州5.2级地震发生后,共收集到50个台站共150组强震数据,其中竖向加速度数据50组。这50个台站主要使用的仪器型号为GL-P2A型强震仪,2个台站仪器型号为SYSCOM型强地震仪，1个台站仪器型号为ETNA型强震仪，仅有5个台站仪器型号为CMG-5TCDE型强震仪,各强震仪均安装在地面基墩上。其中结构台站14个,土层台站36个,其中研究区的台站分布图,见图1。

2 方法

本文采用2015年3月1日中国地震局颁布的《仪器地震烈度计算暂行规程》算法对地震记录选取和处理,使用港震公司SMAIAS软件对强震记录数据进行分析处理,具体计算方法如下：

（1）基线校正。对强震仪获取的记录进行基线校正处理,采用记录时间过程减去地震事件前记录的平均值,事件前记录时间长度30 s。

（2）数字滤波。采用巴特沃斯数字滤波器对地震动加速度每个分向进行0.1～10 Hz带通滤波,滤波器通带波纹小于0.5 dB,滤波器带外衰减大于12 dB每倍频程式。

本次工作共计算了水平向峰值加速度100组,竖向峰值加速度50组。

3 结果

为使本次地震的计算结果更接近于实际情况，作者收集了东南一侧广东局3个强震台站数据，通过上述算法获得各台站的3个方向的峰值加速度,然后采用克里金法进行插值获得3个方向的峰值加速度等值线图,再以这3张等值线图为底图,叠加区域断裂、台站位置及编号、方位角、震中距,得到3个方向的峰值加速度与区域断裂带、震中距的关系图（图2～图4）。

结果表明在震中西侧有多中心出现，且连续呈现近EW。震中东侧数据不足暂不做讨论。

图2 南北向峰值加速度分布与震中距、构造关系图Fig.2 The relationship between the distribution of north-south peak acceleration distribution, the epicentral distance and structure

图3 东西向峰值加速度分布与震中距、构造关系图Fig.3 The relationship between the distribution of east-west peak acceleration distribution,the epicentral distance and structure

图4 垂向峰值加速度分布与震中距、构造关系图Fig.4 The relationship between the distribution of vertical peak acceleration distribution, the epicentral distance and structure

4 分析与讨论

4.1 峰值加速度与震中距的关系

从宏观上观察（图2～4）,三个方向上的峰值加速度最大值均出现在30 km以内,在30 km以内迅速降低。将本次工作的结果与中国东部强震区5级地震的衰减关系[1]进行了对比。从图5中可以发现,0～30 km范围内,3个方向的峰值加速度衰减明显。而震中距大于30 km的峰值加速度中,大部分的峰值加速度大于东部5级强震区的峰值加速度衰减关系,只有小部分垂向峰值加速度和个别的水平向峰值加速度小于东部5级强震区的衰减关系。造成这种结果的原因,可能与研究区内台站的台基有关。全国性的区划图的衰减关系实际上是一个平均的场地的衰减。而研究区中有14个台是结构台,地震动传入结构后对地震动有放大作用。而对地震动的响应是复杂的[2],土层台对地震动的响应机制仍不清楚。

图5 广西北流—广东化州Ms 5.2级地震三方向峰值加速度与中国东部强震区峰值加速度衰减关系对比图Fig.5 Comparison of attenuation relationship between the peak acceleration in three directions of the Beiliu-Huazhou Ms 5.2 earthquake and the peak acceleration in the strong earthquake area of eastern China

4.2 峰值加速度与地质条件的关系

从图1至图4观察,靠近断层或在断层上的10个台（表1）附近出现加速度峰值密集区,这些密集区呈现出等值线密集或峰谷（等值线封闭成低值或高值的区域）。江辉等[3]引入考虑震级和断层距影响的地震动衰减模型,并与既有的衰减模型进行了对比,提出了一个新的近断层区域峰值衰减模型。本文将靠近断层的10个台的数据与该模型进行了对比（图6）,发现研究区近断层或断层上的台站衰减明显小于江辉等[3]的衰减模型关系,暗示研究区内的断层对本次地震的峰值衰减的影响并不明显。

图6 研究区近断层（或断层上）的台站三方向峰值加速度衰减特征（底图为江辉等,2011的衰减模型）Fig 6 Attenuation characteristics of peak acceleration in three directions of the station near the fault (or above the fault) in the study area

4.3 峰值加速度与断裂关系

从图2～图4观察，三分向峰值加速度在震中西侧有多中心出现，且其连线呈现近EW。作者认为出现这种现象可能与断裂有关联。经查阅资料，任镇寰等（2016）的研究表明，陆川至信宜一线存在一条东西向-30-40×10-5m/s2的重力梯度异常带，博白—浦北一线则出现北西西向的-20×10-5m/s2的重力梯度异常带，后来经过综合解译认为深部存在一条东西向的“浦北—信宜断裂”。对照本文结果中出现的多中心现象，与该东西向的重力异常梯度带基本吻合。

4.4 工程意义

对于大跨度桥梁、高层房屋、核电站等工程的抗震设计者而言,竖向地震动对工程结构的影响是值得重视[4-5],因而加深对竖向地震动特性的认识具有现实和工程意义[6]。目前的核心问题是在工程设计时竖向峰值加速度的取值问题。现行的建筑抗震设计规范（2010年版）和构筑物抗震设计规范（2012年版）中规定[7-8],在9度时的一些特定建筑和结构,其竖向地震影响系数的最大值可取水平影响系数最大值的65%。

将本次地震竖向峰值加速度与两个水平方向峰值加速度分别作比值（UD/NS为竖向峰值加速度/南北向峰值加速度,UD/EW为竖向峰值加速度/东西向峰值加速度,下同）,共100组（图7）。在比值大于1.0的组分里,30 km以内的有3组（共4组）, 30～60 km范围内的有0组（共18组）, 60～90 km范围内的有3组（共22组）,＞90 km范围内的有6组（共56组）。

比值大于0.65小于1.0的组分里, 30 km以内的有1组, 30～60 km范围内的有2组（共18组）, 60～90 km范围内的有5组（共22组）,＞90 km范围内的16组（共56组）。

图7 垂向峰值加速度与水平向峰值加速度比值图Fig.7 The ratio of vertical peak acceleration to horizontal peak acceleration

对工程抗震而言,如果仅从比值上考察,那么现行的建筑抗震设计规范和构筑物抗震设计规范的规定是不足的。但是,峰值加速度均经换算后大于0.05g（相当于Ⅵ度）只有3组,这三组峰值加速度出现在同一个站,即本次工作中震中距最小的台站（21 km）玉林乌石站,UD/NS 为 0.85 , UD/EW 为 1.05。

周正华等[4]通过研究国内外数十次地震（ML≥5）的近场自由地表加速度记录,并进行近场加速度峰值比的统计分析后认为,竖向设计反应谱值不能简单地取为水平向设计谱值的2/3,并指出最大影响系数αmax的确定应考虑近、远场的影响,在近场大于2/3 ,在远场小于2/3。本次工作的计算结果与周正华等[4]的建议有相同之处。

5 结论

通过上述计算、分析和讨论后,可以获得以下认识：

（1）0～30 km范围内,3个方向的峰值加速度衰减明显。而震中距大于30 km的峰值加速度中,大部分的峰值加速度大于东部5级强震区的峰值加速衰减关系,只有小部分垂向峰值加速度和个别的水平向峰值加速度小于东部5级强震区的衰减关系。

（2）研究区三分向峰值加速度在震中西侧有多中心出现，且其连线呈现近EW。

（3）研究区断层对本次地震的峰值加速度衰减影响不明显。

（4）竖向峰值加速度与两个水平方向峰值加速度有超过1/3的比值大于0.65（36组/100组）。36组数据中只有3组数据的峰值加速度大于0.05 g,具有工程设防意义。