云南漾濞6.4级地震强地面运动三要素基本特征分析

田文通,董建华,杨 博,赵律华

(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃 兰州 730050;2.中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃 兰州 730000)

0 引言

北京时间2021年5月21日21时48分在云南省大理州漾濞县境内发生6.4级地震,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人受伤。根据云南省地震局发布的《云南漾濞6.4级地震烈度图》,此次地震最高烈度为Ⅷ度,Ⅵ度区及以上面积约6 600 km2,共涉及大理州6县市,其中Ⅵ度区土木房屋少数墙体开裂、梭掉瓦,框架房屋个别墙柱、墙梁结合部位开裂。Ⅶ度区土木房屋个别墙体倒塌,部分开裂、梭掉瓦,砖混房屋、框架房屋少数墙柱、墙梁结合部位开裂。Ⅷ度区土木房屋个别柱脚位移,少数墙体倒塌,部分局部倒塌,多数开裂、墙体外闪,普遍梭掉瓦,砖混房屋部分墙体开裂;框架房屋部分墙柱、墙梁结合部位开裂,少数剪裂[1-2]。

强震动记录是认识和研究地震动特征、岩土及结构地震反应的最直接和重要的基础资料,对工程抗震而言,强震动的特性可以通过地震记录的幅值、频谱、持时等关键要素表征,目前已广泛应用于地震场地反应分析、震害预测评估、区域抗震设防等方面[3-4],如温瑞智等[5]研究了芦山7.0级地震强震动记录与震害的相关性;王文才等[6]利用强震动记录研究了云南通海地震的地面运动和场地反应特性,取得了可靠的研究结果。

本文利用中国数字化强震动观测网络(CDSMON)布设在云南漾濞6.4级地震震区的28个强震动观测站捕获到的84条三分向加速度波形记录,以地震动的幅值、反应谱、持时为研究对象,分析了此次地震强地面运动的基本特征,旨在为本次地震的场地反应、灾害评估、地震动影响场估计以及抗震设防等提供参考[7-8]。

1 强震动记录收集与处理

漾濞6.4级地震中有28个台站获得地面运动加速度记录,其中包括云南强震动台网25个台,四川强震动台网3个台。图1所示为此次地震的主震、余震、强震台位置和断层分布情况。28个记录台站分布在距震中8.6～351.2 km的范围内,其中100 km以内5个台,100～200 km有6个台,200～300 km有13个台,其余4个台的震中距大于300 km。为了避免零线偏移对数据结果的影响,首先利用地震事件前20 s的数据对捕获的强震动观测数据进行基线调整[9],然后运用低频截止频率为0.05 Hz的4阶Buttworth高通滤波器滤波,以消除低频干扰信号,最后对校正后的加速度时程曲线进行积分,得到可靠的速度时程曲线,表1所示为震中距200 km内记录台站的基本信息及强震动参数。

图1 触发强震动台站分布图Fig.1 Distribution of strong motion stations and main shock

表1 强震动记录相关参数Table 1 Some related parameters of strong motion records

2 地面运动特征分析

2.1 幅值特征

由表1可知,漾濞台(53YBX)记录的地面运动幅值最大,其东西、南北、垂直向加速度峰值(PGA)分别为-379.9 cm/s2、-720.3 cm/s2、-448.4 cm/s2,速度峰值(PGV)分别为30.4 cm/s、-29.8 cm/s、-7.2 cm/s;53BTH和53LKT台站由于处于基岩场地,其观测记录的幅值较小,其余土层台记录的PGA随距离的增大总体呈现减小趋势。图2为经基线校正后53YBX台三分向的加速度和速度时程曲线。

图2 53YBX台加速度时程和速度时程Fig.2 The acceleration and velocity time-history curves of 53YBX station

利用表1的地震动参数,通过计算各台水平向记录PGA和PGV的几何平均值,并采用克里金插值方法得到震中区域PGA、PGV水平向的等值线(图3)。可以看出此次地震的PGA和PGV等值线图均呈北西-东南方向展布,这与地震宏观烈度调查图的长轴走向具有很好的一致性。

图3 震中附近水平向PGA和PGV等值线图Fig.3 Contour map of horizontal PGA and PGV near the epicenter

2.2 反应谱特征

根据震中距最近、幅值较大的6个台捕获的强震记录,通过计算其单自由度线弹性体系的加速度反应谱(阻尼比取5%),并与我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[10]规定的抗震设计谱比较,如图4所示。其中53YBX、53DLY、53YPX、53BCJ强震台建于中硬土上,属于Ⅱ类场地,53BTH和53LKT为基岩场地台站。根据规范GB 50011-2010规定53YBX、53DLY、53BCJ、53BTH和53LKT所在区域设防标准为Ⅷ度设防,53YPX所在永平县为Ⅶ度设防区域。53YBX和53YPX台采用第三组设计地震动,其余台站均采用第二组。

由图4可知:(1)53YBX台在0.05～0.15 s的周期内,三分向的谱加速度均为“单峰”型,且不同程度的大于Ⅷ度罕遇地震的设计谱值,其中EW向的反应谱值远大于其余两分向的反应谱值。在0.15～0.45 s的平台周期内,三分向的谱加速度值均低于Ⅷ度罕遇地震的设计谱值,但EW和NS向的幅值仍然大于Ⅷ度设防地震的设计谱值。甚至在0.45～1.5 s的中等周期范围内,53YBX台EW和NS向的反应谱幅值也不同程度的大于Ⅷ度设防地震的设计谱值。因此，本次地震在53YBX台附近，自振周期在上述范围内的建(构)筑物，将产生比较严重的破坏。(2)由《住宅设计规范》[11]可知,震区中小城镇主要建筑的自振周期为0.3～1 s,而53DLY台EW和NS向的谱加速度值仅在0.05～0.1 s的范围内大于Ⅷ度设防地震的设计谱值,在0.1～3.0 s的周期范围内始终小于Ⅷ度设防地震的设计谱值。因此,从作用周期范围看,本次地震对53DLY台附近进行了Ⅷ度设防的建筑物影响较小。(3)53SPX台由于UD向传感器故障,仅计算出水平向的谱加速度,可以看出EW向的谱加速度显著大于NS向的谱加速度,并且在0.45～1.5 s的中等周期范围内大于Ⅶ度多遇地震的设计谱值,但始终小于Ⅶ度设防的地震设计谱,说明地震动传播到53SPX台附近时,从幅度看已不足以对当地满足抗震设防要求的建筑物构成严重威胁。(4)53BCJ台的反应谱值始终小于Ⅷ度多遇的地震设计谱值,53BTH和53LKT台由于是基岩场地台站,其反应谱值远小于附近土层台站记录的反应谱值,也始终小于Ⅷ度多遇地震的设计谱。

图4 观测记录的反应谱与设计反应谱比较Fig.4 Comparison between the response spectrum of observation records and design response spectrum

2.3 持时特征

当地震动使结构应力-应变关系超过弹性极限时,持续时间越长,引起结构的破坏越严重。目前有30多种持时,但主要分为绝对持时和相对持时2类。其中Td(5%～95%)相对持时定义为5%～95%的Arias强度之间的时间间隔[12-13]。表1列出了各台站对应的Td(5%～95%)相对持时的计算结果。为更好地描述此次地震持时的空间变化规律,采用式(1)对各台站处记录的地震动持时进行曲线回归。

Td=c1+c2R+σ

(1)

式中:Td为相对持时;R为震中距,采用最小二乘法得到回归系数c1和c2,以及标准差σ列于表2中。

表2 持时与断层距空间变化关系的回归系数Table 2 Regression coefficient of the relationship between duration and spatial variation of fault distance

由图5中的回归曲线可以看出,随着断层距的增加,三个方向上的地震动持续时间均增大,53YBX和53DLY的持时相对拟合曲线而言离散性较大,可能由于震中距小于40 km的记录数量较少造成的。当震中距为零时,图5中曲线与纵轴的截距对应的持时为震源持续时间,由式(1)计算的Td(5%～95%)持时在EW、NS、UD三个方向上拟合得到的震源持续时间分别为13.06 s、11.43 s、10.22 s。根据震源破裂过程反演结果[14],此次地震能量主要集中在前约8～10 s内释放完毕。可见由拟合曲线计算的震源持续时间与主震震源破裂过程持续时间基本一致,符合实际震源能量释放过程。

图5 Td(5%～95%)持时与震中距的关系Fig.5 The relationship between Td(5%～95%)and epicenter distance

3 结论

利用云南、四川强震动观测网络在2021年云南漾濞6.4级地震中捕获的84条三分向加速度记录,通过对数据处理,从地震动的幅值、反应谱、持时三要素方面研究了此次地震强地面运动的基本特征,得到如下结论:

(1)震中附近水平向PGA和PGV等值线图与烈度调查图的走向基本相同,可以为震后快速应急响应、灾害评估、地震动影响场估计和未来区域抗震设计提供参考依据;

(2)不论从幅值还是作用周期来看,本次地震都会对53YBX台附近的建(构)筑物造成一定的破坏影响,但对53DLY、53SPX台附近符合抗震设计规范的建筑影响较小。此外,两个基岩台记录的地震动幅值远小于同等震中距土层台的值;

(3)Td(5%～95%)持时在EW、NS、UD三个方向上拟合得到的震源持续时间在10.22～13.06 s间,与震源破坏过程反演结果对应的地震矩释放过程相似。

致谢:中国地震局工程力学研究所为本研究提供数据支持,云南省地震局从事强震动观测的工作人员在数据的收集整理过程中付出了辛勤劳动,以及甘肃省地震局王文才工程师对数据处理提供的帮助,在此表示感谢。