云貴彝良-威寧中強地震地震動特性

徐龍軍，張洪智，陳 勇，謝禮立

(1. 中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080；2. 哈爾濱工業大學(威海)土木工程系，威海 264209)

云貴彝良-威寧中強地震地震動特性

徐龍軍1,2，張洪智2，陳 勇2，謝禮立1,2

(1. 中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080；2. 哈爾濱工業大學(威海)土木工程系，威海 264209)

2012年9月7日，我國西南云貴交界彝良-威寧地區連續發生兩次中強地震，為地震動特性的比較研究提供了強震動記錄．考慮距離、方向的影響，從地震動衰減關系和反應譜兩個方面考查了兩次地震強震動的工程特征.結果顯示，豎向地震動峰值在近場和中場區域明顯高于水平向地震動，豎向地震動峰值隨距離衰減更快；Ms5.6級地震動峰值在近場和中場明顯大于Ms5.7級地震動，但地震動峰值衰減速度也較快；與其他研究結果比較表明，這兩次地震的峰值總體上偏低．盡管兩次地震絕大多數臺站的場地為土層場地，但其平均規準譜在中長周期段的譜值明顯低于規范設計譜．

彝良-威寧地震；地震動；衰減關系；反應譜

2012年9月7日11時19分，我國西南部云南省昭通市彝良縣、貴州省畢節市威寧彝族回族苗族自治縣交界地區發生里氏Ms5.7級地震，震源深度14,km；12時16分，昭通市彝良縣再次發生Ms5.6級地震，深度10,km．1,h之內發生的兩起地震均為中強地震，震中距離約11,km，盡管震級不大，但由于震源較淺，仍然造成較嚴重的人員傷亡和經濟損失．

地震動峰值衰減關系和反應譜分析是工程設計地震動參數確定中的最主要依據．美國十分重視地震動衰減關系的研究，借助國內大量的強震記錄，已建立了世界上最為完善的衰減關系模型[1-4]．即便如此，美國仍然提出了為期5年的“NGA”項目[5]，設立5個獨立的科研團隊分別開展新一代地震動衰減關系的模型研究[6-7]．我國大陸地震動衰減關系模型的建立和應用相對較晚[8-9]，主要是由于國內強震動記錄的匱乏以及地域分布上的嚴重不均衡造成的.大多衰減關系的研究工作一方面需考慮記錄匱乏地區的影響，另一方面還不得不采用一定數量的國外記錄[10-12]．汶川地震獲得了上千個臺站的質量較高的強震記錄，特別是豐富了我國大震級地震動和中強震余震的記錄數據，使得我國地震動衰減關系的研究取得較大進展[13-15]．但總的看，我國的強震記錄主要分布于西南和華北地區，地震動衰減關系模型的研究還遠遠不夠．

地震動反應譜的特性與設計譜的建立是地震工程界關注的另一重要課題．國內外學者對場地、震級、距離等影響下的反應譜特性進行過深入分析[16-19]，并提出了許多設計譜的改進建議[16,20-25]．盡管我國的抗震規范歷經多次修訂，但有關設計譜的規定仍然存在諸多問題，如平臺段高度、長周期段的表達、豎向設計譜取值問題等[26-29]．

2008年5.12汶川大地震后，我國建筑抗震設計規范(GB 50011—2010)[30]進行了修訂，新的地震動參數區劃圖征求意見稿也已經形成．彝良-威寧發生的兩次中強地震又一次提供了幾十個臺站的強震記錄，為進一步分析中強地震動參數的特性，檢驗規范設計地震動參數的適用性等提供了新的數據資料．本文將從地震動的衰減關系、地震動加速度豎向與水平向峰值比、反應譜及譜比等幾個方面探討這兩次地震的地震動特性，并與以往的研究結果和規范設計譜分別進行比較，以期獲得地震動特性方面一些新的規律和認識．

1 強震動記錄

國家強震動臺網中心于2012年9月7日18時30分收到云南省地震局提供的兩次地震獲得的強震動記錄44組，分別來自30個記錄臺站．每組記錄包括兩個水平向和一個豎向分量，共132條記錄分量．其中5.7級地震有19個臺站和1個臺陣(由2個臺站組成)共記錄到21組記錄；5.6級地震包括臺站記錄23組；這其中有14個臺站分別記錄到了兩次地震的地震動．除6個臺站的地址名稱不詳外，各臺站的編碼、地理坐標、場地條件等信息明確，記錄時程基本完整．圖1給出了兩次地震及30個臺站、 臺陣的平面分布，可以看出所獲得的記錄資料主要分布于震中位置的西南和北部區域．位于兩次地震震中西南方向的3個臺站(53LDCY、53,ZTXT、53,QJXT)屬巖石場地，其余臺站均為土層場地．表1列出了30個臺站的部分參數信息及臺站震中距離．強震記錄的震中距分布范圍為20～240,km，且分布較為均勻(見圖2)．

圖1 兩次地震記錄的臺站分布Fig.1Distribution of the recorded stations for two earthquakes

所獲得的強震動均為模擬數字式記錄．采用國際通用的地震動分析軟件對各記錄進行了統一的濾波和調零處理，濾波的頻率范圍為0.04～40,Hz．由于僅有3個臺站屬巖石場地，數量較少，故地震動的分析中未考慮場地的分類，文中所有反應譜的計算均按阻尼比5%考慮．

圖2 地震記錄的臺站分布Fig.2Distributions of the recorded stations in terms of magnitude and distance

表1 兩次地震地震動的臺站信息及參數Tab.1 Ground motion station information and parameters for two earthquakes

2 地震動衰減關系

2.1 衰減關系模型

文中地震動參數主要包括水平向、豎向地震動分量的峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)．對于各臺站的兩個相互垂直的水平分量(EW、NS)，分別看作兩個獨立的分量．地震動衰減關系模型見式(1)[14]，該模型由McGuire[31]提出，已被廣泛應用于包括基巖和土層場地的地震動衰減關系研究．

式中:Y為峰值加速度或峰值速度；Ms為震級；c1～c4為回歸系數；R為距離；R0為近場因子；S為場地因子，本文按土層場地取S=1；σ 為均方項．

式(1)能夠反映地震動參數在震級、距離和場地條件之間的聯系，在震級與場地條件一定的情況下，地震動參數只與震中距相關．因此該模型可進一步簡化為

R0通常依據經驗確定，參考我國西南地區地震動衰減模型研究結果[12-14]，先假定R0的范圍5～30,km，以0.1,km為步長在域中遍歷取值，搜索出每組擬合結果的殘差之和為最小值時的R0，再通過最小二乘法確定1c、2c的取值，最終得到兩次地震地震動的峰值PGA、PGV的衰減關系．

2.2 衰減關系分析

圖3和圖4分別給出了兩次地震地震動的PGA、PGV的衰減關系與離散值的比較．衰減關系系數的取值見表2，可以看出兩次地震的地震動峰值具有一些新特點:水平方向上，Ms5.6級地震動峰值(PGA、PGV)在近、中場(約小于75,km)明顯大于Ms5.7級地震動，在遠場(約大于75,km)小于Ms5.7級地震；豎直方向上，Ms5.6級地震動峰值(PGA、PGV)在近、中場(約小于100,km)大于Ms5.7級地震動，遠場(約大于100,km)小于Ms5.7級地震動，僅兩次地震PGV的衰減關系曲線比較接近；無論水平還是豎向地震動，衰減關系曲線的交叉表明Ms5.6級地震動峰值衰減速度比Ms5.7級地震更快些．出現較小震級的地震動峰值明顯大于較大震級地震動峰值的情況，對兩次震級和震中位置均相近的地震來說，地震動的幅值與震源深度有關，一般認為震源越深地震動幅值越?。?/p>

圖3 兩次地震地震動的PGA衰減關系Fig.3 Attenuation of PGA with epicenter distance for two earthquakes

表2 兩次地震地震動參數的衰減關系系數Tab.2Attenuation coefficients of ground motion parameters of two earthquakes

從表2可以看出，回歸結果的均方差均小于0.4，表明衰減關系的擬合結果是有效的．但圖5和圖6中地震動幅值擬合結果殘差的分布顯示，兩次地震均有一個臺站的數據殘差出現明顯異常，且為同一臺站(昭通靖安53ZTJA)．該臺站位于土層場地，兩次地震的震中距離均不超過30,km，Ms5.7級地震中NS、EW、UD 3分量地震動的PGA分別為0.056g、0.025g和0.052g，而Ms5.6級地震3分量的PGA分別達到0.119g、0.058g和0.188g，超出Ms5.7地震的1倍以上，若該臺站的強震動記錄無誤的話，一次中強地震的水平向PGA超過0.1g，豎向PGA接近0.2g，應引起重視．

圖4 兩次地震地震動的PGV衰減關系Fig.4 Attenuation of PGV with epicenter distance for two earthquakes

圖5 兩次地震地震動PGA的衰減關系殘差Fig.5Attenuation residual error of PGA for two earthquakes

圖6 兩次地震地震動PGV的衰減關系殘差Fig.6 Attenuation residual error of PGV for two earthquakes

2.3 衰減關系結果比較

盡管兩次地震動的峰值衰減關系存在較大差別，但考慮到兩次地震的震級相差很小，仍將兩次地震的地震動進行了合并處理，得到水平向峰值加速度PGA的衰減關系式和均方差分別為

考慮地震震級為Ms5.7級時，選取文獻[9,11,13]的研究結果與本文衰減關系進行了對比(見圖7)．發現本文衰減關系在小于約65,km的近、中場明顯小于其他衰減關系，在遠場的取值大于文獻[11]給出的結果．總體上認為此兩次地震的地震動幅值是偏低的．

圖7 本文結果與其他衰減關系的比較Fig.7 Comparison of the attenuation relationship of the paper with those of other studies

2.4 幅值比PGAV/H

抗震設計規范中對豎向地震動參數的規定主要是考慮了豎向與水平向地震動加速度幅值的統計關系(PGAV/H)，采用一固定常數將水平向設計譜折減為豎向設計譜的做法．若考慮豎向與水平向地震動加速度反應譜比的統計結果，這一規定顯然是不合適的，原因是豎向與水平向地震動的頻譜成分在譜周期段的分配并非是等比例的或確定的，它是隨場地條件、距離、震級等因素的影響而變化的[19-20]．但將豎向與水平向地震動加速度幅值的統計關系應用于豎向設計譜并非不可以，這就需要從兩個方面分析二者之間的關系，即加速度幅值關系和頻譜周期關系．這里先就豎向與水平向地震動加速度峰值比進行分析.根據同一臺站的3分量記錄，將豎向峰值加速度分別除以兩水平分量峰值加速度得到兩個幅值比，取兩幅值比的平均值作為該臺站的幅值比．圖8給出了兩次地震各臺站豎向與水平向的加速度幅值比隨震中距的變化關系．可以看出，加速度幅值比PGAV/H隨距離的增加呈減小的趨勢．采用“S”形曲線公式Dose函數對離散峰值比進行了非線性擬合，兩次地震的擬合結果較為接近，但均在近場的比值偏大，如在小于100,km范圍的平均峰值比達到1.44，100～200,km范圍的平均比值也達到0.9，遠高于規范中2/3的水平，也明顯超過了集集地震和汶川地震的峰值比水平[16，18]．

圖8 加速度幅值比PGAV/H隨距離的變化情況Fig.8 Variation of PGAV/Hwith distance

3 地震動反應譜

3.1 加速度規準反應譜

為了研究距離、方向對反應譜的影響及兩次地震地震動頻譜之間存在的差別，考慮到地震動的數量較少和分布情況，將兩次地震的地震動按震中距分為近、中場(ED＜100,km)和遠場(ED＞100,km)兩類. Ms5.7地震近中場和遠場分別有10個和11個臺站，Ms5.6地震的近中場和遠場分別有9個和14個臺站．分別計算了水平向和豎向地震動加速度規準反應譜的平均譜，如圖9所示．短周期段近中場地震動反應譜的譜值明顯大于遠場地震動，其他周期段遠場地震動的規準譜高于近中場地震動譜；距離范圍相同時，Ms5.7級地震動規準反應譜值總體上略大于Ms5.6地震動譜值．這與其他的一些研究結果是一致的[17,19-20]．還可發現，距離和震級對豎向規準化譜的影響更為明顯，這主要與豎向地震動的高頻成分隨距離增大迅速衰減的特性有關．

圖9 距離與分量對規準加速度反應譜的影響Fig.9 Influences of distance and component on normalized acceleration spectra

由于兩次地震的記錄臺站數量及其距離分布情況均比較相近，這使得對兩次地震反應譜之間的對比成為可能．為此，將兩次地震地震動的反應譜分別進行平均，一同示于圖10．可以看出，Ms5.7級地震水平分量在小于0.2,s的短周期段和大于1,s的長周期段的譜值略大于Ms5.6級地震，而中周期段的情況相反，但總體上差別不明顯；豎向分量的情況差別較顯著，尤其表現在1～5,s的周期段，此時Ms5.7級地震動譜最大達到Ms5.6級譜的2倍以上，表明Ms5.7級地震豎向長周期成分較Ms5.6級地震相對豐富．

圖10 兩次地震地震動規準加速度反應譜的比較Fig.10Comparison of normalized acceleration spectra of two earthquakes

3.2 豎向與水平向譜比

為進一步反映地震動豎向分量與水平向分量反應譜的關系，針對每一個臺站的3個分量，將豎向分量反應譜分別除以水平向分量反應譜，可得到兩個譜比曲線．按照距離的分類分別計算了兩次地震地震動的加速度譜比(SAV/H)和規準加速度譜比(NSAV/H)，分別示于圖11中．可以看出，加速度譜比在高頻段迅速上升，而后又下降，譜值在中長周期段逐漸增大最后穩定在某一水平．這種變化趨勢與以往的研究是一致的[18,28]．但與多數結果不同的是，兩次地震的加速度譜比在高頻段的譜比最大值超過了2，且長周期段的譜比接近或超過了1，均明顯偏高．這種結果可能與兩次地震豎向分量峰值加速度的偏大有關，還可能與遠場豎向地震動中相對較豐富的長周期分量有關．從圖11(b)給出的規準加速度譜比中也可以看出這個特征．

3.3 與設計譜的比較

將兩次地震的水平向分量地震動平均規準譜與《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[30]設計譜進行比較．規范設計譜選取的3條譜曲線分別為Ⅰ0、Ⅱ和Ⅲ類場地，均按第2組考慮，設計特征周期分別為Tg=0.25,s、0.40,s和0.55,s，如圖12所示．可以看出，在小于0.1,s的短周期段，規范譜基本不低于兩次地震的規準譜．在平臺段，規準譜的高度接近或超過2.5，明顯高于規范譜2.22的取值；主要差別表現在大于0.3,s的中長周期段，兩次地震的譜值均明顯低于規范Ⅱ和Ⅲ類土層場地的譜值．盡管兩次地震絕大多數臺站的場地為土層場地，但平均譜值卻與規范譜Ⅰ0類巖石場地的譜值相近，在大于1,s長周期段的譜值更是顯著低于規范譜．由此來看，對于中強地震，規范設計譜中長周期段的取值是偏于保守的．但對于大震級強烈地震而言，許多研究結果[25,29]顯示長周期段的取值仍然偏低．這一矛盾表明，針對不同震級的地震動，設計譜長周期段的表達(下降速度等參數的取值)尚需有明顯區別．

圖11 兩次地震地震動加速度譜比和規準加速度譜比Fig.11 Acceleration spectra and normalized spectra ratios for two earthquakes

圖12 加速度規準譜與設計譜的比較Fig.12 Comparison of the normalized acceleration spectra with design spectra

4 結 論

云貴交界地區連續發生兩次中強地震，為地震動特性的比較研究提供了難得的數據．本文從地震動衰減關系和反應譜兩個方面考查了兩次地震地震動的工程特征，主要得到以下一些研究結果和認識．

(1) 衰減關系顯示，近、中場豎向地震動幅值明顯偏高，豎向地震動峰值隨距離衰減較快．豎向與水平向地震動加速度峰值比在近、中場區偏大，明顯高于現行抗震規范中豎向/水平向地震動峰值比2/3的規定．

(2) Ms5.6級地震地震動峰值在近、中場明顯大于Ms5.7級地震動，僅在遠場小于Ms5.7級地震，但Ms5.6級地震動衰減速度較Ms5.7級更快，可解釋為地震動的幅值還與震源深度有一定關系．

(3) 衰減關系對比表明，此兩次地震的峰值總體上是偏低的．有個別臺站的地震動峰值出現異常(昭通靖安臺站 Ms5.6級地震動峰值超出Ms5.7地震動一倍以上)，應引起重視．

(4) 與規范設計譜的比較顯示，規準譜平臺段的高度明顯高于規范譜；盡管兩次地震絕大多數臺站的場地為土層場地，但其平均譜在中長周期段卻與規范巖石場地Ⅰ0的譜值相近．因此，對于中強地震而言，規范設計譜中長周期段的取值仍偏于保守．

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Characteristics of Ground Motions of Yiliang-Weining Earthquakes in Yunnan and Guizhou

Xu Longjun1,2，Zhang Hongzhi2，Chen Yong2，Xie Lili1,2
(1. Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，China；2. Department of the Civil Engineering，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China)

On September 7，2012，two earthquakes with similar magnitude occurred at the boundary between Yun-Gui Yiliang-Weining counties，southwest of China，in which a number of valuable strong ground motion recordings were obtained. Ground motion attenuation relationships and response spectra were examined by considering the influence of epicentral distance and component direction. Results show that，peak ground amplitudes of the vertical components are obviously larger than those of the horizontal components in the near- and middle-distant source regions，while they also attenuate faster than the horizontal motions；peak ground amplitudes of the Ms5.6 earthquake are clearly larger than those of the Ms5.7 event in the near- and middle-distant source regions，but decrease faster with distance increasing；ground motion amplitudes are totally lower than those of the other studies；normalized spectra at medium and long periods are lower than those of code design spectra though most of the recording stations are from soil sites during two earthquakes.

Yiliang-Weining earthquake；ground motion；attenuation relationship；response spectrum

P315.6

A

0493-2137(2013)12-1054-09

DOI 10.11784/tdxb20131202

2013-09-02；

2013-10-22.

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2011CB013601)；國家自然科學基金資助項目(51238012，50938006)；國家自然科學基金面上項目(51178152)；中國博士后科學基金資助項目(2012M511530).

徐龍軍（1976— ），男，博士，副教授，博士生導師.

徐龍軍，xulongjun80@163.com.