日本建筑研究所的强震动观测台阵网＊

王湘南叶春明

1）北京市地震局，北京100038

2）广东省地震局，广州510070

日本建筑研究所的强震动观测台阵网＊

王湘南1）叶春明2）

1）北京市地震局，北京100038

2）广东省地震局，广州510070

1 台阵网建设

日本建筑研究所（Building Research Institute of Japen，BRI）成立于1942年，原为日本财政部建筑司领导的一个建筑研究组，1948年更名为建筑研究所，2001年成为独立行政法人机构。1952年日本十胜冲发生8.2级大地震后，日本政府和土木工程界为了更加详细地了解地震时地面运动特征和建筑物的反应，于1957年开始施行日本的强地面运动地震观测计划（The Strong－Motion Earthquake Observation Project）。在该计划中，日本建筑研究所在日本的大城市里建设了47个建筑物结构地震观测点。1984年至1989年，在政府和私企的参与下，建筑研究所又完成了日本仙台市11个不同场地条件的井下强震动观测台阵（图1）。这11个观测台阵相互之间的间距仅3～4km，且每一个台阵都在地面、基岩和中间层安装了加速度传感器。1995年1月17日日本神户（Kobe）发生M7.2级地震，地震夺去6 000余人生命以及造成1 000亿美元的经济损失。人们在救灾的过程中认识到一条重要的经验，那就是当地震发生时，应尽快得到地震的烈度分布和震害发展趋势的信息。为此，日本建筑研究所在1996年又在东京城区新增了20个建筑结构观测台阵。台阵分布以东京为中心，成放射状向外延展（图2）。

这些台阵组成了日本大城市的强震动观测台阵网（BRI Strong Motion Network）（图3），且以市政电话线与建筑研究所建立数据联系。

图1 日本仙台市不同场地强震动观测台阵分布（图片来自http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm）

图2 日本东京城区建筑物结构地震反应强震动观测台阵分布（图片来自http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm）

图3 日本建筑研究所强震动观测台阵网台阵分布（图片来自http：∥smo.kenken.go.jp/smn）

仪器的布设方式是由观测目的决定的，典型的地面观测的仪器布设方式如图4所示。如果是为了观测地震时地表面的运动，仪器通常布设在坚硬的自由场地或浅埋在地下。如果是为了调查表层地质的影响，就必须布设一系列不同深度下的井下传感器，最深位置的井下传感器通常布设在如基岩一类的坚硬层上。图5展示的是建筑结构地动观测的仪器典型布设方式。为了调查建筑结构的地震响应，至少必须在建筑的基底和顶部各安装一套传感器。根据建筑物的大小，有时还必须在建筑中增加传感器，例如，对于高层建筑，为了更进一步了解它的自然响应模式，就必须在它的中间楼层增设传感器。而对于那些外形比较宽的建筑，就必须在建筑物的顶部配置两个甚至更多的传感器。土壤与结构的相互影响关系，是评估地震力对建筑结构影响的一个重要课题，为了在地震波传播过程中得到观测点场地效应、土壤与结构相互关系，以及建筑物的结构反应状态，在建设台阵时，不仅在建筑物的结构上布设了记录仪器而且也在建筑物附近下面的土层里安装了传感器，组成了一个综合型建筑结构地震反应观测台阵。

图4 地层响应观测的测点典型布设示意图（图片来自http：∥smo.kenken.go.jp/smn/sensorconf）

图5 建筑结构测点典型布设示意图（图片来自http：∥smo.kenken.go.jp/smn/sensorconf）

为了了解在建筑中地震振动的输入机制，需要布设一个高密度监测台阵，以实施对建筑及其周围地面进行全面的观测。例如，日本建筑研究所在本所的城市减灾研究中心（The BRI Urban Disaster Mitigation Research Center）大楼的配楼布设的台阵就属该类台阵。该配楼是一座地上8层地下1层的钢筋混凝土建筑。研究所不仅在大楼的主楼上布设了4个（12通道）加速度传感器，在配楼上也安装了11个（33通道）传感器，而且在大楼附近的地表层也安装了7个（21通道）加速度传感器（图6）。1998年大楼建成时，该观测系统就已安装完毕并开始运行。到目前为止，已获得了大量的有价值的结构地震反应记录数据。

图6 日本城市减灾研究中心大楼配楼地震反应观测系统示意图（图片来自http：∥smo.kenken.go.jp/node/6）

2 台阵网记录仪器

日本建筑研究所的强震动观测台阵网目前采用8种型号的数字化记录仪：AJE－8200、Altus Etna、Altus K2、KSG－xxSB、SENDAI、SMAC－MD、SMAC－MDU和SMAR－6A3P。其中既有日本国内生产的仪器也有国外先进国家生产的仪器。所用仪器的主要技术指标见表1。

3 台阵的记录数据

到目前为止，BRI的台阵网已经获得了许多次地震的有意义记录，如日本1964年新泻（Niigata）地震和1978年宫城（Miyagi）地震记录。前一个地震系列记录是日本第一个来自灾难性地震的记录，后者最大PGA超过1g。1993年钏路（Kushiro）地震时，布设在钏路（Kushiro）的日本气象厅（JMA）气象台台阵的地表测点记录到了711cm/s2的最大峰值加速度。另外，1994年三陆（Sanriku）地震时，新建的八户（Hachinohe）市市政厅大楼观测台阵的第6层测点记录到的地震峰值加速度达到1g。虽然这次地震对新建的楼房损害较轻，但邻近的老旧房屋损失惨重。该记录对研究建筑物的破坏过程非常有价值。

台阵网的仪器记录数据文件是一个带.ac扩展名的ASCII文本文件。其行是由CRLF方式划分的。一个ac文件能够包含仪器记录的数个通道数据。它的格式如下：

第一行包含下列信息：

1－10列：记录数据的日期（yyyy/mm/dd）；

12－19列：被采样的第一个数据时间（hh/nn/ss），它可以是台站当地的地区时间。

21－23列：数据文件记录的通道数；

表1 日本建筑研究所建筑结构地震反应观测台阵网记录仪器主要技术指标来源于的(http:∥smo.kenken.go.jp/“BRI strong motion network”-Strong motion instrument)

25－27列：采样率（Hz，每秒采样数）；

29－33列：每个通道的数据数量，且所有通道的数据数量都是相同的；

35列至最后列：台站信息。标准的格式是“编码：描述”。编码是台站的编码（在BRI台网中只能是唯一的名称缩写），描述指对台站的描述，通常是台站的完整名称，编码和描述的长度都不受限制。

第二行是第一通道记录的头文件：

1－10列：该通道的识别标记，通常由方位角（或方位）和区域编码组成，中间用连接符“－”隔开。方位角由3个数字和1个从北右旋的角度数组成，用字符串表示，如063－GL表示在地表层方位角为N63°E（即从北到东63°）。UP－GL表示地表层的垂直分量。

11－20列：该通道的峰值；

21－30列：峰值出现的步长；

31－40列：原始数据处理所用的偏移；

41－50列：原始数据处理时的标定系数；

第三行及以下行：

均为数据行。加速度数据占10列，每行包括8个值。

每通道数据都有道头文件和数据块，下面给出一个实例（表2）（http：∥smo.kenken.go.jp/smn/acfile）。

表2 数据实例

在台阵网的数据库中用户可以检索到地震信息、台站信息和记录数据信息，也能看到记录波形和反应谱。有些地震的记录数据可以直接从数据库中下载。

数据库目前存放的数据有：

（1）仙台网1986—1998年的观测数据。

（2）1990年以来BRI台网可以下载的记录数据为：

① 地面或地层里记录到的数据；

② 建筑结构地震反应记录到的数据。

如果用户使用BRI库的数据公开发表研究结果，请遵照下列要求：

1.不允许直接将数据传给第三者；

2.请明确标明数据的来源；

3.将发表文章的副本传给BRI；

有些建筑结构记录数据的下载是有条件的，如用户需要，可与BRI联系。

本文根据http：∥www.kenken.go.jp和http：∥iisee.kenken.go.jp/staff/kashima/soa2000/soa.htm网站的部分资料编写而成，在此表示感谢！

（作者电子邮箱，王湘南：wangxiangnan1956＠sohu.com；wangxiangnan＠bjseis.gov.cn）

P315；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.11.009

2011－02－15。