云贵彝良-威宁中强地震地震动特性

徐龙军，张洪智，陈 勇，谢礼立

(1. 中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080；2. 哈尔滨工业大学(威海)土木工程系，威海 264209)

云贵彝良-威宁中强地震地震动特性

徐龙军1,2，张洪智2，陈 勇2，谢礼立1,2

(1. 中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080；2. 哈尔滨工业大学(威海)土木工程系，威海 264209)

2012年9月7日，我国西南云贵交界彝良-威宁地区连续发生两次中强地震，为地震动特性的比较研究提供了强震动记录．考虑距离、方向的影响，从地震动衰减关系和反应谱两个方面考查了两次地震强震动的工程特征.结果显示，竖向地震动峰值在近场和中场区域明显高于水平向地震动，竖向地震动峰值随距离衰减更快；Ms5.6级地震动峰值在近场和中场明显大于Ms5.7级地震动，但地震动峰值衰减速度也较快；与其他研究结果比较表明，这两次地震的峰值总体上偏低．尽管两次地震绝大多数台站的场地为土层场地，但其平均规准谱在中长周期段的谱值明显低于规范设计谱．

彝良-威宁地震；地震动；衰减关系；反应谱

2012年9月7日11时19分，我国西南部云南省昭通市彝良县、贵州省毕节市威宁彝族回族苗族自治县交界地区发生里氏Ms5.7级地震，震源深度14,km；12时16分，昭通市彝良县再次发生Ms5.6级地震，深度10,km．1,h之内发生的两起地震均为中强地震，震中距离约11,km，尽管震级不大，但由于震源较浅，仍然造成较严重的人员伤亡和经济损失．

地震动峰值衰减关系和反应谱分析是工程设计地震动参数确定中的最主要依据．美国十分重视地震动衰减关系的研究，借助国内大量的强震记录，已建立了世界上最为完善的衰减关系模型[1-4]．即便如此，美国仍然提出了为期5年的“NGA”项目[5]，设立5个独立的科研团队分别开展新一代地震动衰减关系的模型研究[6-7]．我国大陆地震动衰减关系模型的建立和应用相对较晚[8-9]，主要是由于国内强震动记录的匮乏以及地域分布上的严重不均衡造成的.大多衰减关系的研究工作一方面需考虑记录匮乏地区的影响，另一方面还不得不采用一定数量的国外记录[10-12]．汶川地震获得了上千个台站的质量较高的强震记录，特别是丰富了我国大震级地震动和中强震余震的记录数据，使得我国地震动衰减关系的研究取得较大进展[13-15]．但总的看，我国的强震记录主要分布于西南和华北地区，地震动衰减关系模型的研究还远远不够．

地震动反应谱的特性与设计谱的建立是地震工程界关注的另一重要课题．国内外学者对场地、震级、距离等影响下的反应谱特性进行过深入分析[16-19]，并提出了许多设计谱的改进建议[16,20-25]．尽管我国的抗震规范历经多次修订，但有关设计谱的规定仍然存在诸多问题，如平台段高度、长周期段的表达、竖向设计谱取值问题等[26-29]．

2008年5.12汶川大地震后，我国建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)[30]进行了修订，新的地震动参数区划图征求意见稿也已经形成．彝良-威宁发生的两次中强地震又一次提供了几十个台站的强震记录，为进一步分析中强地震动参数的特性，检验规范设计地震动参数的适用性等提供了新的数据资料．本文将从地震动的衰减关系、地震动加速度竖向与水平向峰值比、反应谱及谱比等几个方面探讨这两次地震的地震动特性，并与以往的研究结果和规范设计谱分别进行比较，以期获得地震动特性方面一些新的规律和认识．

1 强震动记录

国家强震动台网中心于2012年9月7日18时30分收到云南省地震局提供的两次地震获得的强震动记录44组，分别来自30个记录台站．每组记录包括两个水平向和一个竖向分量，共132条记录分量．其中5.7级地震有19个台站和1个台阵(由2个台站组成)共记录到21组记录；5.6级地震包括台站记录23组；这其中有14个台站分别记录到了两次地震的地震动．除6个台站的地址名称不详外，各台站的编码、地理坐标、场地条件等信息明确，记录时程基本完整．图1给出了两次地震及30个台站、 台阵的平面分布，可以看出所获得的记录资料主要分布于震中位置的西南和北部区域．位于两次地震震中西南方向的3个台站(53LDCY、53,ZTXT、53,QJXT)属岩石场地，其余台站均为土层场地．表1列出了30个台站的部分参数信息及台站震中距离．强震记录的震中距分布范围为20～240,km，且分布较为均匀(见图2)．

图1 两次地震记录的台站分布Fig.1Distribution of the recorded stations for two earthquakes

所获得的强震动均为模拟数字式记录．采用国际通用的地震动分析软件对各记录进行了统一的滤波和调零处理，滤波的频率范围为0.04～40,Hz．由于仅有3个台站属岩石场地，数量较少，故地震动的分析中未考虑场地的分类，文中所有反应谱的计算均按阻尼比5%考虑．

图2 地震记录的台站分布Fig.2Distributions of the recorded stations in terms of magnitude and distance

表1 两次地震地震动的台站信息及参数Tab.1 Ground motion station information and parameters for two earthquakes

2 地震动衰减关系

2.1 衰减关系模型

文中地震动参数主要包括水平向、竖向地震动分量的峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)．对于各台站的两个相互垂直的水平分量(EW、NS)，分别看作两个独立的分量．地震动衰减关系模型见式(1)[14]，该模型由McGuire[31]提出，已被广泛应用于包括基岩和土层场地的地震动衰减关系研究．

式中:Y为峰值加速度或峰值速度；Ms为震级；c1～c4为回归系数；R为距离；R0为近场因子；S为场地因子，本文按土层场地取S=1；σ 为均方项．

式(1)能够反映地震动参数在震级、距离和场地条件之间的联系，在震级与场地条件一定的情况下，地震动参数只与震中距相关．因此该模型可进一步简化为

R0通常依据经验确定，参考我国西南地区地震动衰减模型研究结果[12-14]，先假定R0的范围5～30,km，以0.1,km为步长在域中遍历取值，搜索出每组拟合结果的残差之和为最小值时的R0，再通过最小二乘法确定1c、2c的取值，最终得到两次地震地震动的峰值PGA、PGV的衰减关系．

2.2 衰减关系分析

图3和图4分别给出了两次地震地震动的PGA、PGV的衰减关系与离散值的比较．衰减关系系数的取值见表2，可以看出两次地震的地震动峰值具有一些新特点:水平方向上，Ms5.6级地震动峰值(PGA、PGV)在近、中场(约小于75,km)明显大于Ms5.7级地震动，在远场(约大于75,km)小于Ms5.7级地震；竖直方向上，Ms5.6级地震动峰值(PGA、PGV)在近、中场(约小于100,km)大于Ms5.7级地震动，远场(约大于100,km)小于Ms5.7级地震动，仅两次地震PGV的衰减关系曲线比较接近；无论水平还是竖向地震动，衰减关系曲线的交叉表明Ms5.6级地震动峰值衰减速度比Ms5.7级地震更快些．出现较小震级的地震动峰值明显大于较大震级地震动峰值的情况，对两次震级和震中位置均相近的地震来说，地震动的幅值与震源深度有关，一般认为震源越深地震动幅值越小．

图3 两次地震地震动的PGA衰减关系Fig.3 Attenuation of PGA with epicenter distance for two earthquakes

表2 两次地震地震动参数的衰减关系系数Tab.2Attenuation coefficients of ground motion parameters of two earthquakes

从表2可以看出，回归结果的均方差均小于0.4，表明衰减关系的拟合结果是有效的．但图5和图6中地震动幅值拟合结果残差的分布显示，两次地震均有一个台站的数据残差出现明显异常，且为同一台站(昭通靖安53ZTJA)．该台站位于土层场地，两次地震的震中距离均不超过30,km，Ms5.7级地震中NS、EW、UD 3分量地震动的PGA分别为0.056g、0.025g和0.052g，而Ms5.6级地震3分量的PGA分别达到0.119g、0.058g和0.188g，超出Ms5.7地震的1倍以上，若该台站的强震动记录无误的话，一次中强地震的水平向PGA超过0.1g，竖向PGA接近0.2g，应引起重视．

图4 两次地震地震动的PGV衰减关系Fig.4 Attenuation of PGV with epicenter distance for two earthquakes

图5 两次地震地震动PGA的衰减关系残差Fig.5Attenuation residual error of PGA for two earthquakes

图6 两次地震地震动PGV的衰减关系残差Fig.6 Attenuation residual error of PGV for two earthquakes

2.3 衰减关系结果比较

尽管两次地震动的峰值衰减关系存在较大差别，但考虑到两次地震的震级相差很小，仍将两次地震的地震动进行了合并处理，得到水平向峰值加速度PGA的衰减关系式和均方差分别为

考虑地震震级为Ms5.7级时，选取文献[9,11,13]的研究结果与本文衰减关系进行了对比(见图7)．发现本文衰减关系在小于约65,km的近、中场明显小于其他衰减关系，在远场的取值大于文献[11]给出的结果．总体上认为此两次地震的地震动幅值是偏低的．

图7 本文结果与其他衰减关系的比较Fig.7 Comparison of the attenuation relationship of the paper with those of other studies

2.4 幅值比PGAV/H

抗震设计规范中对竖向地震动参数的规定主要是考虑了竖向与水平向地震动加速度幅值的统计关系(PGAV/H)，采用一固定常数将水平向设计谱折减为竖向设计谱的做法．若考虑竖向与水平向地震动加速度反应谱比的统计结果，这一规定显然是不合适的，原因是竖向与水平向地震动的频谱成分在谱周期段的分配并非是等比例的或确定的，它是随场地条件、距离、震级等因素的影响而变化的[19-20]．但将竖向与水平向地震动加速度幅值的统计关系应用于竖向设计谱并非不可以，这就需要从两个方面分析二者之间的关系，即加速度幅值关系和频谱周期关系．这里先就竖向与水平向地震动加速度峰值比进行分析.根据同一台站的3分量记录，将竖向峰值加速度分别除以两水平分量峰值加速度得到两个幅值比，取两幅值比的平均值作为该台站的幅值比．图8给出了两次地震各台站竖向与水平向的加速度幅值比随震中距的变化关系．可以看出，加速度幅值比PGAV/H随距离的增加呈减小的趋势．采用“S”形曲线公式Dose函数对离散峰值比进行了非线性拟合，两次地震的拟合结果较为接近，但均在近场的比值偏大，如在小于100,km范围的平均峰值比达到1.44，100～200,km范围的平均比值也达到0.9，远高于规范中2/3的水平，也明显超过了集集地震和汶川地震的峰值比水平[16，18]．

图8 加速度幅值比PGAV/H随距离的变化情况Fig.8 Variation of PGAV/Hwith distance

3 地震动反应谱

3.1 加速度规准反应谱

为了研究距离、方向对反应谱的影响及两次地震地震动频谱之间存在的差别，考虑到地震动的数量较少和分布情况，将两次地震的地震动按震中距分为近、中场(ED＜100,km)和远场(ED＞100,km)两类. Ms5.7地震近中场和远场分别有10个和11个台站，Ms5.6地震的近中场和远场分别有9个和14个台站．分别计算了水平向和竖向地震动加速度规准反应谱的平均谱，如图9所示．短周期段近中场地震动反应谱的谱值明显大于远场地震动，其他周期段远场地震动的规准谱高于近中场地震动谱；距离范围相同时，Ms5.7级地震动规准反应谱值总体上略大于Ms5.6地震动谱值．这与其他的一些研究结果是一致的[17,19-20]．还可发现，距离和震级对竖向规准化谱的影响更为明显，这主要与竖向地震动的高频成分随距离增大迅速衰减的特性有关．

图9 距离与分量对规准加速度反应谱的影响Fig.9 Influences of distance and component on normalized acceleration spectra

由于两次地震的记录台站数量及其距离分布情况均比较相近，这使得对两次地震反应谱之间的对比成为可能．为此，将两次地震地震动的反应谱分别进行平均，一同示于图10．可以看出，Ms5.7级地震水平分量在小于0.2,s的短周期段和大于1,s的长周期段的谱值略大于Ms5.6级地震，而中周期段的情况相反，但总体上差别不明显；竖向分量的情况差别较显著，尤其表现在1～5,s的周期段，此时Ms5.7级地震动谱最大达到Ms5.6级谱的2倍以上，表明Ms5.7级地震竖向长周期成分较Ms5.6级地震相对丰富．

图10 两次地震地震动规准加速度反应谱的比较Fig.10Comparison of normalized acceleration spectra of two earthquakes

3.2 竖向与水平向谱比

为进一步反映地震动竖向分量与水平向分量反应谱的关系，针对每一个台站的3个分量，将竖向分量反应谱分别除以水平向分量反应谱，可得到两个谱比曲线．按照距离的分类分别计算了两次地震地震动的加速度谱比(SAV/H)和规准加速度谱比(NSAV/H)，分别示于图11中．可以看出，加速度谱比在高频段迅速上升，而后又下降，谱值在中长周期段逐渐增大最后稳定在某一水平．这种变化趋势与以往的研究是一致的[18,28]．但与多数结果不同的是，两次地震的加速度谱比在高频段的谱比最大值超过了2，且长周期段的谱比接近或超过了1，均明显偏高．这种结果可能与两次地震竖向分量峰值加速度的偏大有关，还可能与远场竖向地震动中相对较丰富的长周期分量有关．从图11(b)给出的规准加速度谱比中也可以看出这个特征．

3.3 与设计谱的比较

将两次地震的水平向分量地震动平均规准谱与《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[30]设计谱进行比较．规范设计谱选取的3条谱曲线分别为Ⅰ0、Ⅱ和Ⅲ类场地，均按第2组考虑，设计特征周期分别为Tg=0.25,s、0.40,s和0.55,s，如图12所示．可以看出，在小于0.1,s的短周期段，规范谱基本不低于两次地震的规准谱．在平台段，规准谱的高度接近或超过2.5，明显高于规范谱2.22的取值；主要差别表现在大于0.3,s的中长周期段，两次地震的谱值均明显低于规范Ⅱ和Ⅲ类土层场地的谱值．尽管两次地震绝大多数台站的场地为土层场地，但平均谱值却与规范谱Ⅰ0类岩石场地的谱值相近，在大于1,s长周期段的谱值更是显著低于规范谱．由此来看，对于中强地震，规范设计谱中长周期段的取值是偏于保守的．但对于大震级强烈地震而言，许多研究结果[25,29]显示长周期段的取值仍然偏低．这一矛盾表明，针对不同震级的地震动，设计谱长周期段的表达(下降速度等参数的取值)尚需有明显区别．

图11 两次地震地震动加速度谱比和规准加速度谱比Fig.11 Acceleration spectra and normalized spectra ratios for two earthquakes

图12 加速度规准谱与设计谱的比较Fig.12 Comparison of the normalized acceleration spectra with design spectra

4 结 论

云贵交界地区连续发生两次中强地震，为地震动特性的比较研究提供了难得的数据．本文从地震动衰减关系和反应谱两个方面考查了两次地震地震动的工程特征，主要得到以下一些研究结果和认识．

(1) 衰减关系显示，近、中场竖向地震动幅值明显偏高，竖向地震动峰值随距离衰减较快．竖向与水平向地震动加速度峰值比在近、中场区偏大，明显高于现行抗震规范中竖向/水平向地震动峰值比2/3的规定．

(2) Ms5.6级地震地震动峰值在近、中场明显大于Ms5.7级地震动，仅在远场小于Ms5.7级地震，但Ms5.6级地震动衰减速度较Ms5.7级更快，可解释为地震动的幅值还与震源深度有一定关系．

(3) 衰减关系对比表明，此两次地震的峰值总体上是偏低的．有个别台站的地震动峰值出现异常(昭通靖安台站 Ms5.6级地震动峰值超出Ms5.7地震动一倍以上)，应引起重视．

(4) 与规范设计谱的比较显示，规准谱平台段的高度明显高于规范谱；尽管两次地震绝大多数台站的场地为土层场地，但其平均谱在中长周期段却与规范岩石场地Ⅰ0的谱值相近．因此，对于中强地震而言，规范设计谱中长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.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB013601)；国家自然科学基金资助项目(51238012，50938006)；国家自然科学基金面上项目(51178152)；中国博士后科学基金资助项目(2012M511530).

徐龙军（1976— ），男，博士，副教授，博士生导师.

徐龙军，xulongjun80@163.com.