2013年11月23日吉林松原地震强地面运动三要素特征分析

2013年11月23日吉林松原地震强地面运动三要素特征分析

张仁鹏1，雷焕珍2
（1．吉林省地震局，吉林长春 130022；2．长春市地震速测速报中心，吉林长春 130012）

收集整理了2013年11月23日吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县Ms5.8和Ms5.0地震的地表强震动记录，进行了常规的处理，剔除掉了异常的记录。通过分析地震动三要素特征，首先获得了较为可靠的PGA和PGV幅值，拟合出PGA与PGV之间的关系；其次以较常用的Significant持时、Bracketed持时作为研究对象，进行回归分析，探讨了松原地区地震动持时与距离的相关性；最后计算了松原地震中典型的幅值较大的记录5%阻尼比的反应谱，并与我国《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）中的设计谱进行了比较。

松原地震；强地面运动；幅值；持时；反应谱

0 引言

北京时间2013年10月31日11时3分34秒，吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县（44.6°N，124.2°E）发生5.5级地震，震源深度8km。自10月31日起，余震不断，11月23日6时，松原又发生5.8级和5.0级地震，震区房屋严重受损。此次地震的有感范围比较大，震感波及到吉林省的大部分地区，辽宁省、内蒙以及黑龙江省部分地区也有一定程度的震感，震中烈度达到Ⅶ度。据当地的政府部门统计，受灾的人口有20余万，房屋严重损毁的有5.7万余间，直接的经济损失超过了20亿元，但无一人死亡［1］。

众所周知，地震时在不考虑建筑结构本身因素的前提下，地震动一般作用于建筑物会引起结构破坏，而较强烈地震动往往引起较严重的结构破坏［2］。根据震后调查显示，松原地震中地震动强度与震害程度基本一致。松原地震中吉林省数字强震动观测网络获得少量的高质量强震动记录，本文试图通过地震动三要素（幅值、持时、频谱）分析所获得的松原地震记录的特征，从地震动特征角度给出此次地震震害较轻的解释，为记录的后续使用提供一定的帮助和参考。

1 强震动记录

吉林省强震台网由15个强震台组成，其中有10个强震台是“十五”期间建设并投入使用的，主要是沿公主岭—长春—德惠—榆树沿线分布。有5个强震台是中国地震背景场探测项目实施期间建设完成的，从2013年8月开始运行，主要是沿长春—松原一线分布。这5个台站自北向南依次是风华台、达里巴台、宝甸台、乌兰塔拉台和东三家子台［3］。

11月23日的5.8级和5.0级地震共获得8条强震记录，分别来自沿长春—松原一线分布的风华台（fht）、宝甸台（bdt）、乌兰塔拉台（wlt）和东三家子台（sjt）4个强震台。强震台和震中分布见图1，图2～5给出了4个强震台所获得的5.8级地震波形记录示例。

在分析之前，对所获得的地震动记录进行必要的数据处理。首先，对记录中零线有漂移的进行零线调整。其次，为了消除基线漂移对计算的地震动峰值速度、反应谱长周期部分的影响，采用Boore方法［4］对部分记录进行了基线校正处理。经过上述的处理过程，对加速度时程进行积分可获得较为可靠的PGV值。

图1 强震台网和震中分布图Fig．1 Distribution of strong earthquake station network and epicenters

图2 风华台（fht）地震记录Fig．2 The earthquake record of renghua Station（fht）

图3 宝甸台（bdt）地震记录Fig．3 The earthquake record of Baodian Station（bdt）

图4 乌兰塔拉台（wlt）记录Fig．4 The earthquake record of Wulantala Station（wlt）

2 幅值特征

给出了8条记录水平向和竖向的峰值加速度（表1），由表1可以看出，2013年11月23日的松原地震获得的最大峰值加速度是东三家子强震台记录到的88.1cm／s2。

此外，还可以看出，所搜集到的强震记录存在一个共同的特点，即东西向分量的峰值加速度均大于其他的分量，这一特点表明这两个地震的发震环境基本相同，应该是在相同的应力环境下同一条断裂活动的结果。根据刘启方［5］等的研究表明：垂直于断裂方向的分量较其他分量峰值加速度较大，且断裂活动以走滑为主，震害调查结果显示的破坏区长轴方向也是近南北向的［5］。根据强震动的特点，可以初步判定此次地震的发生是由北—北—东向的断裂影响所导致。

图5 东三家子台（sjt）地震记录Fig．5 The earthquake record of Dongsanjiazi Station（sjt）

表1 松原地震各台站记录的PGATab．1 The PGA of the Songyuan earthquake recorded by each station

借鉴吴兆营等［6］的松原地区强震动衰减关系研究成果，给出了震中距在100km以内的5.8级地震记录的水平向峰值加速度、竖向峰值加速度随震中距的衰减曲线图（见图6）。

由表1和图6可以看出，无论是地震动加速度记录值还是衰减关系计算值，水平向的加速度峰值都要大于竖向，并且随着距离的增加水平向和竖向的衰减速率也各不相同，竖向上衰减相对快一些。

拟合了PGA与PGV之间的关系，如图7所示，拟合结果见式1，拟合相关系数R等于0.89，体现了PGA与PGV之间较好的相关性。

3 持时特征

持时作为工程结构抗震设计与研究中不可或缺的地震动参数之一，尚没有统一的定义，其种类不下40余种［7］。本文以较常用的Significant持时Ds、Bracketed持时DB作为研究对象。Ds通常定义为5%～75%和5%～95%的Arias强度之间的时间间隔［8］，由于这里提到的间隔范围是相对于Arias强度而言的，因此又可以称为相对持时。本文中用DSR（5%～75%）和DSR（5%～95%）表示。DB是指超过一定地震动阈值（通常取0.025g、0.05g和0.1g）的首尾时间间隔，是绝对持时［9］，本文中用DBA（0.025g）、DBA（0.05g）、DBA（0.1 g）表示。

图6 水平和竖向峰值加速度随震中距的衰减曲线图Fig．6 The attenuation curves of horizontal and vertical peak acceleration varied with epicentral distance

图7 PGV与PGA的对数线性关系Fig．7 Logarithmic linear relationship between PGV and PGA

搜集整理松原5.8级震群的强震动记录，针对松原地震强震动记录，按照式（2）回归了上述5种持时随距离变化的关系式，其中，D表示本文研究的5种持时，RΔ表示震中距，在本文研究中取最大值为100km；C1、C2以及σ分别为回归系数和标准差，结果见表2。

表2 5种持时与距离关系的回归系数Tab．2 Regression coefficients for the five kinds of relationships between duration and distance

由表2可看出，所有持时与距离的相关系数都比较小，但这不能表示持时与距离的相关性较小。因为在回归分析过程中，受到很多因素的影响，包括强震台的选址（场地条件）、强震动数据的多少等。就拿本文的结果来说，由于所获地震记录的强震台均为土层自由地表台，因而对记录的数据有一定的影响，再加之本文分析过程中收集到的数据比较少，这都可能对回归结果产生影响。总的来说，地震动持时与距离之间存在着一定的相关性。

4 反应谱特征

计算了图2～5所示的5.8级地震记录的阻尼比为0.05的反应谱，两个水平方向取几何平均值，并与我国《建筑抗震设计规范》（GB50011－2010）［10］中的设计谱进行比较。根据野外勘查可知，松原地区场地类型多为Ⅲ类，因此设计谱场地条件取较普遍的Ⅲ类。由于松原地震中最大的烈度是Ⅶ度，因此选择Ⅶ度设防进行设计比较。图8～9给出了各个记录水平向、竖向5%阻尼比的加速度反应谱与规范设计谱的比较结果。

图8 水平向5%阻尼比的加速度反应谱与规范设计谱的比较Fig．8 Comparison of horizontal 5%damping ratio spectral acceleration between Songyuan earthquake and code design

图9 竖直向5%阻尼比的加速度反应谱与规范设计谱的比较Fig．9 Comparison of vertical 5%damping ratio spectral acceleration between Songyuan earthquake and code design

由图8和图9可以看出，4个记录的加速度反应谱存在同一特点：峰值周期都在0.1～0.2s范围内，且大部分都远高于设计谱，但卓越平台较窄，在对应设计谱特征周期之前迅速下降。考虑到我国中小城市和城镇主要建筑物的结构自振频率范围是1～3Hz，对应的自振周期约是0.3～1s内，这些记录的加速度反应谱远高于设计谱，因此此次地震对于这一自振周期范围的建筑破坏影响较大。另外，在大于1s的中长周期部分谱值更是甚小，仅零点几cm／s2甚至是接近于0，因而此次地震对于结构自振周期较大的桥梁、输电塔等生命线工程以及大型体育馆、超高层建筑等影响非常小。

5 结论

本文介绍了松原地震中吉林省强震动观测网络获得的8组强震动记录的基本情况，从地震动三要素（幅值、持时、频谱）方面分析了这些记录的特征，从地震动特征角度解释了松原地震地面运动较强烈而震害相对较轻的原因，得出了以下几点结论：

（1）松原强震记录存在一个共同的特点，即东西向分量的峰值加速度均大于其他的分量，这一特点表明这两个地震的发震环境基本相同，应该是在相同的应力环境下的同一条断裂活动的结果。根据强震动的记录特点，可以初步判定此次地震是由北—北—东向断裂影响所导致。

（2）给出了震中距在100km以内的5.8级地震记录的水平以及竖向峰值加速度随震中距的衰减曲线图，并进行了比较，得出无论是地震动加速度记录值还是衰减关系计算值，水平向都要大于竖向，并且随距离的增加其衰减速率也各不相同，竖向上衰减的相对快一些。

（3）地震动持时与距离之间存在着一定的相关性。

（4）松原地震典型记录的阻尼比5%的加速度反应谱峰值周期都在0.1～0.2s范围内，且远高于设计谱，但卓越平台较窄，在对应设计谱特征周期之前迅速下降。然而我国中小城市和城镇主要建筑物的结构的自振周期约是0.3～1s内，这些记录的加速度反应谱远高于设计谱，因此此次地震对于这一自振周期范围的建筑破坏影响较大。另外，在大于1s的中长周期部分谱值更是甚小，仅零点几cm／s2甚至是接近于0，因而此次地震对于结构自振周期较大的桥梁、输电塔等生命线工程以及大型体育馆、超高层建筑等影响非常小。

［1］ 武成智，张晨侠，刘俊清，等．2013年10月吉林省前郭强震群研究［J］．国际地震动态，2014，（8）：17－21．

［2］ 任叶飞，温瑞智，周宝峰，等．2013年4月20日四川芦山地震强地面运动三要素特征分析［J］．地球物理学报，2014，57（6）：1836－1846．

［3］ 张帆，魏美璇，付琦，等．不同地震动衰减关系在吉林中西部地区应用分析［J］．防灾科技学院学报，2016，18（2）：95－102．

［4］ Boore D M．Effect of baseline corrections on displacements and response spectra for several recordings of the 1999 Chi⁃Chi，Taiwan，earthquake．Bull．Seism．Soc．Amer．，2001，91（5）：1199－1211．

［5］ 刘启方，袁一凡，金星，等．近断层地震动的基本特征［J］．地震工程与工程振动，2006，26（1）：1－10．

［6］ 吴兆营，刘红帅，迟天峰，等．吉林西部中强地震土层地表地震动衰减关系［J］．自然灾害学报，2015， 24（4）：219－226．

［7］ 任叶飞，代志勇，温瑞智，等．与观测方向无关的水平地震动参数计算方法［J］．世界地震工程，2011，（3）：134－142．

［8］ Trifunac M D，Brady A G．A study on the duration of strong earthquake ground motion．Bull．Seism．Soc．Amer．，1975，65（3）：581－626．

［9］ Bolt B A．Duration of strong ground motions．5th World Conf．Earthq．Eng．，Roma，Italy，1973：Voll，1304－1313．

［10］ GB50011—2010，建筑抗震设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．

Analysis on Characteristics of the Three Elements of Strong Ground Motion of Songyuan Earthquake on Nov．23，2013

Zhang Renpeng1，Lei Huanzhen2
（1．Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun130022，C hina；2．Earthquake Fast Determination and Report Center of Changchun，Changchun130012，China）

The strong ground motion records ofMs5.8 andMs5.0 earthquakes in Mongolian Autonomous County of Qian Gorlos of Songyuan City，Jilin Province on Nov．23，2013 were collected and then conventionally processed to eliminate the abnormal ones．Through analyzing the three elements of ground motion，the reliable PGA and PGV amplitudes were obtained and the relationship between PGA and PGV was fitted．Then，taking the Significant duration and Bracketed duration as study objects，regression analysis was made and the correlation between the duration and epicentral distance in Songyuan area was discussed．Last，the larger amplitude response spectrum with 5%damping ratio of the Songyuan earthquake was calculated and compared with the design spectrum inChina′s Code for Seismic Design of Buildings（GB50011－2010）．

Songyuan earthquake；strong ground motion；amplitude；duration；response spectrum

P315.9

：A

：1673－8047（2017）01－0019－07

2016－11－25

吉林省地震局合同制科研课题（2016）．

张仁鹏（1987—），男，本科，助理工程师，主要从事地震安全性评价、地震现场灾害调查等方面工作。