汶川8_0级地震强震动加速度记录的初步分析

第 29卷 第 1期 2009年 2月 　 　　　　 地 　震 　工 　程 　与 　工 　程 　振 　动 JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEER ING AND ENGINEER ING V IBRATION Vol. 29 No. 1 　Feb. 2009 　　收稿日期 : 2008 - 10 - 09; 　修订日期 : 2008 - 12 - 20 　　基金项目 :中国地震局公益性行业科研专项 (200708010) 　　作者简介 :于海英 (1962 - ) ,男 ,研究员 ,主要从事强震动观测数据处理与数据库研究. E2mail: haiyingyu@126. com 文章编号 : 1000 - 1301 (2009) 01 - 0001 - 13 汶川 8 . 0级地震强震动加速度记录的初步分析 于海英 ,王　栋 ,杨永强 ,解全才 ,江汶乡 ,周宝峰 (中国地震局 工程力学研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150080) 摘 　要 :本文对国家强震动台网中心收集的 2008年 5月 12日 14时 28分 04秒汶川 8. 0级地震中获 取的 420组三分量加速度记录进行了处理和初步分析。在分析前对原始加速度记录进行整理、转换 数据格式、零线校正、录入原数据 ,形成标准格式的未校正加速度数据 ;在这次地震中布设在龙门山 断裂带及其周围地区有 50多个台站获得了大于 100 Gal的加速度记录 ,有 46组三分量加速度记录 的断层距小于 100 km,使中国大陆近断层区域所获得的强震动加速度记录的数量成倍增加。本文依 据这批数据对汶川大地震强震动特性进行了初步分析 ,给出了此次地震断层附近地区的 PGA衰减 规律 ,并利用此规律模拟断层附近的加速度峰值 ,绘制了 PGA分布图 ;给出了汶川地震断层附近的 加速度反应谱、上盘效应、速度大脉冲效应等地震动特征 ,这些特征可作为抗震 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 修订的依据 及灾区重建时参考 ;最后展望了这批强震动加速度记录的应用前景。 关键词 :汶川 8. 0级地震 ;加速度记录 ;数据处理 ;零线校正 ;强震动特性 ;衰减规律 ; PGA分布 中图分类号 : P315. 916 　　　　　文献标志码 : A The prelim inary ana lysis of strong ground m otion records from the M s 8 . 0 W enchuan Earthquake YU Haiying, WANG Dong, YANG Yongqiang, X IE Quancai, J IANG W enxiang, ZHOU Baofeng ( Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Adm inistration, Harbin 150080, China) Abstract: A total of 420 three2component acceleration records got from the W enchuan Earthquake, which struck Sichuan, China at 14∶28∶04 on May 12 th, 2008 collected by China strong motion net center was p rocessed and an2 alyzed p relim inarily. In order to get the standard format uncorrected accelerogram s, the data format of the seism ic original records was transformed, the base lines were corrected, and the metadata entry was done routinely before the normal analysis p rocessing. There were more than 50 stations in Longmenshan Mountain fracture zone and its circumference, which obtained acceleration records. The maximum amp litudes of acceleration are greater than 100 Gal. The distances from the fault of 46 three2component acceleration records are less than 100 km. This made the amount of strong motion records obtained near2fault in Mainland China doubly increased. Based on the collected da2 ta, the basic characteristics of the strong ground motions ofW enchuan Earthquake were analyzed. According to the statistical analysis of PGA , the W enchuan Earthquake specific attenuations were also given. W e used this attenua2 tion relationship to simulate the PGA of near2fault regions. The spatial distributions of the PGA are p lotted. W e gave out the basic characteristics of near2fault ground motion of this earthquake, such as the acceleration response spectra, the hanging wall effects, the rup ture directivity effects, the fling step effecs and so on. These characteris2 tics can be used as references in the seism ic design code revision and disaster area reconstruction. Finally, the ap2 p lication of these seism ic records is p rospected. Key words:M s 8. 0 W enchuan Earthquake; acceleration records; data p rocessing; base line correction; character2 istics of strong ground motions; attenuation relationship; spatial distributions of PGA 引言 2008年 5月 12日 14点 28分 ,在中国四川省汶川县发生了震级为 M s 8. 0的特大地震 ,震中位于北纬 31. 021度 ,东经 103. 367度 ,震源深度 14 km。汶川地震发生在龙门山逆冲断裂带上 ,该断裂带是活动强烈 的青藏高原块体与活动较弱的四川盆地块体之间的交界线 ,沿着四川盆地西北缘底部切过 ,长约 400 km,宽 达 60 km,是一个规模巨大的复合型构造带。龙门山断裂带由 4条大断裂构成 ,自西向东分别为龙门山后山 断裂 (汶川 -茂汶断裂 )、中央断裂 (北川 -映秀断裂 )、前山断裂 (灌县 - 江油断裂 )和山前隐伏断裂。控制 本次强震发生的断裂是中央断裂 ,断层破裂以逆冲为主 ,兼有走滑分量 ,震源机制复杂。整个破裂过程为单 侧破裂 ,破裂始于汶川县映秀镇附近 ,向东北方向经北川县延伸了约 300 km [ 1 ]。在中国除黑龙江、吉林、新 疆以外所有地区均有不同程度的震感 ,尤以四川、陕西、甘肃三省震灾最为严重。截至 2008年 8月 22日 ,共 发生达到 4. 0级的余震 261次 ,达到 5. 0级的余震 39次 ,达到 6. 0级的余震 8次 ,最大余震为 6. 4级。主震 和余震分布如图 1所示。 图 1　汶川大地震主震和余震震中分布 Fig. 1　Ep icenter distribution ofW enchuan Earthquake main shock and aftershocks 在 5. 12汶川大地震中 ,国家数字强震动台网有 420个台站 (其中包括 402个固定自由场台站、1个地形 影响台阵和 2个结构台阵 )获得了震相完整的强震动加速度记录 ,尤其是布设在龙门山断裂带及其周围地 区有 50多个台站获得了大于 100 Gal的加速度记录 ,有 46组三分量加速度记录的断层距小于 100 km,使中 国大陆在近断层区域获得的强震动加速度记录的数量成倍增加 ,极大地丰富了我国强震动观测数据库。本 文主要内容是对国家强震动台网中心所收集到的强震加速度记录进行处理 ,并初步分析这次地震的地震动 特性。获得记录的固定自由场强震动观测台站分布如图 2所示。获取到强震动加速度记录的台站所使用的 仪器均为数字强震动仪 ,如 GDQJ - II、GDQJ - 1A、GSMA - 24 IP、Etna、K2、GSR - 18、MR - 2002等 7种型号 的数字强震仪 ,传感器大部分使用 SLJ - 100型力平衡式加速度计 ,只有少部分 Etna内置传感器采用 ES - T 型力平衡式加速度计 ,频率范围在 0～80 Hz,采样率一般是 200 sp s,事前预存储 20 s。汶川地震主震后 ,中 2 地 　震 　工 　程 　与 　工 　程 　振 　动 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷 国地震局组织调动了国家强震动台网中心、西北强震动分中心、西南分中心流动观测基地的人员和设备到四 川地震现场进行余震流动观测。在地震重灾区范围内迅速布设了由 59个观测点组成的流动观测台阵 ,同时 根据余震分布和趋势预测情况 ,不断地调整流动观测台阵中台站的布设位置 ,以尽可能地获得更多的强震动 观测记录 [ 2 ]。 截至 2008年 9月 30日凌晨 ,国家强震动台网中心共汇集余震强震动事件 2871组三分量。 图 2　汶川 8. 0级地震获得记录台站分布图 Fig. 2　The stations at which the records from M s8. 0 W enchuan Earthquake were obtained 1　加速度记录的收集、整理与统计分析 中国数字强震动台网的 420个台站在 2008年 5月 12日 14时 28分 04秒汶川地震中获得了强震动记 录 , 台站分布于 19个省市 :四川、云南、甘肃、陕西、宁夏、青海、山西、山东、河南、河北、北京、天津、内蒙古、 江苏、上海、福建、广东、湖北、安徽 [ 3 ]。其中四川台站 131个 ,其他省市台站 289个。本文选取断层附近 21 个台站的加速度记录波形绘于图 3,地震动峰值加速度分布统计如图 4所示。初步分析统计结果如下 : (1) 强震动事件 420组 ,其中有 7个台站单通道未获得记录 ,即共获取 1253条加速度记录 ;峰值大于 100 Gal的加速度记录有 118条。 (2) 最大加速度记录峰值为 957. 7 Gal,是汶川卧龙台获得的。其次是绵竹清平台 ,再次是什邡八角台 , 这三个主震记录加速度峰值见表 1。 (3) 断层距小于 20 km的有 12个台站 , 20 km和 50 km之间有 11个台站 ; 50 km和 100 km之间有 23个 台站 ;离断层最近的强震动台站是四川绵竹清平台 ,距断层 1. 05 km。 (4) 断层附近的加速度记录峰值高 ,其中有一个自由场台站峰值加速度接近 1个重力加速度。持续时 间长 ,平均在 160 s。 (5) 断层附近的计算速度和位移记录峰值较高 ,其中绵竹清平台东西向峰值速度和位移分别达到 131 cm / s和 130 cm,计算速度和位移曲线见图 5,速度大脉冲效应明显。 3第 1期 　　　　　　　　　　　　于海英等 :汶川 8. 0级地震强震动加速度记录的初步分析 4 地 　震 　工 　程 　与 　工 　程 　振 　动 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷 5第 1期 　　　　　　　　　　　　于海英等 :汶川 8. 0级地震强震动加速度记录的初步分析 图 3　汶川 8. 0级地震加速度时程曲线 Fig. 3　Accelerogram s ofM s 8. 0 W enchuan Earthquake 6 地 　震 　工 　程 　与 　工 　程 　振 　动 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷 图 4　地震动峰值加速度分布统计 Fig. 4　Statistical distribution of peak ground accelerations 表 1　三个主震加速度记录峰值和主频 Table 1　Peak ground accelerations and main frequencies of three records 台站名称 EW 峰值 /Gal 主频 /Hz NS 峰值 /Gal 主频 /Hz UD 峰值 /Gal 主频 /Hz 汶川卧龙 957. 7 2. 4 652. 9 5. 5 948. 1 8. 1 绵竹清平 - 824. 1 1. 9 802. 7 1. 5 622. 9 11. 0 什邡八角 556. 2 3. 4 - 581. 6 3. 4 633. 1 7. 6 2　加速度记录的数据处理 汶川 8. 0级地震数据处理工作是在国家强震动台网中心完成的 ,常规数据处理分析包括 :原始加速度记 录的整理、转换、统一数据格式 ,录入原数据 ,调整零线 ,以及绘制未校正加速度图。 零线调整步骤如下 : (1)计算原始加速度记录事件前 20 s记录的平均值 ; (2)将原始加速度记录数据减去事前记录平均值 ; (3)对个别有零线漂移的加速度记录作旋转调整。 分析计算包括 :对未校正加速度进行校正计算 ,积分后给出速度和位移 ,计算反应谱和傅里叶振幅谱 ,绘 制统一规范的图件。图 5是汶川卧龙、绵竹清平、什邡八角台加速度记录经统一规范数据格式、校正分析处 理前给出的未校正加速度时程曲线、校正分析处理后校正加速度、速度、位移时程曲线、加速度傅里叶振幅谱 和三联反应谱。 未校正加速度时程曲线 校正加速度、速度、位移时程曲线 7第 1期 　　　　　　　　　　　　于海英等 :汶川 8. 0级地震强震动加速度记录的初步分析 加速度傅里叶振幅谱 三联反应谱 图 5　汶川 8. 0级地震汶川卧龙、绵竹清平、什邡八角台强震动记录常规处理结果 Fig. 5　Strong motion record routine p rocessing results ofWolong station, Q ingp ing station, Bajiao station from M s 8. 0 W enchuan Earthquake 3　加速度峰值的衰减规律 在统计衰减规律时 ,首先定义断层距为场地至断层面的最短距离。此断层面采用美国 USGS网站公布 的汶川 8. 0级地震震源机制模型中的断层面 [ 5 ]。收集到的加速度记录峰值共计 1253个 ,其中东西向 419 个、南北向 420个、竖向 414个 ,以这批数据为基础统计回归了汶川 8. 0级地震加速度记录衰减规律 ,图 6为 自由场地峰值加速度与距离的关系。图中实线、虚线、点划线分别为东西向、南北向、竖向的统计回归后的衰 减规律曲线 ,其方程式与参数如下 : log10 ( PGA ) = a + b3 log10 (D rup + c) 8 地 　震 　工 　程 　与 　工 　程 　振 　动 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷 表 2　回归参数表 Table 2　The list of regression parameters 方向 a b c σ EW 4. 705 - 1. 337 25. 683 0. 293 NS 4. 697 - 1. 333 28. 260 0. 300 UD 4. 275 - 1. 293 13. 402 0. 258 其中 PGA 为峰值加速度 ( Gal) ; D rup为断层距 ( km) ; a, b, c为回归参数列于表 3,其中σ为回归 标准差。 在近断层回收的加速度记录中 ,有一个台站 的 PGA值接近 1 g ,且由于映秀 - 北川断层是向 东偏北走向的逆冲断层 ,上盘的加速运动方向是 向东 ,下盘的加速运动方向是向西 ,如上盘汶川 卧龙台和下盘的绵竹清平台的东西分量 PGA分 别是 957. 7 Gal和 - 824. 1 Gal;而南北分量 PGA分别是 652. 9 Gal和 802. 7 Gal。由于汶川地震的破裂由南 向北 ,由逆冲机制变为走滑机制 ,断层开始逆冲破裂阶段的东西分量 PGA值较南北分量大。然而就整个区 域的 PGA分布来看 ,东西分量和南北分量的大小没有明显规律。 图 6　汶川 8. 0级地震自由场峰值加速度随断层距离的衰减曲线 Fig. 6　Free2field PGA distance2attenuation curves ofM s 8. 0 W enchuan Earthquake 4　加速度峰值分布 地面运动加速度大小和强震动持续时间长短直接决定了地震的破坏力 ,汶川地震获得的大量强震动数 据可以用来更好地确定宏观震中 ,为震害评估和救灾提供依据。本文利用汶川 8. 0级地震加速度记录衰减 规律 ,参考场地周边 20km内台站的峰值地表加速度值加以“平滑化 ”[ 4 ]即可模拟该场地峰值加速度 ,模拟的 台站点有四川、甘肃、陕西等省的场地 792个 ,峰值加速度估算公式如下 : log10 ( PGA j ) = log10 y (D istj , Sitej ) + ∑ n i = 1 W (D ij ) Resi 1 + ∑ n i = 1 W (D ij ) 式中 : y (D ist, Site) :某场地回归曲线上对应的地表峰值加速度。 PGA:估算的地表峰值加速度。 W :台站和场地之间距离决定的权重。 Res:实际观测加速度峰值和回归加速度峰值之差。 W (D ) = 1 / (D + 011) D≤20 km 0 D > 20 km 图 7是由上述计算方法求得的加速度分布图 , ( a)、( b)、( c)分别为东西、南北、竖向分量峰值加速度分 布图 ,它们能够较好地描绘震害的分布情况。较大的加速度峰值沿发震断层分布 ,集中在靠近断层的狭长区 域 ;相同断层距的上盘峰值加速度值明显高于下盘值 ,且衰减缓慢 ;发震断层破裂前方的地震动加速度峰值 较大 ,上下盘效应和方向性效应较明显。 9第 1期 　　　　　　　　　　　　于海英等 :汶川 8. 0级地震强震动加速度记录的初步分析 图 7　汶川 8. 0级地震峰值加速度分布 Fig. 7　PGA distribution ofM s 8. 0 W enchuan Earthquake 5　加速度反应谱 根据汶川地震断层附近台站获得的加速度记录计算单自由度弹性反应谱 (阻尼为 5% )。图 8为断层附 01 地 　震 　工 　程 　与 　工 　程 　振 　动 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷 近 21个台站东西向、南北向及竖向加速度反应谱。由图中反应谱形状可知 ,加速度反应谱卓越周期在 1 s 以内 ,大部分台站加速度反应谱值在周期 2 s以内有较大数值 ,部分台站加速度反应谱值在周期 4 s以内仍 有较大数值 ,本次地震近断层附近的加速度反应谱长周期分量并不明显 ,而在沿断层破裂方向 ,且离震中较 远的陕西部分台站 (渭南、西安、咸阳分别离开震中卧龙 691 km、637 km、621 km )长周期分量十分显著。加 速度反应谱在 9 s左右仍有较大谱值。图 9为西安附近 3个台站加速度反应谱 ,这与该地区的场地条件有密 切关系 ,渭南、西安、咸阳 3个台址区分别位于渭河断裂北侧、渭河断陷盆地中部、渭河断裂带附近 ,且都是土 层 ,依据中华人民共和国建筑抗震设计规范《GB50011 - 2001》,场地条件类型均为 Ⅲ类。这样的场地对地震 动有放大作用 ,且地震动长周期分量明显 ,工程震害资料表明该地区有些烟囱或高大构筑物严重破坏。 11第 1期 　　　　　　　　　　　　于海英等 :汶川 8. 0级地震强震动加速度记录的初步分析 图 8　汶川 8. 0级地震断层附近 21个台站加速度反应谱曲线 (阻尼比为 5% ) Fig. 8　The near2fault 21 stations acceleration response spectra ( damp ing ratio = 5% ) ofM s 8. 0 W enchuan Earthquake 图 9　汶川 8. 0级地震西安附近 3个台站加速度反应谱曲线 Fig. 9　Acceleration response spectra ofM s 8. 0 W enchuan Earthquake at three stations near Xi′an 21 地 　震 　工 　程 　与 　工 　程 　振 　动 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷 6　结语 汶川大地震以前 ,由于我国强震动台站数量很少 ,缺乏自己的强震动观测记录尤其是大震近场记录。汶 川大地震强震动记录群均为数字强震仪记录 ,震相完整、记录质量高 ,并且具有详细的台站场地资料 ,为研究 我国强地震动的衰减规律、修改地震动参数区划图、重新确定抗震设计加速度和设计谱 ,提供极其宝贵的资 料。在此基础上修订各类建筑结构、核电站的抗震设计规范 ,将更加合理和符合中国国情。由本文的初步分 析可以得到下列结论 : (1)断层附近的加速度记录峰值高 ,其中有一个自由场台站峰值加速度接近 1个重力加速度 ,较大的地 表加速度值分布在断层两侧及沿断层破裂方向。持续时间长 ,平均在 160 s。 (2)断层附近的计算速度和位移记录峰值较高 ,其中有一个自由场台站东西向峰值速度和位移分别达 到 131 cm / s和 130 cm,速度大脉冲效应较明显。 (3)较大的加速度峰值沿发震断层分布 ,集中在靠近断层的狭长区域 ;相同断层距的上盘峰值加速度值 明显高于下盘值 ,且衰减缓慢 ;发震断层破裂前方的地震动加速度峰值较大 ,上盘效应和方向性效应较明显。 (4)由近断层加速度反应谱可得本次地震近断层附近的加速度反应谱长周期分量并不明显 ,而在沿断 层破裂方向 ,受场地条件和地质环境的影响 ,离震中较远的部分台站 (如渭南、西安、咸阳 )长周期分量十分 显著。 (5)如此大范围的台站获得特大地震主震加速度记录 ,极大地丰富了我国的强震动记录数据库 ,填补了 我国获取强地震近场加速度记录的空白。 致谢 :感谢中国地震局震害防御司对本项工作的大力支持 ,感谢强震动首席专家周雍年研究员、李小军 研究员对本文和数据回收处理工作提出的宝贵意见 ;感谢四川、云南、甘肃、陕西、宁夏、青海、山西、山东、河 南、河北、北京、天津、内蒙古、工力所、江苏、上海、福建、广东、湖北、安徽各省市地震局或单位的所有强震动 观测人员在汶川地震观测、记录收集工作中的辛勤劳动。 参考文献 : [ 1 ]　陈运泰 ,许力生 ,等. 2008年 5月 12日汶川特大地震震源特性分析 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 [ R ]. 中国地震局地球物理研究所网站汶川 8. 0级地震抗震救灾 科技专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 报道 , 2008. 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