透過"熱鬧"看"門道" | 0516昭通4.7級地震分析與討論

前言

俗話說：“外行看熱鬧，內(nèi)行看門道”。昨天凌晨在云南昭通市永善縣發(fā)生了4.7級地震（詳見：RED-ACT: 云南省昭通市永善縣4.7級地震破壞力分析）。雖然這次地震的震級不大，但是這次地震應(yīng)急分析中的“門道”倒確實頗有值得一提之處。

首先回顧一下這次地震應(yīng)急的歷程，并感謝中國地震臺網(wǎng)中心為本研究提供數(shù)據(jù)支持。0516昭通地震發(fā)生在凌晨4時33分。我一看震級只有4.7級，基于傳統(tǒng)上“破壞性地震一般大于5級”的經(jīng)驗，就沒有辛苦研究生們起床動手分析，直到早上8點多，估計大家都開始到崗上班了，才開始干活。結(jié)果拿到地震數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)居然加速度超過10cm/s2的地震動多達20余條，這大大出乎我們的意料。當(dāng)然，這一方面充分體現(xiàn)出我國強震臺網(wǎng)建設(shè)的最新成果，目前在川滇交界局部，我國的強震臺網(wǎng)密度已經(jīng)超過了令我們此前羨慕很久的，號稱世界最密集的日本臺網(wǎng)的密度。相信隨著臺網(wǎng)建設(shè)水平的提高，未來必將實現(xiàn)覆蓋全國的密集強震臺網(wǎng)，為地震工程和震后應(yīng)急提供重大支持。當(dāng)然，伴隨著建設(shè)的過程，也必然會存在各種“成長的煩惱”，比如一些臺站的數(shù)據(jù)格式和傳統(tǒng)格式不一致等等。這個問題導(dǎo)致這次應(yīng)急耽誤了一些時間。但無論如何，密集的臺站給我們揭開了地震很多有意思的秘密。

一、震級 vs 強震記錄

這次地震的震級雖然只有4.7級，尚未達到經(jīng)驗里“破壞性地震一般大于5級”的標(biāo)準(zhǔn)，但是實際上還是造成了一定的破壞（圖1）。

1

2

3

4

5

6

圖1 災(zāi)區(qū)實際震害(CCTV-13新聞頻道, 2019; 新京報網(wǎng), 2019)

（1）落石（2）土木結(jié)構(gòu)破壞1（3）土木結(jié)構(gòu)破壞2（4）土木結(jié)構(gòu)破壞3（5）土木結(jié)構(gòu)破壞4（6）土木結(jié)構(gòu)破壞5

而強震觀測利用儀器來觀測地震時強地面運動記錄，能為震害的分析與評估提供定量的數(shù)據(jù)。由于地震記錄是一個隨著時間不斷變化結(jié)果，所以，目前大多采用地震記錄的峰值來表征一個地震的強弱。比如，現(xiàn)在地震記錄中最常用的峰值就是峰值加速度PGA或者峰值速度PGV。我國也給出了根據(jù)峰值數(shù)據(jù)確定儀器烈度的方法：

首先根據(jù)式(1)、(2)將三個方向的地震動進行合成得到合成地震動的PGA和PGV，接著根據(jù)式(3)、(4)和(5)推算得到儀器烈度I、IPGA和IPGV（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司, 2015）。

按照以上方法，對本次云南地震四個典型臺站記錄進行了對比分析，臺站PGA及儀器烈度如表1所示。四個臺站地震動反應(yīng)譜對比如圖2-5所示。本次地震W3006、C2510和W3709等臺站的儀器烈度達到六度，說明本次地震會對這些臺站周邊建筑造成一定的破壞。因此，相較于根據(jù)震級的地震破壞力的判定方法，儀器烈度能夠較好地反映本次地震的破壞力，為應(yīng)急救援提供參考。

表1 典型臺站信息

圖2 W3605臺站記錄反應(yīng)譜

圖3 W3006臺站記錄反應(yīng)譜

圖4 C2510臺站記錄反應(yīng)譜

圖5 W3709臺站記錄反應(yīng)譜

所以，通過震級大小來估計地震損失，其準(zhǔn)確性有較大的不確定性。在具備了密集臺網(wǎng)監(jiān)測條件的今天，其局限性已經(jīng)越來越明顯。隨著傳感器價格的下降和通訊技術(shù)的提升，發(fā)展基于密集強震臺網(wǎng)的震害評估手段顯然是未來的發(fā)展趨勢。

二、儀器烈度 vs 抗震彈塑性分析

實測的儀器烈度雖然比通過震級來估算地面運動強度進步了不少，但是它畢竟把一個復(fù)雜的地面運動過程簡化成了一個峰值。因此，在某些情況下峰值可能就不能很好的反映世界的真實情況。而彈塑性時程分析把完整的時程記錄輸入到對象結(jié)構(gòu)中，可以更好地考慮地震動的時域、頻域各特性。

基于城市抗震彈塑性分析和實測地面運動的地震破壞力速報系統(tǒng)給出了本次地震下典型單體建筑的響應(yīng)情況，如表2所示。其中，速報所選的單體結(jié)構(gòu)自振周期如表3所示。可見，3層和6層框架的層間位移角均小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010規(guī)定的彈性層間位移角限值1/550，結(jié)構(gòu)處于完好狀態(tài)。這是因為分析所用的典型臺站的地震動記錄主要為短周期分量，0.4 s 以上周期分量很小，而分析所用3層和6層鋼筋混凝土框架的一階周期均大于0.4 s，故此地震動對上述框架的破壞力較弱。從框架結(jié)構(gòu)響應(yīng)來看，W3709臺站記錄作用下框架結(jié)構(gòu)層間位移角大于W3006臺站，而W3709臺站儀器烈度小于W3006臺站，這說明儀器烈度的大小并不能反映該框架結(jié)構(gòu)響應(yīng)的大小。

單層未設(shè)防砌體的一階周期處于W3006、C2510和W3709臺站反應(yīng)譜峰值段，因此，W3006、C2510、W3709臺站記錄對單層未設(shè)防砌體的破壞較W3605臺站嚴(yán)重。總體上，儀器烈度大的臺站記錄對該砌體結(jié)構(gòu)的破壞力更大，但也存在個別情況，如W3709和C2510臺站儀器烈度均為6.1，但W3709記錄作用下砌體結(jié)構(gòu)較C2510臺站更為嚴(yán)重，這說明儀器烈度并不能全面地反映不同臺站地震動記錄對該砌體結(jié)構(gòu)破壞力的大小。

表2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)及破壞情況匯總

表3 速報分析所采用結(jié)構(gòu)的自振周期

利用密布強震臺網(wǎng)在震后獲取的實時地震動信息，再結(jié)合城市抗震彈塑性分析，就可以得到地震發(fā)生后不同地點的建筑破壞情況。本次地震典型臺站地震動作用下建筑的破壞比例如表4所示，其中中等破壞的建筑主要為土木結(jié)構(gòu)，這與實際震害調(diào)查結(jié)果一致（圖1）。從表4中可知，總體上儀器烈度大的臺站處建筑破壞更為嚴(yán)重，但也存在個別異常情況（如W3006臺站儀器烈度更大，但是破壞卻不及W3709臺站），說明儀器烈度并不能全面反映地震對區(qū)域建筑的破壞。對于同一臺站，城市抗震彈塑性分析的結(jié)果不僅能給出不同破壞狀態(tài)建筑的比例，還能給出考慮建筑對加速度的放大效應(yīng)及人員加速度感受，分析結(jié)果較儀器烈度更為豐富。同時，儀器烈度只能考慮地震的作用，不能考慮建筑的抗震能力，而城市抗震彈塑性分析則能很好地考慮建筑的特性。

表4 不同臺站破壞比例與儀器烈度對比

三、RED-ACT的地震滑坡分析

RED-ACT地震速報系統(tǒng)能夠根據(jù)實測地震動進行地震滑坡分析，表5給出了不同臺站地震滑坡臨界坡度與儀器烈度對比。根據(jù)臨界坡度，就可以對周邊地區(qū)的滑坡風(fēng)險給出較為合理的評估。進一步對比分析可知，儀器烈度大的臺站臨界坡度不一定小，這主要是因為地震滑坡不僅與地震動強度相關(guān)，還和地震動的完整時程相關(guān)，還與當(dāng)?shù)氐牡匦渭皫r土體的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。因此，基于密集強震臺網(wǎng)實時記錄的滑坡分析未來將可以提供更加合理的評估結(jié)果。

表5 不同臺站地震滑坡臨界坡度與儀器烈度對比

四、結(jié)論

我小時候，父母每天都聽天氣預(yù)報，但是聽的是南京、合肥的天氣預(yù)報。因為當(dāng)時氣象和通訊技術(shù)不夠，只能給出南京、合肥這些省會城市的天氣，進而我們自己再根據(jù)南京、合肥的天氣來估計我老家蕪湖的天氣，往往會給出錯誤的天氣預(yù)測結(jié)果。而現(xiàn)在我們不僅可以給出更細(xì)粒度的天氣預(yù)報（比如給出各個城區(qū)的（比如北京海淀區(qū)）的天氣預(yù)報），還可以給出更多的天氣預(yù)報產(chǎn)品。最典型的例子就是體感溫度：比如刮大風(fēng)天的零度和不刮風(fēng)天的零度絕對不是一樣的冷。而之所以有這些進步，就是傳感手段、傳輸手段、分析手段進步的結(jié)果。利用現(xiàn)代發(fā)達的密集強震傳感網(wǎng)絡(luò)，我們希望通過與相關(guān)部門共同的努力，為大家提供更好的地震應(yīng)急分析產(chǎn)出。

最后說一句，在這個強調(diào)自主研發(fā)的時代，我們掌握著RED-ACT系統(tǒng)的每一行代碼。