前言
俗話說(shuō)：“外行看熱鬧，內(nèi)行看門(mén)道”。昨天凌晨在云南昭通市永善縣發(fā)生了4.7級(jí)地震（詳見(jiàn)：RED-ACT: 云南省昭通市永善縣4.7級(jí)地震破壞力分析）。雖然這次地震的震級(jí)不大，但是這次地震應(yīng)急分析中的“門(mén)道”倒確實(shí)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(guó)地震臺(tái)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(shí)33分。我一看震級(jí)只有4.7級(jí)，基于傳統(tǒng)上“破壞性地震一般大于5級(jí)”的經(jīng)驗(yàn)，就沒(méi)有辛苦研究生們起床動(dòng)手分析，直到早上8點(diǎn)多，估計(jì)大家都開(kāi)始到崗上班了，才開(kāi)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(guò)10cm/s2的地震動(dòng)多達(dá)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(guó)強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的最新成果，目前在川滇交界局部，我國(guó)的強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)密度已經(jīng)超過(guò)了令我們此前羨慕很久的，號(hào)稱世界最密集的日本臺(tái)網(wǎng)的密度。相信隨著臺(tái)網(wǎng)建設(shè)水平的提高，未來(lái)必將實(shí)現(xiàn)覆蓋全國(guó)的密集強(qiáng)震臺(tái)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(guò)程，也必然會(huì)存在各種“成長(zhǎng)的煩惱”，比如一些臺(tái)站的數(shù)據(jù)格式和傳統(tǒng)格式不一致等等。這個(gè)問(wèn)題導(dǎo)致這次應(yīng)急耽誤了一些時(shí)間。但無(wú)論如何，密集的臺(tái)站給我們揭開(kāi)了地震很多有意思的秘密。
一、震級(jí) vs 強(qiáng)震記錄
這次地震的震級(jí)雖然只有4.7級(jí)，尚未達(dá)到經(jīng)驗(yàn)里“破壞性地震一般大于5級(jí)”的標(biāo)準(zhǔn)，但是實(shí)際上還是造成了一定的破壞（圖1）。
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圖1 災(zāi)區(qū)實(shí)際震害(CCTV-13新聞?lì)l道, 2019; 新京報(bào)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(qiáng)震觀測(cè)利用儀器來(lái)觀測(cè)地震時(shí)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)記錄，能為震害的分析與評(píng)估提供定量的數(shù)據(jù)。由于地震記錄是一個(gè)隨著時(shí)間不斷變化結(jié)果，所以，目前大多采用地震記錄的峰值來(lái)表征一個(gè)地震的強(qiáng)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(guó)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(gè)方向的地震動(dòng)進(jìn)行合成得到合成地震動(dòng)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(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司, 2015）。
按照以上方法，對(duì)本次云南地震四個(gè)典型臺(tái)站記錄進(jìn)行了對(duì)比分析，臺(tái)站PGA及儀器烈度如表1所示。四個(gè)臺(tái)站地震動(dòng)反應(yīng)譜對(duì)比如圖2-5所示。本次地震W3006、C2510和W3709等臺(tái)站的儀器烈度達(dá)到六度，說(shuō)明本次地震會(huì)對(duì)這些臺(tái)站周邊建筑造成一定的破壞。因此，相較于根據(jù)震級(jí)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(tái)站信息
圖2 W3605臺(tái)站記錄反應(yīng)譜
圖3 W3006臺(tái)站記錄反應(yīng)譜
圖4 C2510臺(tái)站記錄反應(yīng)譜
圖5 W3709臺(tái)站記錄反應(yīng)譜
所以，通過(guò)震級(jí)大小來(lái)估計(jì)地震損失，其準(zhǔn)確性有較大的不確定性。在具備了密集臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)條件的今天，其局限性已經(jīng)越來(lái)越明顯。隨著傳感器價(jià)格的下降和通訊技術(shù)的提升，發(fā)展基于密集強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)的震害評(píng)估手段顯然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
二、儀器烈度 vs 抗震彈塑性分析
實(shí)測(cè)的儀器烈度雖然比通過(guò)震級(jí)來(lái)估算地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)步了不少，但是它畢竟把一個(gè)復(fù)雜的地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化成了一個(gè)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(shí)情況。而彈塑性時(shí)程分析把完整的時(shí)程記錄輸入到對(duì)象結(jié)構(gòu)中，可以更好地考慮地震動(dòng)的時(shí)域、頻域各特性。
基于城市抗震彈塑性分析和實(shí)測(cè)地面運(yùn)動(dòng)的地震破壞力速報(bào)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(bào)所選的單體結(jié)構(gòu)自振周期如表3所示?？梢?jiàn)，3層和6層框架的層間位移角均小于《建筑抗震設(shè)計(jì)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?yàn)榉治鏊玫牡湫团_(tái)站的地震動(dòng)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(dòng)對(duì)上述框架的破壞力較弱。從框架結(jié)構(gòu)響應(yīng)來(lái)看，W3709臺(tái)站記錄作用下框架結(jié)構(gòu)層間位移角大于W3006臺(tái)站，而W3709臺(tái)站儀器烈度小于W3006臺(tái)站，這說(shuō)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(tái)站反應(yīng)譜峰值段，因此，W3006、C2510、W3709臺(tái)站記錄對(duì)單層未設(shè)防砌體的破壞較W3605臺(tái)站嚴(yán)重。總體上，儀器烈度大的臺(tái)站記錄對(duì)該砌體結(jié)構(gòu)的破壞力更大，但也存在個(gè)別情況，如W3709和C2510臺(tái)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(tái)站更為嚴(yán)重，這說(shuō)明儀器烈度并不能全面地反映不同臺(tái)站地震動(dòng)記錄對(duì)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(bào)分析所采用結(jié)構(gòu)的自振周期
利用密布強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)在震后獲取的實(shí)時(shí)地震動(dòng)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(diǎn)的建筑破壞情況。本次地震典型臺(tái)站地震動(dòng)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(shí)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(tái)站處建筑破壞更為嚴(yán)重，但也存在個(gè)別異常情況（如W3006臺(tái)站儀器烈度更大，但是破壞卻不及W3709臺(tái)站），說(shuō)明儀器烈度并不能全面反映地震對(duì)區(qū)域建筑的破壞。對(duì)于同一臺(tái)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(duì)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(shí)，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(tái)站破壞比例與儀器烈度對(duì)比
三、RED-ACT的地震滑坡分析
RED-ACT地震速報(bào)系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)測(cè)地震動(dòng)進(jìn)行地震滑坡分析，表5給出了不同臺(tái)站地震滑坡臨界坡度與儀器烈度對(duì)比。根據(jù)臨界坡度，就可以對(duì)周邊地區(qū)的滑坡風(fēng)險(xiǎn)給出較為合理的評(píng)估。進(jìn)一步對(duì)比分析可知，儀器烈度大的臺(tái)站臨界坡度不一定小，這主要是因?yàn)榈卣鸹虏粌H與地震動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)，還和地震動(dòng)的完整時(shí)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(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)實(shí)時(shí)記錄的滑坡分析未來(lái)將可以提供更加合理的評(píng)估結(jié)果。
表5 不同臺(tái)站地震滑坡臨界坡度與儀器烈度對(duì)比
四、結(jié)論
我小時(shí)候，父母每天都聽(tīng)天氣預(yù)報(bào)，但是聽(tīng)的是南京、合肥的天氣預(yù)報(bào)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)氣象和通訊技術(shù)不夠，只能給出南京、合肥這些省會(huì)城市的天氣，進(jìn)而我們自己再根據(jù)南京、合肥的天氣來(lái)估計(jì)我老家蕪湖的天氣，往往會(huì)給出錯(cuò)誤的天氣預(yù)測(cè)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(bào)（比如給出各個(gè)城區(qū)的（比如北京海淀區(qū)）的天氣預(yù)報(bào)），還可以給出更多的天氣預(yù)報(bào)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(duì)不是一樣的冷。而之所以有這些進(jìn)步，就是傳感手段、傳輸手段、分析手段進(jìn)步的結(jié)果。利用現(xiàn)代發(fā)達(dá)的密集強(qiáng)震傳感網(wǎng)絡(luò)，我們希望通過(guò)與相關(guān)部門(mén)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(shuō)一句，在這個(gè)強(qiáng)調(diào)自主研發(fā)的時(shí)代，我們掌握著RED-ACT系統(tǒng)的每一行代碼。
