王文才　尹志文　田秀丰　徐钦　石文兵　江志杰

摘要：2018年8月13日和14日云南通海县相继发生2次5.0级地震，中国数字强震动台网的41个（13日）和30个（14日）强震台站在2次地震中共捕获到213条三分向加速度记录，给出近场台站的地震动参数，绘制了震中附近区域峰值加速度等值线图，其长轴呈WS—EN方向展布。将实际观测数据与几种常用地震动衰减关系对比，发现霍俊荣和胡聿贤（1992）的衰减预测模型能更好地反映此次地震影响场。将不同震中距的5个台站反应谱对比，并与我国设计反应谱比较，拟合出不同周期谱加速度的衰减特性，总结了地震的反应谱基本特征。最后基于主震和多次余震观测记录，运用HVSR谱比法分析了3个典型台站的场地效应，并对其是否发生非线性反应作了初步判断。

关键词：通海5.0级地震;反应谱;衰减关系;场地效应;非线性反应

中图分类号：P315.914 文献标志码：A 文章编号：1000-0666（2019）04-0635-07

0 引言

2018年8月13日1时44分云南通海县发生5.0级地震，震中位于24.19°N，102.71°E，震源深度7 km。2018年8月14日3时50分，该地再次发生5.0级地震，震源深度6 km，中国数字强震动观测网络（NSMONS）（崔建文等，2006）布设在该地区的41个（13日）和30个（14日）强震台站在2次5.0级地震中共捕获到213条三分向加速度波形记录。已有研究（温瑞智等，2013;徐钦等，2018;王文才等，2017;李世成等，2017）利用强震动记录开展近场地震动特征和场地效应方面的研究多是针对一些震级较大的主震。然而主震后强余震的发生往往会对已经受到损伤和尚未来得及进行工程加固的建筑物造成二次伤害，因此，科学评价主余震灾害造成的破坏对抗震减灾工作具有重要价值（温卫平，2015）。

本文利用近场台站在2次5.0级地震中捕获的强震动记录，从地震动的幅值特征、衰减关系、反应谱、场地反应和非线性识别等方面分析强震动记录的基本特征，旨在为抗震设防、地震序列作用下地震动的影响、地震危险性分析、场地放大效应估计和非线性识别等方面提供参考。

1 强震动记录

中国数字强震动观测网络的41个（13日）和30个（14日）强震台在2次通海5.0级地震中共捕获3分量加速度记录213条，其中有28个台在2次地震中同时触发，其台站分布情况如图1所示。

8月13日的5.0级地震中触发台站分布在距震中9.7～101.3 km范围内，其中50 km以内有23个台，50～100 km范围内有17个台，有1个台在100 km之外。8月14日的5.0级地震中触发台站分布在距离震中8.15～69.3 km的范围内，其中50 km以内的有23个，震中距在50～69.3 km范围内有7个台。

2 幅值特征

首先采用巴特沃斯高通滤波去除记录到的原始加速度波形的低频干扰，然后计算出地震事件前20 s记录的平均值，用最小二乘法对存在零线偏移的记录进行基线调整，消除零线漂移对加速度时程的影响（Boore，2001）。计算得到近场 （震中距<50 km）台站地震动参数（表1）。由表1可知，虽然2次地震震级相同，但8月14日5.0级地震的加速度峰值（PGA）明显小于8月13日5.0级地震。53JXG台的PGA均较其他台大，时程曲线如图2所示，13日、14日EW，NS，UD向PGA分别为159.1，-170.4，61.8 gal和77.0，-103.8，-41.2 gal。

统计表1中各地震动参数发现：2次地震中各台水平向PGA普遍大于垂直向，其中13日地震中有20个台，占触发台站的87.0%，14日地震中有22个台，占触发台站的95.7%。另外，主震中PGANS>PGAEW>PGAUD的台站有16个，占触发台站的70%，说明NS向的峰值加速度较其他2个分向卓越，表现出一定的方向性。由于近场台站靠近发震断层，其地震动的空间展布形态受断层破台站名称台站代码场地条件震中距/km8月13日地震峰值加速度/（cm·s-2）8月14日地震峰值加速度/（cm·s-2）东西南北垂直东西南北垂直裂类型和传播方式的影响，王光明等（2018）研究认为近SN向小江断裂带西支南段的次級断裂明星—二街断裂或与其平行的隐伏断裂是此次地震的发震断裂。因此通海地震动参数的方向性可能受明星—二街断裂控制。

利用表1的地震动参数，通过计算各台水平向PGA几何平均值，然后采用克里金插值方法得到2次5.0级地水平向PGA的等值线图，如图3所示。可以看出PGA等值线图均呈WS—EN方向展布，这与地震宏观烈度调查图的走向及余震精定位结果分布情况具有很强的相似性（云南省地震局，2018;王光明等，2018）。另外，相对14日地震而言，13日地震等值线的形态更显“肥胖”，相同等值线的覆盖面积更广泛，中心点附近的等值线水平更高。

3 衰减关系

2次通海地震中获得了较为丰富的强震动记录为研究强震动的衰减关系提供了很好的基础资料。地震波在传播过程中由于受震源和传播路径介质的影响，地震动表现出不同的衰减特性，过去几十年中世界各地的地震学者提出了多种衰减关系。本文选用国内几种常用的地震动衰减关系作为对比的地震动预测方程。

通过计算各触发台站水平向实际观测记录PGA的几何平均值，然后与霍俊荣和胡聿贤（1992）的土层地震动衰减模型、俞言祥等（2013）第五代区划图地震动衰减关系对比，其结果如图4所示。由图可知：长轴预测曲线与观测值吻合较好，而短轴预测方程与观测值离散性较大;在10 km

4 反应谱特征

利用近场5个幅值较大台站（53JXG，53JCX，53TLS，53YHH，53YHT）的加速度波形，通过计算5%阻尼比谱加速度的水平向几何平均值，依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），选用Ⅱ类场地绘制VIII度多遇、VIII度设防、VIII度罕遇地震的设计反应谱，并与实际观测值对比，如图5所示。可以看出：①13日5.0级地震中，53JXG，53JXC，53TLS台的谱加速度峰值均不同程度超过8度多遇地震，53JXG台的峰值在很小的谱周期内略高于8度设防地震的设计反应谱值，但都小于罕遇设计值。②14日5.0级地震中，5个台站反应谱值均低于8度设防地震的设计标准。随着震中距的增大，其他台站的谱加速度峰值逐渐减小，在大多数谱周期范围内均小于8度多遇地震的设计值。③图5中5个台站，只有53JXG台记录的谱加速度值超过了VIII度设防反应谱平台值，其周期在0.1～0.25 s的范围内且卓越平台较窄，反应谱曲线在0.25 s后迅速下降到较低水平，而该地区中小城市和城镇主要建筑物的结构自振频率为1～3 Hz，对应自振周期为0.3～1 s，因此，本次地震对该地区达到抗震设防标准的建筑破坏影响较小。另外，在大于1 s的中长周期部分，反应谱值只有十几gal甚至接近于零，因此也不会对结构自振周期较长的大坝、桥梁、输电塔、超高建筑等造成严重的影响。

绘制对数坐标的上述5个台站加速度反应谱对，如图6a所示，可知近场内随着震中距的增大，反应谱的卓越周期变化不大，均在0.1～0.3 s的范围内，但在高频段部分，曲线出现缠绕交叉。为了明晰这种变化趋势，采用最小二乘法拟合出5个台站各周期（T=0.1 s，0.5 s，1.0 s，2.0 s）谱加速度随震中距增大的衰减关系，如图6b所示。由拟合直线斜率可知：T=0.1 s的谱加速度值衰减最快，然后依次为T=0.5 s、T=1.0 s的谱加速度，其中T=2.0 s的谱加速度衰减最慢。说明长周期分量较短周期分量的谱加速度衰减速度慢，这一方面与其自身的波长和波在传播过程中的散射、绕射有关;另一方面也受特定传播路径和局部场地条件等因素的影响。

5 场地特征与非线性识别

场地效应直接影响地震灾害的严重程度，一直以来是地震工程领域研究的热点。近年来，随着强震动记录的不断积累，越来越多的学者（Yamazaki，Ansary，1997;荣棉水等，2016）开始直接利用强震动记录分析台站场地效应。另外，大量研究结果表明：土体在强地震动作用下的应变幅值增加，剪切模量随之降低而阻尼比增强，当应变量超过一定的范围时，土体会发生非线性反应（冀昆等，2014）。因此，使用地震记录进行场地非线性识别对扩展强震动记录应用范围同样具有重要意义。

5.1 谱比法分析台站场地反应

3个近场典型台站（53JXG，53JCX，53TGD）记录到大量的主余震强震动记录，利用这些波形数据，运用HVSR（Horizontal to Vertical Spectral Ratio）方法（Yamazaki，Ansary，1997）得到台站场地响应曲线，如图7所示。由图7可知，多次主、余震加速度波形计算的HVSR谱比曲线形态基本一致，3个台站的场地卓越频率fg稳定在2.1 Hz、6.1 Hz和4.2 Hz附近，卓越频率处谱比曲线的增益分别为：7.0，2.7，5.1。

5.2 非线性识别

53JXG，53JCX，53TGD台距震中最近，13日地震中记录的PGA最大，在NS向均超过100 gal，可能发生非线性反应。为了证明这种假设，考虑到数据处理对信噪比的要求，选择3 gal

由图可知，3个台站在强震下均出现了不同程度的卓越频率向低频移动现象，大应变下土体的动剪切模量降低所致，而卓越频率出现偏移是场地非线性反应的重要特征之一（Beresnev，Wen，1996）。为了进一步说明强震和弱震作用下台站场地反应的差别，做出弱震平均谱比与强震谱比曲线的比值随频率的变化曲线，如图9所示，其中虚线代表比值为1的参照线。

由图9可知：①53JCX和53TGD台在研究频段内，弱震和强震谱比曲线幅值相当，其比值略小于1;②53JXG台在低频段弱、强震谱比曲线的比值位于1附近;而在中高频段，弱震谱比曲线明显大于强震谱比曲线。这是因为低频段地震波的波长远超过表层土的厚度，地表的覆盖土并不是影响场地放大的主要因素，因此线性反应和非线性反应的差别不大。中频段处辐射能量集中，散射阻尼作用明显，导致该频段强震下的谱比幅值减小，认为场地非线性反应开始出现，Beresnev和Wen（1996）将该临界频率定义为fNL。由此判断52JXG台在大于10.4 Hz的中高频段发生了非线性场地反应，而53JCX，53TGD台场地处于线性范围内。另外，53JXG台在低频段出现的比值波动可能是由于强震的谱比曲线仅由一条强震记录计算得到，其平滑性不如弱震平均谱比曲线造成的。

6 结论

基于从2018年云南通海2次5.0级地震中捕获的强震记录，从地震动的幅值、衰減关系、反应谱、场地效应和非线性识别方面研究了此次地震的基本特征，得到如下结论：①震中附近区域PGA等值线长轴呈WS—EN方向展布，与震后调查结果相吻合;②8月13日5.0级地震记录幅度普遍大于8月14日5.0级地震，且在0～20 km的范围内均大于3种衰减关系预测值，说明地震破坏集中于近场、远场震害轻的特点，相对而言，霍俊荣和胡聿贤（1992）的衰减模型更符合本次地震的衰减规律;③观测的最大谱加速度在小范围内高出我国设防反应谱，对结构自振周期在这一范围内的建筑物将产生较大影响，但由于其平台周期窄且衰减迅速，因此对其他周期的建筑物造成的影响较小;（4）对加速度大于100 gal的3个台站进行场地反应和非线性识别后认为：53JCX，53TGD台处于线性范围内，而53JXG台在强震作用下可能发生了非线性反应，由于土动力反应本身的复杂和不确定性，利用强震动记录进行场地非线性识别的结果可为工程应用和实际研究提供参考。

參考文献：

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Strong Motion Record Characteristics and Site Response Analysis of theTonghai MS5.0 Earthquake Sequence in Yunnan province，2018

WANG Wencai，YIN Zhiwen，TIAN Xiufeng，XU Qin，SHI Wenbing，JIANG Zhijie

（Lanzhou National Geophysical Observation and Research Station，Lanzhou 730000，Gansu，China）

Abstract

A major earthquake of MS5.0 and aftershock of MS5.0 occurred successively on August 13 and 14，2018，Tonghai County，Yunnan Province.There are 41 and 30 strong motion stations which located in this region have been fully triggered in the main and aftershock.213 records of three-component acceleration were obtained by NSMONS.In this paper，we first calculate the peak accelerations of the 213 strong motion records.The basic characteristics of amplitude in this earthquake were analyzed according to the acceleration time-series curves and contour line of PGAs.Then，the attenuation relationship of PGAs with different distance was analyzed by comparing the observed data with some commonly used GMPE（ground motion prediction equations）.In order to summarize the characteristics of response spectrum，we compare the acceleration response spectra of some typical stations with the designed spectrum.The HVSR method has been used to analyze site effect and judge whether nonlinear response occur of 3 typical stations with main and multiple aftershocks records.

Keywords：Tonghai MS5.0 earthquake sequence;response spectrum;the attenuation relationship;site effect;nonlinear response