李宗超，孫吉澤，高孟潭，陳學(xué)良，趙延娜，吳 清

1中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081

2深圳防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究院，深圳518003

3中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州450002

0 引言

2021年5月22日，青海果洛州瑪多縣發(fā)生M7.4地震，震源深度17.0 km，震中位于（34.65°N，98.38°E），此次地震是汶川地震之后中國(guó)發(fā)生的震級(jí)最高的一次地震（表1）.此次地震造成距離震中約28 km處的野馬灘大橋發(fā)生落梁破壞（圖1），距離野馬灘大橋僅3 km處的野馬灘二橋也發(fā)生了落梁破壞.根據(jù)中國(guó)地震局公布的青海瑪多M7.4地震的地震烈度，野馬灘大橋位于烈度Ⅸ區(qū)，且非?？拷舜蔚卣鸬臄鄬游恢?根據(jù)“國(guó)家強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)中心”提供的地震記錄，最近的強(qiáng)震臺(tái)站遠(yuǎn)在震中以西約175 km處的大武地震臺(tái)（063DAW），未能獲得野馬灘大橋處的加速度時(shí)程.鑒于此，本文嘗試采用經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)方法、并參考醫(yī)學(xué)上自身異位皮膚移植的理念，初步評(píng)估野馬灘大橋處的地震動(dòng)強(qiáng)度的主要特征[包括地震動(dòng)峰值加速度（PGA）可能的取值范圍和加速度時(shí)程]，并與已公布的瑪多地震的地震烈度、最新的中國(guó)地震烈度表（GB/T17742—2020）（中國(guó)地震烈度表編寫(xiě)組，2020）、第五代地震動(dòng)區(qū)劃圖（GB18306—2015）（中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖編寫(xiě)組，2015）中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行對(duì)比.本文的做法類(lèi)似醫(yī)學(xué)上的自身皮膚異位移植方法（Afzali，2020）（對(duì)于大面積燒傷和三級(jí)燒傷，最常見(jiàn)的治療方法是在受傷后24～72小時(shí)內(nèi)盡早切除燒傷組織和進(jìn)行自體皮膚移植，皮膚移植或自體移植是目前對(duì)部分或全部厚度的深燒傷的標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理手段.例如人的手臂上燒傷或者外傷缺失皮膚，可以將自身的大腿部位或者肚皮部位的皮移植到患處使其再生），而本文是用主震在較遠(yuǎn)處的地震動(dòng)加速度時(shí)程獲得在野馬灘大橋處的主震的加速度時(shí)程.

圖1 野馬灘大橋的震源相對(duì)位置Fig.1 The location of Yematan bridge and source

表1 瑪多地震基本震源參數(shù)Table 1 The source parameters of Maduo earthquake

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 地震動(dòng)模擬工具及震源參數(shù)

Hartzell（1978）最早提出了經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)方法，用大地震的前震或余震作為格林函數(shù)合成大地震.由于小地震記錄本身己經(jīng)包含了傳播介質(zhì)的影響，所以用小地震記錄合成的大地震時(shí)程也考慮了傳播介質(zhì)的復(fù)雜性，并能克服計(jì)算理論格林函數(shù)的困難.Irikura等（1994,2011,2017）系統(tǒng)提出了用經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)方法模擬未來(lái)地震動(dòng)的想法，并結(jié)合多個(gè)震例驗(yàn)證了該方法的可靠性，總結(jié)了用該方法模擬地震動(dòng)的一般步驟.經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者的不斷努力，經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)方法已經(jīng)發(fā)展成為一種比較完善和成熟的模擬強(qiáng)地震地面運(yùn)動(dòng)的方法，已被廣大學(xué)者認(rèn)可.經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法將大震震源看作是由一系列子震震源構(gòu)成，選擇一個(gè)大小合適的余震或者前震記錄作為格林函數(shù)，將小地震等同于子震，按照一定的破裂方式，將這些經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)疊加得到大地震地震動(dòng)時(shí)程（Irikura,1986;Miyake,2003;李宗超等,2016,2019a,2019b;Li Z et al.,2018,2021a,2021b）.

1.2 格林函數(shù)的來(lái)源及合理性分析

本文采用的地震記錄來(lái)自距離震中175 km處的大武地震臺(tái)（063DAW），大武地震臺(tái)是國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心公布的所有16個(gè)強(qiáng)震臺(tái)站中頻譜成分最好的一個(gè)，該臺(tái)站處在斷層走向的延長(zhǎng)線上，仍然留存有較多的高頻地震動(dòng).野馬灘大橋的震中距為28 km，幾乎就坐落在斷層在地表的投影面上.而野馬灘大橋附近沒(méi)有強(qiáng)震臺(tái)站，因此無(wú)法獲得野馬灘大橋附近的地震加速度記錄.本文嘗試將主震在175 km處的瑪多地震的地震記錄進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，將其看做是與瑪多M7.4地震的震中位置和震源機(jī)制完全相同的、且震級(jí)范圍為M5.3～5.7的小地震在野馬灘大橋處記錄到的地震記錄，類(lèi)似醫(yī)學(xué)上，將大腿處的皮膚移植到胳膊上的處理方式，我們將175 km處的大武地震臺(tái)的地震記錄移植到震中距為28 km的野馬灘大橋處.即震級(jí)范圍在M5.3～5.7的地震，當(dāng)發(fā)震位置與瑪多7.4級(jí)地震一致時(shí)，其在野馬灘大橋處產(chǎn)生的地震動(dòng)的強(qiáng)度與瑪多主震在175 km處的地震動(dòng)強(qiáng)度是差不多的.基于這個(gè)等效假定，我們獲得了多個(gè)震級(jí)在野馬灘大橋處的基本參數(shù)（表2）.等效震級(jí)轉(zhuǎn)換基于第五代地震動(dòng)區(qū)劃圖中的主要衰減關(guān)系模型，基于公式（1）中地震動(dòng)與震級(jí)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（高孟潭，2015），將瑪多M7.4地震在175 km處的PGA（40 cm/s2）代入到公式中反推面波震級(jí)，并考慮一定的誤差范圍，進(jìn)而獲得M5.3～5.7的震級(jí)范圍.采用等效方法獲得的格林函數(shù)與瑪多地震具有完全一致的震源機(jī)制和震源位置，場(chǎng)地條件也具有相似性，這些因素都有利于獲得較為可靠的加速度時(shí)程.雖然等效格林函數(shù)在傳播路徑上存在差異，高頻成分與真實(shí)頻譜成分情況存在差異，但野馬灘大橋?qū)儆诖罂缍葮蛄航Y(jié)構(gòu)，其對(duì)地震動(dòng)的長(zhǎng)周期成分會(huì)更加敏感，因此，本文獲得的地震動(dòng)時(shí)程仍然具有較好的科研參考價(jià)值.

表2 等效震級(jí)的基本參數(shù)Table 2 The basic parameters of equivalent magnitude

式中，Y為地震動(dòng)參數(shù)aE或VE；M為面波震級(jí)；R為震中距；A、B、C、D、E為回歸系數(shù).

2 野馬灘大橋地震動(dòng)強(qiáng)度特征評(píng)估結(jié)果

將等效的M5.3～5.7的小地震對(duì)應(yīng)的參數(shù)及時(shí)程代入經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法的計(jì)算程序中，獲得5組水平向的加速度時(shí)程（圖2）、10條加速度反應(yīng)譜（圖3），圖中的格林函數(shù)等效震級(jí)表示將大武地震臺(tái)的地震記錄等效為野馬灘大橋處的地震動(dòng)時(shí)可能對(duì)應(yīng)的震級(jí)（例如格林函數(shù)等效震級(jí)M5.3，表示將大武地震臺(tái)的地震記錄等效為M5.3的地震），將此震級(jí)作為格林函數(shù)的震級(jí)，并由此合成的一種可能的野馬灘大橋的地震動(dòng)加速度時(shí)程.結(jié)果表明：（1）格林函數(shù)等效震級(jí)越大，由其合成主震的加速度幅值和反應(yīng)譜值反而越小.這是因?yàn)榇笪涞卣鹋_(tái)的地震記錄是確定的PGA為40 gal左右.等效震級(jí)越小，表明小震級(jí)對(duì)應(yīng)的較大的地震動(dòng)強(qiáng)度，在計(jì)算關(guān)鍵震源參數(shù)C值和N值時(shí)，等效震級(jí)越小，C值和N值卻越大，導(dǎo)致合成主震的地震動(dòng)更大；（2）利用多個(gè)等效震級(jí)獲得的野馬灘大橋處的PGA強(qiáng)度取值范圍約在320～620 cm/s2.該強(qiáng)度也基本符合中國(guó)地震烈度表（GB/T17742—2020）中關(guān)于Ⅸ度區(qū)對(duì)應(yīng)的PGA的取值范圍（4.02～8.30 m/s2）.

圖2 本文獲得的多種可能的野馬灘大橋處的地震動(dòng)加速度時(shí)程Fig.2 Several possible ground motion acceleration time histories at Yematan bridge obtained in this paper

圖3 各等效格林函數(shù)獲得的野馬灘大橋處的多條地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜Fig.3 Multiple acceleration response spectra of Yematan bridge obtained from each equivalent magnitude

本文還將圖4的加速度反應(yīng)譜與野馬灘大橋在第五代中國(guó)地震動(dòng)區(qū)劃圖中對(duì)應(yīng)的Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地的地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行對(duì)比.根據(jù)青海省瑪多地震現(xiàn)場(chǎng)工作隊(duì)野外調(diào)查和烈度評(píng)定的初步結(jié)果：野馬灘大橋距離發(fā)震斷層非常近，屬于極震區(qū)，是破壞最為嚴(yán)重的區(qū)域，大橋的地震烈度影響均突破了原來(lái)的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，屬于極罕遇事件，橋梁遭遇超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的大地震而坍塌或者被毀壞的現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)外也比較常見(jiàn).因此本環(huán)節(jié)重點(diǎn)對(duì)比了合成的地震動(dòng)反應(yīng)譜與該地區(qū)罕遇和極罕遇地震動(dòng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（圖4）.如圖中所示M5.6與M5.7兩個(gè)等效震級(jí)獲得的地震動(dòng)反應(yīng)譜在0.3～6 s處要低于罕遇地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的幅值，因此判斷這兩個(gè)等效震級(jí)獲得的主震時(shí)程可靠性較低.M5.3～5.5三個(gè)等效震級(jí)獲得的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜整體高于罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)譜，并與極罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)譜匹配較好，因此M5.3～5.5等效震級(jí)獲得的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜可靠性較好，這也表明本文獲得的野馬灘大橋的地震動(dòng)時(shí)程可以造成野馬灘大橋落梁破壞，也具備該地區(qū)地震動(dòng)的主要強(qiáng)度特征，雖然在頻率成分方面還需要補(bǔ)充一些高頻成分，但是本文合成的地震動(dòng)時(shí)程仍然具有較好的參考價(jià)值.

圖4 合成的野馬灘大橋的多條地震動(dòng)反應(yīng)譜與罕遇、極罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對(duì)比Fig.4 Comparison of multiple ground motion response spectra of Yematan bridge synthesized with design response spectra of rare and extremely rare ground motions

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)野馬灘大橋地震動(dòng)時(shí)程及強(qiáng)度的評(píng)估，給出了地震動(dòng)PGA的取值范圍以及相對(duì)應(yīng)的加速度時(shí)程，通過(guò)與已公布的瑪多地震的地震烈度、中國(guó)地震烈度表（GB/T17742—2020）、大橋在第五代中國(guó)地震動(dòng)區(qū)劃圖（GB18306—2015）中設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜的對(duì)比，表明本文給出的野馬灘大橋附近的地震動(dòng)強(qiáng)度特征是具備一定的參考價(jià)值的.具體結(jié)論如下：

（1）本文得到的地震動(dòng)PGA的取值范圍符合地震烈度Ⅸ區(qū)內(nèi)的PGA的取值范圍.本文中PGA的范圍為在320～620 cm/s2，與中國(guó)地震烈度表GB/T17742—2020中關(guān)于Ⅸ度區(qū)對(duì)應(yīng)的PGA的取值范圍（4.02～8.30 m/s2），匹配程度較好.

（2）M5.3～5.5三個(gè)等效震級(jí)獲得的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜整體高于罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)譜，并與極罕遇地震動(dòng)設(shè)計(jì)譜匹配較好，因此M5.3～5.5等效震級(jí)獲得的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜可靠性較好.表明本文獲得的加速度時(shí)程具備造成野馬灘大橋落梁破壞的能力，與現(xiàn)場(chǎng)橋梁專(zhuān)家得出的本次地震達(dá)到極罕遇地震動(dòng)水平的結(jié)論一致.

（3）本文給出的10條地震動(dòng)加速度時(shí)程，雖然是一個(gè)相對(duì)粗略的地震動(dòng)評(píng)估結(jié)果，暫時(shí)沒(méi)有修正時(shí)程中高頻成分欠缺的問(wèn)題，因此地震動(dòng)評(píng)估結(jié)果仍然具有進(jìn)一步完善和細(xì)化的空間.但野馬灘大橋?qū)儆诳缍容^大的橋梁，對(duì)地震動(dòng)的長(zhǎng)周期成分會(huì)更加敏感，從這個(gè)角度講本文獲得的時(shí)程仍然有較好的參考價(jià)值.

致謝

中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所為本研究提供數(shù)據(jù)支持，在此表示感謝.

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