青?，敹郙 7.4地震中野馬灘大橋地震動特征初判

李宗超，孫吉澤，高孟潭，陳學良，趙延娜，吳 清

1中國地震局地球物理研究所，北京100081

2深圳防災減災技術研究院，深圳518003

3中國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發(fā)生的震級最高的一次地震（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.根據中國地震局公布的青?，敹郙7.4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“國家強震臺網中心”提供的地震記錄，最近的強震臺站遠在震中以西約175 km處的大武地震臺（063DAW），未能獲得野馬灘大橋處的加速度時程.鑒于此，本文嘗試采用經驗格林函數(shù)方法、并參考醫(yī)學上自身異位皮膚移植的理念，初步評估野馬灘大橋處的地震動強度的主要特征[包括地震動峰值加速度（PGA）可能的取值范圍和加速度時程]，并與已公布的瑪多地震的地震烈度、最新的中國地震烈度表（GB/T17742—2020）（中國地震烈度表編寫組，2020）、第五代地震動區(qū)劃圖（GB18306—2015）（中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖編寫組，2015）中的設計反應譜進行對比.本文的做法類似醫(yī)學上的自身皮膚異位移植方法（Afzali，2020）（對于大面積燒傷和三級燒傷，最常見的治療方法是在受傷后24～72小時內盡早切除燒傷組織和進行自體皮膚移植，皮膚移植或自體移植是目前對部分或全部厚度的深燒傷的標準護理手段.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處的地震動加速度時程獲得在野馬灘大橋處的主震的加速度時程.

圖1 野馬灘大橋的震源相對位置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

1.1 地震動模擬工具及震源參數(shù)

Hartzell（1978）最早提出了經驗格林函數(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包含了傳播介質的影響，所以用小地震記錄合成的大地震時程也考慮了傳播介質的復雜性，并能克服計算理論格林函數(shù)的困難.Irikura等（1994,2011,2017）系統(tǒng)提出了用經驗格林函數(shù)方法模擬未來地震動的想法，并結合多個震例驗證了該方法的可靠性，總結了用該方法模擬地震動的一般步驟.經過眾多學者的不斷努力，經驗格林函數(shù)方法已經發(fā)展成為一種比較完善和成熟的模擬強地震地面運動的方法，已被廣大學者認可.經驗格林函數(shù)法將大震震源看作是由一系列子震震源構成，選擇一個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，將這些經驗格林函數(shù)疊加得到大地震地震動時程（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)的來源及合理性分析

本文采用的地震記錄來自距離震中175 km處的大武地震臺（063DAW），大武地震臺是國家強震動臺網中心公布的所有16個強震臺站中頻譜成分最好的一個，該臺站處在斷層走向的延長線上，仍然留存有較多的高頻地震動.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有強震臺站，因此無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行等效轉換，將其看做是與瑪多M7.4地震的震中位置和震源機制完全相同的、且震級范圍為M5.3～5.7的小地震在野馬灘大橋處記錄到的地震記錄，類似醫(yī)學上，將大腿處的皮膚移植到胳膊上的處理方式，我們將175 km處的大武地震臺的地震記錄移植到震中距為28 km的野馬灘大橋處.即震級范圍在M5.3～5.7的地震，當發(fā)震位置與瑪多7.4級地震一致時，其在野馬灘大橋處產生的地震動的強度與瑪多主震在175 km處的地震動強度是差不多的.基于這個等效假定，我們獲得了多個震級在野馬灘大橋處的基本參數(shù)（表2）.等效震級轉換基于第五代地震動區(qū)劃圖中的主要衰減關系模型，基于公式（1）中地震動與震級的經驗關系（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，并考慮一定的誤差范圍，進而獲得M5.3～5.7的震級范圍.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制和震源位置，場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，高頻成分與真實頻譜成分情況存在差異，但野馬灘大橋屬于大跨度橋梁結構，其對地震動的長周期成分會更加敏感，因此，本文獲得的地震動時程仍然具有較好的科研參考價值.

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

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

2 野馬灘大橋地震動強度特征評估結果

將等效的M5.3～5.7的小地震對應的參數(shù)及時程代入經驗格林函數(shù)法的計算程序中，獲得5組水平向的加速度時程（圖2）、10條加速度反應譜（圖3），圖中的格林函數(shù)等效震級表示將大武地震臺的地震記錄等效為野馬灘大橋處的地震動時可能對應的震級（例如格林函數(shù)等效震級M5.3，表示將大武地震臺的地震記錄等效為M5.3的地震），將此震級作為格林函數(shù)的震級，并由此合成的一種可能的野馬灘大橋的地震動加速度時程.結果表明：（1）格林函數(shù)等效震級越大，由其合成主震的加速度幅值和反應譜值反而越小.這是因為大武地震臺的地震記錄是確定的PGA為40 gal左右.等效震級越小，表明小震級對應的較大的地震動強度，在計算關鍵震源參數(shù)C值和N值時，等效震級越小，C值和N值卻越大，導致合成主震的地震動更大；（2）利用多個等效震級獲得的野馬灘大橋處的PGA強度取值范圍約在320～620 cm/s2.該強度也基本符合中國地震烈度表（GB/T17742—2020）中關于Ⅸ度區(qū)對應的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加速度時程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加速度反應譜Fig.3 Multiple acceleration response spectra of Yematan bridge obtained from each equivalent magnitude

本文還將圖4的加速度反應譜與野馬灘大橋在第五代中國地震動區(qū)劃圖中對應的Ⅱ類場地的地震動設計反應譜進行對比.根據青海省瑪多地震現(xiàn)場工作隊野外調查和烈度評定的初步結果：野馬灘大橋距離發(fā)震斷層非常近，屬于極震區(qū)，是破壞最為嚴重的區(qū)域，大橋的地震烈度影響均突破了原來的抗震設計參數(shù)，屬于極罕遇事件，橋梁遭遇超過設計標準的大地震而坍塌或者被毀壞的現(xiàn)象在國內外也比較常見.因此本環(huán)節(jié)重點對比了合成的地震動反應譜與該地區(qū)罕遇和極罕遇地震動的設計反應譜（圖4）.如圖中所示M5.6與M5.7兩個等效震級獲得的地震動反應譜在0.3～6 s處要低于罕遇地震動加速度反應譜的幅值，因此判斷這兩個等效震級獲得的主震時程可靠性較低.M5.3～5.5三個等效震級獲得的地震動加速度反應譜整體高于罕遇地震動設計譜，并與極罕遇地震動設計譜匹配較好，因此M5.3～5.5等效震級獲得的地震動加速度反應譜可靠性較好，這也表明本文獲得的野馬灘大橋的地震動時程可以造成野馬灘大橋落梁破壞，也具備該地區(qū)地震動的主要強度特征，雖然在頻率成分方面還需要補充一些高頻成分，但是本文合成的地震動時程仍然具有較好的參考價值.

圖4 合成的野馬灘大橋的多條地震動反應譜與罕遇、極罕遇地震動設計反應譜的對比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 論

本文通過對野馬灘大橋地震動時程及強度的評估，給出了地震動PGA的取值范圍以及相對應的加速度時程，通過與已公布的瑪多地震的地震烈度、中國地震烈度表（GB/T17742—2020）、大橋在第五代中國地震動區(qū)劃圖（GB18306—2015）中設計地震動反應譜的對比，表明本文給出的野馬灘大橋附近的地震動強度特征是具備一定的參考價值的.具體結論如下：

（1）本文得到的地震動PGA的取值范圍符合地震烈度Ⅸ區(qū)內的PGA的取值范圍.本文中PGA的范圍為在320～620 cm/s2，與中國地震烈度表GB/T17742—2020中關于Ⅸ度區(qū)對應的PGA的取值范圍（4.02～8.30 m/s2），匹配程度較好.

（2）M5.3～5.5三個等效震級獲得的地震動加速度反應譜整體高于罕遇地震動設計譜，并與極罕遇地震動設計譜匹配較好，因此M5.3～5.5等效震級獲得的地震動加速度反應譜可靠性較好.表明本文獲得的加速度時程具備造成野馬灘大橋落梁破壞的能力，與現(xiàn)場橋梁專家得出的本次地震達到極罕遇地震動水平的結論一致.

（3）本文給出的10條地震動加速度時程，雖然是一個相對粗略的地震動評估結果，暫時沒有修正時程中高頻成分欠缺的問題，因此地震動評估結果仍然具有進一步完善和細化的空間.但野馬灘大橋屬于跨度較大的橋梁，對地震動的長周期成分會更加敏感，從這個角度講本文獲得的時程仍然有較好的參考價值.

致謝

中國地震局工程力學研究所為本研究提供數(shù)據支持，在此表示感謝.

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