有震波自远方来

发布时间:2021-10-12 20:26:19 来源:中国地震局公共服务司(法规司)
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山东省地震局宣传教育中心   宋昊冉

  如今,随着城市化进程的不断加快,建筑向高空发展已成为一种趋势,并且构成城市的一道风景线。在高层建筑建设方面,我国也走在了世界前列。据有关统计资料显示,中国已成为世界上超高层建筑占有数量最多的国家。

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200米以上超高层建筑前十位分布

  在一些破坏性地震中,高层建筑比低矮建筑更易受损伤。1985年墨西哥海域发生8.0级地震,离震中400多千米外的墨西哥城内的大量高层建筑遭到严重破坏;2005年,日本南部九州岛发生7.0级地震,距离震中约930千米的上海市东南区域,部分15层以上的居民有震感;2008年,汶川8.0级大地震对750千米之外的西安地区的高层建筑造成了比较严重的影响,距离震中3000千米的泰国曼谷市中心的部分高楼摇晃竟然长达7分钟之久,室内物品纷纷掉落。

  这样的震例还有很多。为什么远离震中的高层建筑却有“异乎寻常”的反应?从中作梗的就是——远场长周期地震动。它是什么?又为何“偏爱”高层建筑?

  “共振效应”让建筑更加“摇晃”

  物理学中把完成一次自由振动所需要的往复时间定义为自振周期。大多数建筑结构的自振周期都在6秒以内。一般来说,建筑物高度越高,其自振周期就越长,日本科学家根据对日本超高层建筑的调查,得出自振周期T(秒)与高度H(米)的经验关系为T=0.0265×H-0.0838。

  随着经济的发展,超高层、大跨度建筑、大跨度桥梁、高耸结构及大型储油罐等自振周期长的建(构)筑物大量增加,对长周期地震波的研究也成为此类建(构)筑物抗震研究的重要内容。

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一些长周期建筑的自振周期

  大地震发生后,地震波经过长距离的传播,土层(尤其是软土层)吸收了地震波的高频成分,使高频率的地震波减少,而低频部分却因土层得以放大,“此消彼长”的结果使得地震波表现出低频长周期特性。这一特性刚好与长周期建(构)筑物的结构特点“一拍即合”,发生了共振,叠加了建(构)筑物的晃动幅度,从而使建(构)筑物遭受了更严重的破坏。

  有关学者总结,当震级较大、场地覆盖层比较厚、场地土剪切波速较小时,再加上盆地效应等因素耦合,就会加大地震动中的低频成分,增强场地的放大作用,使得地震动形成了具有一定特殊性质的远场长周期地震动效应。

  三大因素决定远场长周期地震动威力

  远场长周期地震动的影响力更多地取决于震级、传播距离和场地条件这三个方面的因素。

  大地震。有关专家通过对不同震级的地震动加速度反应谱分析发现,震级小于 6 级的地震,其长周期分量很小;而大于 6 级的地震,加速度反应谱中长周期分量很大。因此专家认为,6级以上的地震是长周期地震动产生的重要因素。

  远距离。研究表明,地震波在传播过程中,其高频成分的衰减比低频成分快,而且传播距离越远,低频成分越占优势,到达场地的地震波长周期成分就越显著。

  厚土层。从震害角度讲,一般软土厚覆盖场地上的震害比坚硬场地上更严重。2008 年汶川地震中,之所以上海市许多超高层建筑有明显震感,与本地区主要位于冲积平原,覆盖土层较厚有很大关系。研究表明,1985年墨西哥地震中,距震中约400千米的墨西哥城的基岩加速度仅3×10-2m/s2,而覆盖层较厚的古湖床场地地面加速度却高达 158.4×10-2m/s2,致使位于该场地上的数百栋高层建筑遭到严重破坏。

  “盆地效应”为远场长周期地震动加码

  除了上述震级、传播距离和场地条件这三个方面的因素外,远场长周期地震动在遇到沉积盆地时会表现得更加突出,盆地的放大效应在其中发挥了重要作用,这一点在1985年墨西哥地震中得以证实。

  墨西哥城坐落在盆地之上,地形为四周高中间低,中间的凹陷部分大多被松软的沉积物填充。当地震波进入盆地时,一部分体波会在盆地底部发生全反射,地震波便完全进入到盆地内,而在盆地边缘区域还可能会产生面波,这两者在盆地内来回振荡,发生复杂的干涉叠加,导致地震动强度明显增强,并且面波的传播速度相对体波慢,衰减也较慢,使得地震动持续时间明显延长。

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墨西哥城像是在“一个碗中装上果冻”

  在2008年汶川8.0级地震中,这种现象也有所显现。大地震发生后,经专家现场调研发现,位于四川盆地边缘的汉源县遭受了比周围地区严重的破坏,出现地震高烈度异常;地处渭河盆地的西安市(震中距约650千米)遭受的地震烈度(Ⅵ度)也髙于周边地区的地震烈度(V度),而同处渭河盆地边缘的宝鸡市(震中距约530千米)则处于Ⅵ度区中的异常区,震害均较严重。这些震害异常现象就与盆地本身及盆地结构造成的地震动放大效应有很大关系。

  需加大对远场长周期地震动研究

  我国地域广阔,大地震发生的频度也是很高的。受“盆地效应”影响,比较大的地震在远距离的沉积盆地上能够引发远场长周期地震动,成为长周期结构的潜在威胁。

  古人因逐水而居,或者寻找丰沃的土壤等原因,使得水土丰沛、地形平缓的平原或盆地成为人类居住的优质环境之一,并因人类聚居而逐步形成城市。几乎所有的大城市都位于盆地上,或者盆地的边缘,像我国的北京、西安、昆明、成都、乌鲁木齐、兰州和西宁等,都处于类似的地貌位置上,而像上海等沿海大城市则位于厚冲积平原上。随着经济的发展,以超高层建筑为代表的长周期结构会日益增多,这迫切需要我们大力开展远场长周期地震动的研究。

  日本在长周期地震动方面的研究取得了一定的成果。近年来,日本等国的专家学者开展了大量关于长周期地震动孕震机制、地震动特性、对结构的影响及超高层建筑结构的抗震对策等方面的研究,并且进行了东京、大阪等大城市的超高层建筑的抗震分析、校核、加固补强工作。2003年的日本十胜冲地震使得很多结构受长周期地震动影响而破坏严重,日本建筑学会于是着重开展长周期地震动的研究工作,并且取得了不错的进展。通过大量的地震记录和震源模型研究,日本于 2009 年发表了长周期地震动预测地图,并且陆续开展了长周期地震动波形生成方法的研究。

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长周期地震动预测图

  对于地震的研究,使我们认识到地震的部分发生规律,甚至能够通过研究评估不同地区遭受地震破坏的程度或影响。在此基础上,我们划分不同区域采用不同的地震动参数进行建(构)筑物的抗震设防,这就是地震动参数区划图。对大地震对于远距离的长周期建(构)筑物的影响和破坏,我们要予以充分的重视,要有针对性采取抗御长周期地震动影响的措施,减少破坏或损失。相信随着科技的进步,以及人们对于长周期地震动的研究深入,未来的超高层建筑不仅给人们提供一个舒适的生活、工作场地,在抵御大地震灾害方面也会越来越安全。

  参考文献:

  1.谭潜,超高层建筑结构的长周期地震动输入与响应特征,重庆大学,2017;

  2.温群昊,远场长周期地震动特性研究,华东交通大学,2014;

  3.李春锋等,长周期地震动衰减关系研究的迫切性,地震地磁观测与研究,2006;

  4.谢礼立等,地震动反应谱的长周期特性,地震工程与工程振动,1990;

  5.杨伟林等,汶川地震远场地震动特征及其对长周期结构影响的分析,防灾减灾工程学报,2009;

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