Optimizing Information Coding of Active Fault Survey Data
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摘要: 从20世纪90年代起，研究人员就开始探索活动断层探察数据的制作、存储与管理。迄今为止，已经获得了大量的活动断层探察数据，建成了一套系统的数据组织体系，为减轻地震灾害的相关研究提供了数据和技术支撑。近年来，随着活动断层数据库信息的扩充，初期设计的部分属性信息编码已不适用。为了形成适应当前工作的属性信息编码体系，本文以活动断层数据库建设体系为基础，对数据库属性值代码进行信息分类和编码优化。文章将数据库属性值代码分为字符型单一含义值、数值型单一含义值及复合含义值，分别进行编码规则设计，最终优化了数据库属性信息编码体系，提高了从建库到数据应用的数据录入、检测、制图自动化、数据分析等环节的效率。Abstract: The study of digital active fault database of storing and managing active fault survey data started in the 1990s. In the following 20 years, a systematic database framework has been developed, which provided fundamental data to minimize losses caused by earthquake disasters. In recent years, as the database framework developed and the range of information extended, some early designed attribute value codes are no longer adaptable to the new database framework. In order to build a more applicable attribute value coding system, we designed the coding rules respectively for three types of values: simple meaning character codes, simple meaning numerical codes and complex meaning codes. A new attribute value coding system has been built and discussed in this paper. The results show that the new system is helpful of increasing the efficiency of data entry, data detection, auto-mapping, data analysis and other relevant work.
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Key words:
- Active fault /
- Database /
- Information classification /
- Information coding /
- Survey data /
- Optimize
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引言
对地震动特征规律的分析是地震工程学科研究的主要问题 (刘启方等，2006)。近几十年来国内外发生了多次破坏性地震，对所获得地震动记录进行分析，不难看出位于发震断层附近区域内的地震动具有许多独特性质，例如竖向效应。竖向效应是指近断层区域内竖向地震作用远远超过规范所规定的值的现象，国内外众多地震的强震记录显示竖向地震峰值是水平向的1/2—2/3(Ambraseys等，2003)，我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) 规定竖向地震影响系数为水平向的65%(中华人民共和国国家标准，2010)，但在许多地震灾害中的近断层区域内出现了竖向地震动高于水平向地震动的现象 (冉志杰等，2012；赵国辉等，2008；周锡元等，2006；Niazi等，1991)。
中国大陆强震台网于2008年3月投入运行，在2008年5月12日汶川特大地震中获得了丰富的近断层强震记录，为相关问题的研究提供了重要的基础数据。通过对强震记录的分析发现近断层地震动竖向与水平分量之比最高达到了1.4(谢俊举等，2010；于海英等，2008)。但是已有的对于竖向效应问题的研究主要集中于对地震动动力特性的分析，关于地震动对工程结构影响的分析较少，尤其缺少对影响效应的定量分析。
本文基于此研究背景，选取汶川地震近断层强震记录为基础数据，以单自由度体系P-Δ效应为研究目标，对近断层竖向地震动所产生的P-Δ效应进行分析研究，对于工程结构的抗震问题具有一定的意义。
1. P-Δ效应的计算方法
已有研究表明，P-Δ效应产生的放大作用是竖向地震导致结构破坏的主要原因之一 (贺秋梅等，2014；刘启方等，2006)。根据结构抗震思想，大多数工程结构在进行抗震设计时都需要转化为等效的单自由度体系的叠加进行分析 (胡聿贤，2006；李宏男，2013；梁炯丰等，2013)，所以本文对单自由度体系竖向地震作用下的P-Δ效应进行分析。
1.1 P-Δ效应概念描述
P-Δ效应是指体系在动力荷载作用下，由于其竖向作用使体系结构产生动力附加弯矩的过程，相当于在体系上附加了一个水平地震作用，其原理如图 1所示 (胡聿贤，2006；袁一凡等，2012)。图中m表示质量，P(t) 表示体系在某一时刻承受的水平动力荷载，F(t) 表示体系在某一时刻承受的竖向荷载，包括重力以及竖向动力荷载等。
根据其基本原理，对于地震作用下的单自由度体系，在考虑了竖向地震作用后就变成了具有2个方向自由度的双自由度体系。由于地震所产生的运动以水平运动为主，故本文分析时不考虑竖向地震作用造成的竖向相对运动，因此该体系在某一时刻承受的竖向荷载作用为重力与竖向地震作用引起的惯性力。
强震仪所获得的地震加速度以av(t) 表示，同时竖直方向以加速度向上为正、向下为负，根据其基本原理P-Δ效应等效出的水平地震作用如下式 (1) 所示：
$$ {P_0}(t) = m\left[ {g + {a_v}(t)} \right] \cdot \frac{{u(t)}}{H} $$ (1) 式中，u(t) 为体系在某时刻的位移大小，H为体系高度，P0(t) 为与竖向地震作用等效的水平地震作用。
1.2 P-Δ效应的计算方法
将P-Δ效应所产生的附加水平动力作用带入动平衡方程，则得到考虑P-Δ效应的动力平衡方程，表达如下：
$$ m\ddot u{\rm{(}}t{\rm{)}} + c\dot u{\rm{(}}t{\rm{)}} + ku{\rm{(}}t{\rm{)}} = m\; \cdot \;\left[ {g + {a_v}{\rm{(}}t{\rm{)}}} \right]\; \cdot \;\frac{{u{\rm{(}}t{\rm{)}}}}{H} + m{a_h}{\rm{(}}t{\rm{)}} $$ (2) 式中，c是单自由度体系阻尼系数，k是回复力系数，ah(t) 是水平地震加速度。
式 (2) 可以根据杜哈密积分进行简化求解，进而求得考虑P-Δ效应的单自由度体系的地震反应，从而进一步求得P-Δ效应的放大作用，具体方法为：
(1) 按照地震动力时间步利用杜哈密积分求得每一时间步时刻的水平地震作用动力反应，即得到u(ti) 与ü(ti)；
(2) 根据每一时间步的水平位移按照公式 (3) 计算竖向荷载所产生的等效水平地震作用，利用杜哈密积分求解等效水平地震作用所产生的附加地震反应：ü0(ti)
$$ {\ddot u_0}({t_i}) = \left[ {g + {a_v}(t)} \right]\; \cdot \;\frac{{u(t)}}{H} $$ (3) (3) 据所计算出的水平地震反应ü(t) 与附加地震反应ü0(t)，按照公式 (4) 计算P-Δ效应所产生的放大作用，式中β为效应放大系数，越大表征所产生放大作用越强。
$$ \beta = \frac{{\ddot u(t) + {{\ddot u}_0}(t)}}{{\ddot u(t)}} $$ (4) 2. 竖向地震动P-Δ效应放大作用的分析
为分析近断层竖向地震动P-Δ效应放大作用的特点，本文分别选取汶川地震中近断层与中远场强震记录，按上述方法分析计算实际地震动所产生P-Δ效应的放大系数，并与中远程强震记录对比分析。
2.1 强震数据的选取
按近断层定义，本文先选取汶川地震中发震断层附近20个强震台站的强震记录，台站的断层距小于60km，具体信息见表 1。再选取位于中远场的20个强震台站的强震记录，台站的断层距大于100km，具体信息见表 2。强震记录来源于中国地震局工程力学研究所下属的中国强震台网中心数据库。
表 1 所选取强震记录的近场台站信息Table 1. The information of near-site stations selected in the study编号 51MZQ 51JYH 51PXZ 51AXT 51JYD 51SFB 51MXN 51WCW 51MXT 51JYC 断层距/km 7.17 13.6 21.05 25.89 26.43 26.73 27.09 27.72 27.77 30.54 编号 51DXY 51DYB 51LXT 51QLY 51LXM 51PWM 51LXS 51GYZ 51BXZ 51XJD 断层距/km 31.19 34.33 46.4 49.17 49.18 51.28 51.58 55.15 57.75 59.09 表 2 所选取强震记录的中远场台站信息Table 2. The information of remote stations selected in the study编号 51HSD 51CXQ 51YAS 51JZB 62SHW 51JZZ 51TQL 51HYQ 51HYJ 51LDD 断层距/km 104.5 104.7 111.1 114.2 121.1 125.4 137.2 155.4 163 177.1 编号 51SMW 51LDL 62TSH 51SMM 51MBD 51YXX 51YXZ 51SMC 51LDS 51MNL 断层距/km 188.7 190.9 191.4 211.5 222.2 249.2 262.2 272.9 278.5 300.4 为充分表达研究目的，给出了汶川地震发震断层与所选取近断层强震台站的空间分布，如图 2所示。
2.2 P-Δ效应放大系数计算结果
对于任意台站，所获得强震记录分为水平向 (EW、NS) 与竖直向 (UD)，所以任意台站可以获得2个P-Δ效应放大系数。分别计算所选取近断层与中远场强震台站记录的放大系数，并将计算结果绘制成频率直方图，如图 3所示。计算中，结合大多数工程结构的动力特点，其单自由度体系阻尼比选择为0.05，自振周期分别取1s、2s与3s。
图 3 不同自振周期P-Δ效应的放大系数Figure 3. Amplification factor for P-Δ effect of different natural period对比近断层与中远场强震台站记录所计算出的放大系数，从整体上可以看出：对于近断层所获得的强震记录其P-Δ效应放大系数值较大，而中远场的P-Δ效应放大系数值较小；对于中远场地震动，其地震作用的水平分量本身就较弱，故其竖向地震动所产生的P-Δ效应可以忽略。因此竖向地震动所产生P-Δ效应的放大作用是近断层地震动所产生动力作用的主要特点，对于近断层地震动应分析其所产生的P-Δ效应。
2.3 放大系数的统计分析
地震动具有很强的不确定性 (Niazi等，1991)，为对建筑抗震设计提供具体参考，在完成对所选取强震记录初步分析后，应对多条强震记录的初步分析结果进行统计规律分析。
基于所得到的20个近断层台站获得的强震记录，计算得到不同自振周期条件下P-Δ效应的放大系数。利用概率图工具分析放大系数服从的概率分布，如图 4所示 (自振周期为1s)。根据分析，放大系数服从正态分布。进一步计算不同自振周期单自由度体系放大系数的统计参数，计算结果如表 3所示。
表 3 放大系数的统计参数Table 3. Statistical parameter of amplification factor自振周期/s 1 2 3 均值 1.012 1.229 1.701 方差 0.002 0.014 0.063 从表 3可以看出，对于同一自振周期的单自由度体系，其放大系数的离散性较小，放大系数主要分布于均值附近，且主要受单自由度体系自振周期的影响，自振周期越大，其P-Δ效应放大系数越高。为此，可以认为，在近断层区域内，竖向地震动所产生P-Δ效应的放大作用具有普遍性，其放大作用主要受自振周期大小的影响。
3. P-Δ效应放大系数谱的建立
3.1 放大系数谱的建立思路
在近断层范围内竖向地震引起的P-Δ效应会产生普遍放大作用，其放大系数主要受自振周期的影响，因此可以参考地震动反应谱的基本思想建立P-Δ效应放大系数谱，以获得竖向地震动P-Δ效应的放大作用与体系自振周期的关系。以上分析可知，当体系自振周期一定时P-Δ效应放大系数的离散性较小，所以可以用自振周期为一定时不同台站强震记录放大系数的均值作为P-Δ效应放大系数的代表值，从而建立放大系数谱，建立步骤如下：
(1) 设定不同的自振周期，分别为Tk=0.02×k(k=1，2，…，200)。
(2) 对于所设定的不同的自振周期，分别计算每个台站地震记录的P-Δ效应放大系数，即得到βi(Tk)，其表示第i个台站的强震记录在自振周期为Tk时的P-Δ效应放大系数。
(3) 当体系自振周期为Tk时，求得不同台站强震记录放大系数的均值，即u[β(Tk)]，进而求得不同自振周期条件下，其放大系数的均值u[β(Tk)]。
(4) 绘制放大系数曲线，横坐标为Tk，纵坐标为u[β(Tk)]，基于所得曲线利用最小二乘法拟合，得到规准化后的放大系数谱。
3.2 放大系数谱的建立
建立近断层竖向地震P-Δ效应的放大系数谱，需先求得Tk-u[β(Tk)]曲线，然后进行最小二乘拟合。为了方便工程应用，拟合函数选用线性函数进行。从Tk-u[β(Tk)]曲线中可以看出，在自振周期Tk < 2s时放大系数几乎都小于1.1，曲线趋近于一条斜率为零的直线，在自振周期Tk > 2s时放大系数β > 1.1，P-Δ效应具有明显的放大作用，β随Tk的变化趋近于单调上升的线性函数曲线，所以对放大系数规准谱曲线以Tk=2s为分界点进行分段拟合。利用最小二乘法进行分段拟合并经过简化处理得到规准化后的放大系数谱，如图 5所示。
图 5 竖向地震动P-Δ效应的放大系数谱Figure 5. Amplification spectra of P-Δ effect for vertical ground motion进一步拟合放大系数谱的数学关系，其关系表达式为式 (5)：
$$ \beta = \left\{ \begin{array}{l} {\rm{1}}.{\rm{05}},\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; {\rm{0s}}< {T_k} \le {\rm{1}}.7{\rm{s}}\\ {\rm{0}}.{\rm{6}} \times {T_k} + {\rm{0}}.{\rm{03}},\;\;\;\;{\rm{1}}.{\rm{7s}}\; < {T_k} \le {\rm{4s}} \end{array} \right. $$ (5) 此公式可为近断层区域内抗震设计问题中考虑竖向地震作用P-Δ效应的参考公式，在结构抗震设计中可以与反应谱结合使用。
4. 结语
本文以汶川大地震近断层的强震数据为基础，对近断层竖向地震动所产生的P-Δ效应进行分析，结果如下：
(1) 汶川地震中相比于中远场区域，近断层区域内竖向地震作用所产生的P-Δ效应具有明显的放大作用，并且具有普遍性。P-Δ效应放大系数主要受体系自振周期的影响，当自振周期一定时，不同地震动的放大系数服从正态分布并且离散性较小，主要分布于均值附近。
(2) 建立了放大系数随体系自振周期变化的放大系数谱，从而为结构抗震设计提供了参考依据；认为在可能发生强烈地震的活断层附近区域内，结构抗震设计过程中应该考虑竖向地震动所产生P-Δ效应引起的放大作用，放大系数按照规准后的放大系数谱曲线确定，在结构抗震设计中，放大系数谱可以与反应谱结合使用。
(3) 由于中国大陆地区强震记录数量的限制，本文仅仅选择了汶川地震的近断层强震记录；随着近断层强震数据的增多，应根据发震断层与地质构造特点，建立适用于不同区域、不同地质场地条件的放大系数谱，从而使其在工程应用中日益完善。
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图 1 规范化在数据库建设各环节中的示意图
Figure 1. Abridged general view of standardization in building Active Fault Database
图 4 数据组织第二层面：以断层数据为例
Figure 4. The second dimension of data structure: a case of fault data
表 1 表示数据来源的值代码表
Table 1. Codes of data sources
值域名称 值 代码 样品数据来源 野外地质调查点 GSP 探槽 TC 钻孔 DL 微地貌测量 GS 目标破裂带来源 1:10 000地震地表破裂带（FractureBelt1） FB1 1:50 000地震地表破裂带（FractureBelt5） FB5 1:250 000断裂地震地表破裂带（FractureBelt25） FB25 目标断层来源 1:10 000断层（Fault1） F1 1:50 000断裂（Fault5） F5 1:250 000断裂（Fault25） F25 活动断层（ActiveFault） AF 采样情况说明 一种样品单次采样 STSS 一种样品多次采样 STMS 多种样品多次采样 MTMS 
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表 2 单一含义数值型代码表
Table 2. Codes of simple numerical value
值域名称 描述值 代码 方位角（16方位） E 90 NEE 75 NE 45 NNE 15 N 0 NNW 345 NW 315 NWW 285 W 270 SWW 255 SW 225 SSW 195 S 180 SSE 165 SE 135 SEE 105 可靠性等级 Excellent 5 Good 4 Normal 3 Poor 2 Fail 1
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表 3 地质年代代码表
Table 3. Code values of geological times
年代 代码 Qh3 33320300 Qh2-3 33320230 Qh2 33320200 Qh1-2 33320120 Qh1 33320100 Qh 33320000 Qp3-Qh 33312300 Qp32 33310302 Qp31 33310301 Qp3 33310300 Qp2 33310200 Qp1+2 33310120 Qp1 33310100 Qp 33310000 Q 33300000 Pre-Q -33300000 N22 33220200 N21 33220100 N2 33220000 N14 33210400 N13 33210300 N12 33210200 N11 33210100 N1 33210000 N 33200000 E32 33130200 E31 33130100 E3 33130000 E24 33120400 E23 33120300 E22 33120200 E21 33120100 E2 33120000 E12 33110200 E11 33110100 E1 33110000 E 33100000 Cz 33000000 AnR -33000000 K1 32310000 K 32300000 T1 32110000 T 32100000 Mz 32000000 Pre-Mz -32000000 P2 31620000 P1 31610000 P 31600000 C1 31510000 C 31500000 D2 31420000 D1 31410000 D 31400000 S4 31340000 S3 31330000 S2 31320000 S1 31310000 S 31300000 O3 31230000 O21 31220100 O2 31220000 O1 31210000 O 31200000 ∈3 31130000 ∈2 31120000 ∈1 31110000 ∈ 31100000 Pre-∈ -31100000 Pz 31000000 PH 30000000 Z2 23320000 Z1 23310000 Z 23300000 Nh2 23220000 Nh1 23210000 Nh 23200000 Qb2 23120000 Qb1 23110000 Qb 23100000 Pt3 23000000 Jx2 22220000 Jx1 22210000 Jx 22200000 Ch2 22120000 Ch1 22110000 Ch 22100000
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表 4 岩体形成时期代码表
Table 4. Codes of rock formation times
年代 代码 喜马拉雅期（古近纪-第四纪） 33103330 燕山期（侏罗纪-白垩纪） 32203230 印支期（三叠纪） 32100000 华力西期（泥盆纪-二叠纪） 31403160 加里东期（寒武纪-志留纪） 31103130 震旦期（南华纪-震旦纪） 23202330 晋宁期（青白口纪） 23000000 四堡期（中元古代） 22000000 吕梁期（古元古代） 21000000 前吕梁期（太古宙） 10000000
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表 6 第3 — 6位代码含义概况表
Table 6. Description of the third to sixth characters of code
大类 小类 复合含义6位数值型代码的第3—6位含义 地质 实体 第3位实体名代码 第4、5、6位内部编码 描述 第3位描述参数代码 地球物理 实体 第3、4位实体名代码 第5、6位保留 方法 第3、4位探测方法代码 第5、6位内部编码 状态 第3、4位保留 第5、6位表示状态 地球化学 方法 第3、4位探测方法代码 第5、6位表示探测方法 样品 方法 第3、4位测试方法代码 第5、6位内部编码 火山 实体 第3位实体名称代码 第4、5、6位内部编码
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表 7 断层类型代码表
Table 7. Codes of different fault types
值 代码 出露性质未知 111100 走滑 111101 左旋 111102 右旋 111103 正断 111110 走滑正断 111111 左旋正断 111112 右旋正断 111113 逆断 111120 走滑逆断 111121 左旋逆断 111122 右旋逆断 111123 隐伏性质未知 111200 隐伏走滑 111201 隐伏左旋 111202 隐伏右旋 111203 隐伏正断 111210 隐伏走滑正断 111211 隐伏左旋正断 111212 隐伏右旋正断 111213 隐伏逆断 111220 隐伏走滑逆断 111221 隐伏左旋逆断 111222 隐伏右旋逆断 111223 推测性质未知 111300 推测走滑 111301 推测左旋 111302 推测右旋 111303 推测正断 111310 推测走滑正断 111311 推测左旋正断 111312 推测右旋正断 111313 推测逆断 111320 推测走滑逆断 111321 推测左旋逆断 111322 推测右旋逆断 111323
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