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强震观测中的关键技术研究

周宝峰  
【摘要】:强震动台网的建设规模正在迅猛发展,近期在中国、智利、海地、新西兰、日本和墨西哥等地发生了多次破坏性地震,获得的强震记录数量迅速增加,为地震工程的深入研究提供了契机。然而,强震观测中获得一批高质量的强震动波形外,也获得了一些异常波形数据,一方面要求提高强震台站的管理与运行的效率,另一方面也要客观甄别强震记录中的异常波形,对近断层和远断层的强震动数据给出客观合理的数据处理方案,改进强震观测技术中的不足。 本文总结了典型的地震动观测台阵、建筑结构台阵和大坝台阵的布设方案,分析了台站布设的基本要求;归纳了强震记录中的异常波形,并进行了解疑分析;讨论了滤波器的因果性及相关参数对于地震动参数的影响;对比了永久位移计算的方法,提出了Hermit插值和平坦度结合的基线校正方法,计算了近年典型强震记录的永久位移,并与GPS观测方法对比;利用小波变换、经验模态分解和滤波的方法,研究了强震记录中的速度脉冲识别问题。主要研究取得的认识与成果如下: (1)系统总结了国际上关于强地震动台阵、一般建筑结构和大坝台阵各种类型布设方法,分析了强震动台站建设遵循的基本原则,并结合汶川地震中的震害特点,提出需要细化结构强震观测台阵的建议,为研究结构在地震作用下的动力反应提供可靠合理数据。本章旨在整理强震台阵的相关技术要求及应用范围,为强震数据的获取提供一定的背景知识,为从事强震观测工作的研究者提供一定的参考。 (2)归纳了历次地震中出现的异常波形,如非对称波形、加速度出现明显漂移等现象,分析了异常波形产生的原因,初步探讨了强震动记录质量问题。重点讨论了近年来强震动记录中普遍存在的“尖刺”(“spike”)问题,通过统计集集、汶川、新西兰和日本等强震记录中PGA点与前后时刻相邻采样点的比值来确定是否为尖刺,定义了相邻比值在一定范围内时,可视为“尖刺”,同时研究了“尖刺”对于时程和反应谱的影响,得出“尖刺”对高频幅值有一定影响的结论,提出了降低“尖刺”影响的处理方法。 (3)分析了模拟和数字强震记录的噪声来源,论述了关于仪器的校正问题和噪声截止频率的确定问题,以汶川主震记录为例,采用Butterworth非因果滤波器,研究了加零、余弦过渡以及截止频率对于强震动记录相关参数的影响,对比了四种因果滤波器在不同参数下的计算结果,探讨了滤波后的加速度保零和去零的问题。研究表明:借助于在记录的首尾加零得以实现的非因果滤波具有零相位特点,余弦过渡处理对于加零部分与原始记录间的过渡很必要;Butterworth非因果滤波器的计算结果比较稳定,可以完善EMD方法,PGV和PGD对于高通截止频率的选择比较敏感,当波纹系数为0.2dB时,宜使用Chebyshev I型非因果滤波器;当波纹系数为3dB时,宜使用Chebyshev II型非因果滤波器;对于滤波后的加速度数据需要保零以适应数据间的协调。 (4)总结了强震记录基线漂移的类型,分析了强震记录基线漂移的原因,提出了Hermit插值与平坦度结合的基线校正法,以集集、汶川、日本Mw9.0大地震PGA大于50gal的主震记录为代表,分别采用Iwan I法、Boore v0法、Wu的方法、Wang的方法和Hermit法计算了永久位移并进行了比较,利用Hermit基线校正法绘制了日本“3.11”地震的永久位移场。研究结果表明:基线漂移机理复杂,常用方法均采用经验方法来判断基线漂移起始点,本文提出的Hermit基线校正法一定程度上减少了主观随机性,与其他方法相比具有较大的合理性和有效性。 (5)以傅立叶变换、小波分析和经验模态分解理论为基础,选取汶川地震主震和余震记录、新西兰Mw7.1和Mw6.3地震以及日本Mw9.0地震中PGA大于100gal的强震加速度记录为例,研究了斯坦福大学Baker教授提出速度脉冲识别方法存在的问题,研究结果表明:Baker方法在提取速度脉冲式受到小波基的限定,并对于其确定的PGV不能小于30cm/s的条件提出了疑议,建议了利用经验模态分解和低通滤波识别多个速度脉冲的新方法,该方法突破了需要假定脉冲形状存在的主观性。


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