An energy-based envelope function for the stochastic simulation of earthquake accelerograms

An energy-based envelope function is developed for use in the stochastic simulation of earthquake ground motion. The envelope function is directly related to the Arias intensity of the ground motion as well to the manner in which this Arias intensity is built-up over time. It is shown that this build-up, represented by a Husid plot, can be very well modelled using a simple lognormal distribution. The proposed envelope makes use of parameters that are commonly available in seismic design situations, either following a deterministic scenario-type analysis or following a more comprehensive probabilistic seismic hazard analysis (PSHA), either in terms of Arias intensity or the more common spectral acceleration. The shape parameters of the envelope function are estimated following the calculation of the analytic envelopes for a large number of records from PEER Next Generation of Attenuation (NGA) database. The envelope may also be used to predict the distribution of peak ground acceleration values corresponding to an earthquake scenario. The distribution thus obtained is remarkably consistent with those of the recent NGA models.     

考虑超随机特性的人工地震动合成

文中根据自相关函数随机噪声部分的2个重要性质提出了自相关函数随机噪声部分的迭代生成算法,并给出了以确定性自相关函数为目标函数,考虑随机噪声部分影响的人工合成地震动方法.本文的研究结果表明地震动加速度的平方和（SS）比峰值加速度（PGA）更好地量度了地震地面运动强度.文中用蒙特卡罗方法分析了自相关函数噪声项对人工合成地震动幅值和反应谱的影响：由于自相关函数的随机噪声项对地震动总功率或平方和的贡献为0,因此随机噪声项对合成地震动幅值的影响不大,但由于自相关函数随机噪声项明显改变了地震动功率谱在频域上的分布特征,使原本光滑的平均反应谱出现了明显的波动,从而在一定程度上提高了平均反应谱的峰值,使自相关函数噪声部分对平均反应谱也有一些影响.     

超随机特性对地震动谱特性和时间历程的影响

本文从单个地震动样本的角度分析了超随机部分对地震动波形的影响,认为自相关函数噪声部分或功率谱的随机波动部分对地震动波形的影响不大,对地震动的波形起主要控制作用的是地震动的相位谱或相位差谱,而自相关函数的噪声部分（或功率谱的随机波动成分）只对地震动波形起一定程度的调整作用。文中基于平稳随机过程的理论,用蒙特卡罗方法分析了自相关函数噪声项对人工合成地震动振幅和反应谱的影响：由于自相关函数的随机噪声项对地震动总功率或平方和的贡献为零,因此随机噪声项对合成地震动幅值的影响不大,但是由于自相关函数随机噪声项明显改变了地震动功率谱的形状和分布特征,使其出现了明显的波动,也在一定程度上提高了平均反应谱的峰值,从而对平均反应谱也产生一些影响。考虑地震动自相关函数中的随机噪声部分有助于更真实地模拟和反映地震动的真实特性。     

中国东北地区及邻区土层场地地震动强度包络函数参数衰减关系研究

利用土层场地数字化强震动记录,研究适用于东北地区及邻区的强震动包络函数参数衰减关系。数据集由2008年后研究区内发生的29次地震事件的水平向和垂直向强震动记录构成。经过基线校正和滤波处理后,结合三段式包络函数模型,应用能量持时计算t1和t2,通过最小二乘法统计回归确定c值,得到了强震动包络函数参数的衰减关系公式。比较水平向和竖直向的计算结果发现两者之间整体差别不大。同时,与其他已发表成果的对比发现仍然与现有成果有一定的差别,主要原因在于数据选用方面的问题,目前能够获取的最大限度的数据仍然不能够完全地满足确定东北及邻区区域性强度包络函数参数及其衰减关系,一是数据数量有限,二是震级分布不均匀,且小震级较多,三是土层场地对三个参数的确定有明显的放大作用。     

多次各向异性散射模式对S波能量密度包络曲线的影响

在多次各向异性散射理论的基础上,本文重新推导了方向性散射系数的球函数展开式.引入特征时间的概念,来定义震源处初始地震波脉冲宽度,并在地震波能量密度积分方程中引入任意给定频率的初始脉冲能量谱密度的解析表达.通过离散波数方法求解了修正的地震波能量密度积分方程.基于积分方程的数值解,研究了不同散射模式对S波能量密度包络曲线的影响.计算结果表明:随着震源距的增加,在S波到时之后,多次各向异性散射模式与多次各向同性散射模式合成的能量密度包络差异逐渐增大.其中通过多次前散射模式,我们可以得到不同震源距的尾波能量密度包络的同一衰减趋势,以及S波能量密度包络随着震源距的增加而出现的展宽现象.最后,利用美国内华达州Wells地震余震的台站记录验证了多次前散射模式的实用性与有效性.     

基于地震动参数的结构易损性表达方法研究

用贝塔分布函数对给定烈度下结构各个破坏等级的概率分布进行了破坏比概率密度的拟合,以地震动峰值作为地震动参数,根据烈度和加速度峰值的对应关系以对数插值方式计算了在任意一个峰值加速度下结构破坏比的倍塔概率密度分布及各个破坏等级的概率,从而使结构易损性的表达方式由烈度-震害等级构成的二维阶跃性易损性矩阵转化为由地震动参数-破坏比概率密度函数或地震动参数-各破坏等级的概率来表达的方式.试算结果表明,这种转化方法是可行的.本文为震害预测和地震经济损失估计提供参考.     

地震波动强度变化的数学建模分析与仿真

传统利用灰色关联分析方法对地震波动强度变化进行数学建模分析与仿真时,对地震波动强度变化的数列进行仿真分析时,忽略了地震波动强度的时间属性对结果的影响,导致分析结果准确性较低。本论述提出新的地震波动强度变化数学建模分析与仿真方法,通过地震波动强度序列的经验分布确定门限自回归模型的门限值,依据该门限值、AIC最小准则以及最小残差平方等方法获取地震波动强度序列的门限自回归模型,分析自回归模型的极限环和振荡的属性特点,得到地震波动强度变化的初步数值模拟结果。本论述构建了基于均生函数的地震波动强度序列的数学模型,通过均生函数数学建模方法拟合地震波动强度时间序列,依据时间序列基于双评分准则选取拟合周期,实现地震波动强度的数值仿真。实验结果表明,所提方法对地震波动强度变化模型具有较高的准确性和稳定性。     

中、强震数字记录波形及震相特征分析

本文从地质构造、波列特征、P波初动、S-P到时差、主要震相、最大振幅、震中距等方面着手对沈阳台记录到的中、强震进行分析,力求归纳出国内和国外不同区域的波形和震相特征。     

地震波时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型的建立

利用谐小波变换对实际强震记录的时变谱进行估计,并统计分析了远场3类不同场地上地震波的时变谱特征,分析发现对于硬场地上的远场地震波在时域内平稳段较短,下降段衰减较快,而在频域内则具有较大的中心频率和较宽的频带.利用均匀调制非平稳模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳模型模拟地震波的时变谱,把非线性函数的参数识别问题转化成求解无约束优化问题,利用拟牛顿迭代法求得最优解,得到3类不同场地上这两种模型的参数具体取值以及参数函数集的具体表达式.为了定量地确定模拟模型的精度,定义了误差函数,验证了所提时变谱参数识别方法的精度,给出了与建筑抗震规范相对应的不同场地不同烈度下多遇和罕遇地震的谱强度因子的大小.最后提出了利用求解时变线性微分方程组来合成非平稳地震波的方法.     

基于《建筑抗震设计规范》强度包线函数参数取值研究

利用《中国地震动参数区划图》采用的地震动参数衰减关系,以及《中国地震动参数区划图》中地震动峰值加速度和地震动加速度反应谱特征周期反推不同设防烈度和设计地震分组对应的震级和震中距,再根据《建筑抗震设计规范》中各设防水准的峰值加速度确定对应的震级和震中距,进而根据地震动强度包线参数与震级和震中距关系计算地震动强度包线参数的取值,为基于强度包线函数生成人工地震动提供参考,并讨论强度包线参数的取值规律：(1)随着设防烈度的提高,加速度时程曲线上升段持续时间t₁和平稳段持续时间t_s减小,下降段衰减指数c增大;(2)随着地震水准和设计地震分组的提高,加速度时程曲线上升段持续时间t₁和平稳段持续时间t_s增加,下降段衰减指数c减小;(3)在生成人工地震动时,除考虑峰值加速度和设计地震分组影响外,还需要考虑设防烈度影响。     

地震波动强度非平稳特征提取数学建模分析

地震对人类生活安全有很大的威胁,对建筑结构有明显的影响,研究地震波动强度非平稳特征可为地震的预防提供参考。研究地震波动强度非平稳特征提取模型,分别设定确定性参数和随机参数的取值。对地震波动强度非平稳特性进行傅里叶分析,根据分析结果选取数学模型,并对模型参数进行设定;将记录的地震波动强度所对应的数振幅谱进行分解,拆分成一组不同尺度的分量,并对其重组创建连续分量,提取地震波振幅谱;利用地震波的振幅谱和相位谱之间的关系对地震波动强度非平稳特征进行提取。经过仿真实验证明,本方法提取地震波动强度非平稳特征的准确度更高,对分析高分辨率地震资料具有重要意义。     

Amplification of in-plane seismic ground motion by group cavities in layered half-space (Ⅰ)

Amplification of in-plane seismic ground motion by underground group cavities in layered half-space is studied both in frequency domain and time domain by using indirect boundary element method (IBEM), and the effect of cavity interval and spectrum of incident waves on the amplification are studied by numerical examples. It is shown that there may be large interaction between cavities, and group cavities with certain intervals may have significant amplification to seismic ground motion. The amplification of PGA (peak ground acceleration) and its PRS (peak response spectrum) can be increased up to 45.2% and 84.4%, for an example site in Tianjin, under the excitation of Taft wave and El Centro wave; and group cavities may also affect the spectra of the seismic ground motion. It is suggested that the effect of underground group cavities on design seismic ground motion should be considered.     

拉萨地震台PET重力仪同震响应特征

从面波延迟时间、初动方向、波幅、同震持续时间等4个方面研究拉萨台PET重力仪的同震响应特征,结果表明：（1）同震响应的面波延迟时间与地震震中距离具有较好正相关性;（2）初动方向没有规律;（3）同震响应的波幅不仅与地震震级大小有关,还与震中距远近有关;（4）远震的同震波一般表现为脉冲形式,近震除了脉冲外,还有阶跃;（5）同震波的延续时间与震级没有明确的比例关系.这有助于对重力仪器进行深入的了解,可以为未来西藏地区监测台网布设方案提供参考数据.     

晋冀蒙交界地区地震危险性评估及地震活动性分析

本文利用晋冀蒙交界地区1500年以来记录较完整的M_S5.0及以上历史地震烈度资料和2000年以来的地震活动资料，分别进行地震灾害危险性和地震活动性分析。首先，利用ArcGIS将历史地震烈度资料数字化，没有等震线记录的地震用烈度衰减关系计算烈度圈半径。将研究区划分成0.1°×0.1°的网格，将烈度资料分配到与之相交的每个网格，并用烈度-频度关系计算每个网格的烈度a、b值。基于地震发生遵从泊松分布的假定，估算未来50年内晋冀蒙交界区遭受某一地震烈度的超越概率。同时，计算50年超越概率10%对应的地震烈度，计算结果表明张家口蔚县、阳原和山西广灵县周边地区的地震危险性较高。最后，采用中小地震能量密度值计算方法，对2000年以来的现今地震活动进行定量分析，与历史地震烈度资料分析结果进行对比，发现中小地震活动圈定的危险区与历史地震烈度资料评估计算的概率高值区相对应，因此，这两种方法可为晋冀蒙交界地区的地震活动性和危险性评价提供参考。     

强震地面运动超随机特性的几点注记

本文详细论述了功率谱与功率谱密度、平方和SS与平方平均值MS的适用范围及物理意义,比较深入地分析了平稳和非平稳加速度时间历程的统计特征,通过引入时域包线获取特定相位的方法,考虑了非平稳特性。本文基于非平稳时间历程,在不考虑频率非平稳性的基础上,提出了设计地震动三要素:(1)平方和SS;(2)归一化自相关函数或其对应的功率谱;(3)地震动时域包线.本文提出了在设计地震动合成中考虑超随机特性的实用方法,并指出地震动的超随机特性(即归一化功率谱的锯齿状波动部分,或归一化自相关函数的随机噪声部分)与相位的随机性是地震动随机特性的两个重要方面。本文将地震动的统计分析直接建立在非平稳时间历程的基础之上,从而避开了要对地震动进行平稳化处理的困难。这样提取出的地震动统计特征完全是以真实地震动记录为基础的。应用这些统计特征,可模拟出符合统计要求的基于非平稳时间历程的设计地震动。最后本文还讨论了工程上常用的将反应谱近似转换为功率谱的转换式的一些缺陷。     

汶川地震强地面运动模拟

基于确定性震源模型的方法主要用于计算低频(11 Hz)地震动常用经验格林函数法或随机方法,对低频地震动模拟不够准确．本文在确定性震源模型方法基础上,尝试采用分解给定的震源模型的方法来模拟宽频带(0.1——10 Hz)强地面运动,即采用分级离散断层面和分解断层面破裂单元上升时间的方法,增加震源时间函数中的高频信号,从而避免了对地震记录丰富程度和准确性的依赖．文中模拟计算了汶川MS8.0地震在8个地震观测台的地震动,将模拟结果和观测记录进行了加速度时程曲线和傅里叶振幅谱的对比分析．对比结果显示,模拟估计的地震动峰值加速度和持续时间与观测记录的数据基本在plusmn;50%的精度范围内相同,傅里叶振幅谱显示模拟结果有得到10 Hz左右的高频成分. 四川盆地中的台站模拟结果高频衰减比观测记录要快,原因是模拟过程没有考虑场地效应.对强地震动模拟还是要综合考虑震源、传播路径和场地的影响．研究结果表明,此改变震源输入的确定性方法可应用于模拟近断层宽频强地面运动．      

The effect of underlying geological structures on the propagation of seismic waves

Viewing from the energy angle and taking the Beijing depression as an example, this paper studies the effects of underlying geological structures, mainly bedrock topography and bedrock faults, on the propagation of seismic waves and discusses the effects of the overlying soil layer on seismic waves. From the study, some conclusions are drawn as follows:

1. Underlying bedrock faults affect the duration, frequency spectra and characteristics of energy distribution of seismic waves.
2. Underlying bedrock topography changes the field of ground motion not only because the bedrock at different places receives different amounts of energy from the same source but also because its asperities diverge or converge seismic waves.
3. Overlying soil layer is able both to absorb and to amplify seismic waves.

In the paper, the idea of expressing the intensity of seismic waves in terms of energy is put forward. Comparison between the expressions of the seismic wave intensity in terms of energy and the maximum amplitude shows that the former is better than the latter in reflecting the effects of underlying geological structures on seismic wave propagation.     

中国东北及邻区竖直向地震动强度包络函数参数的确定及其衰减关系

选用2008—2019年中国东北及邻区27次地震竖直向105条强震动记录,以三段式强度包络函数模型为目标,利用加权最小二乘回归方法,尝试建立了东北及邻区竖直向地震动时程强度包络函数参数的衰减公式,以使我国的地震动区域划分更具有普遍性。同以往的研究类似,上升段持时t₁和平稳段持时t_s的确定方法采用了70%能量持时法。所选地震的震级为3.3—5.8级,最大震中距为371 km。基于土层场地的竖直向记录,通过与我国目前常用的时程强度包络函数参数的衰减关系进行对比分析发现,t₁与震级之间有明显的相关性,实际应用中应考虑震级对t₁的影响;地震整体持时较短造成t_s上升趋势随距离的增加而变缓;下降段由衰减系数c的变化可见,记录整体衰减较快。     

Automatic pickup of arrival time of channel wave based on multi-channel constraints

Accurately detecting the arrival time of a channel wave in a coal seam is very important for in-seam seismic data processing. The arrival time greatly affects the accuracy of the channel wave inversion and the computed tomography (CT) result. However, because the signal-to-noise ratio of in-seam seismic data is reduced by the long wavelength and strong frequency dispersion, accurately timing the arrival of channel waves is extremely difficult. For this purpose, we propose a method that automatically picks up the arrival time of channel waves based on multi-channel constraints. We first estimate the Jaccard similarity coefficient of two ray paths, then apply it as a weight coefficient for stacking the multichannel dispersion spectra. The reasonableness and effectiveness of the proposed method is verified in an actual data application. Most importantly, the method increases the degree of automation and the pickup precision of the channel-wave arrival time.     

Statistical features of the seismic noise-field

We present a preliminary study of the dependence of the statistical features of the soil motion due to seismic noise on the near-surface geology in the frequency range from 1 Hz to ∼ 40 Hz. In detail, we have investigated the 3D average squared soil displacement 〈r²〉 and the distribution function of the displacement flctuations at different geological sites. The anomalous scaling of the average squared soil displacement 〈r²(τ)〉~τ_α, and the Gaussian shape of the probability distribution function of its fluctuations suggest that the soil motion under the influence of the seismic noise is consistent with a persistent fractional Brownian motion (fBm) characterized by a scaling exponent 1.5 < α < 2. Therefore, the seismic noise-field, thought as a stochastic process, shows a markovian character with a memory longer than a pure Brownian motion (α = 1/2). Moreover, a dependence of such persistent behavior of the noise-field dynamics on the near-surface local geology has been found and it is discussed.