地震动空间相干函数模型中拟合参数的修正

采用SMART-1台阵第5次和第45次地震的水平向分量加速度记录,首先计算了不同间距台站对的地震动空间相干函数;然后讨论了台站距离对相干函数拟合结果的影响,即某一特定距离的相干函数与所有不同距离的相干函数的拟合结果存在明显差异。为减小这一差异,提出了一种对各个不同距离的相干函数拟合参数进行二次回归的方法,并选用Loh相干函数模型进行了验证,最后给出了基于Loh相干函数模型的拟合参数的修正结果。结果表明本文提出的修正方法将大大提高相干函数模型中参数的拟合精度。      

参数和非参数方法计算相干函数的比较

地震动空间相干函数计算主要两类方法,一是采用谱窗方法对功率谱和互功率谱进行平滑的非参数方法,另一类是采用K-T(Kainai-Tajimi)谱拟合功率谱和互功率谱的参数方法。本文选取了SMART-1台阵第5次和第45次地震的水平分量加速度记录,采用AR(Auto-Regressive)自回归模型的参数方法,计算了不同台站间距的相干系数,并选用Loh相干函数模型,对两种方法的相干系数进行拟合,分别得到了拟合参数和标准差。结果表明:(1)基于AR自回归模型方法得到的拟合标准差小于非参数法;(2)非参数法和参数法的相干系数有明显差别;(3)随着间距的增大,基于非参数法的相干系数随着频率增大而变小的程度放缓,而基于参数法的相干系数明显反映出相干系数符合随着频率增大而变小,同时也随距离的增大而减小的共识。     

截止频率的取值对地震动空间相干函数统计结果的影响

以SMART-1台阵第45号地震的南北分量加速度作为研究对象,计算截止频率f_cut分别为8,16和24 Hz,台站间距分别为200,1 000和2 000 m这9种工况的相干系数,并进行曲线拟合,再根据9组拟合参数计算相应的相干系数并进行比较。结果表明:① 截止频率f_cut的取值对相干函数统计模型参数和相干系数拟合曲线有很大影响;② 根据较小的截止频率f_cut得到的拟合参数计算出的相干系数随频率的衰减很快,反之,根据较大的截止频率f_cut得到的拟合参数计算出的相干系数随频率的衰减较慢;③ 当使用由确定的截止频率f_cut得到的相干系数拟合参数计算超出截止频率f_cut范围的相干系数时,将产生很大的误差。      

基于AR模型的相干函数有效频段范围的确定

目前人们在进行地震动相干函数模型参数的拟合时,选取的频段范围存在很大差异,而确定有效的频段范围对相干函数模型拟合结果的合理性很重要。本文利用AR模型(Autoregressive Model,自回归模型)计算地震动的功率谱,提出了根据功率谱"信噪比(SNR)"确定相干函数有效频段范围的方法。本文的信噪比中的"噪",专指AR模型中的激励白噪声,用于衡量AR模型中某一频率地震动功率谱与激励白噪声功率谱之间的比例。定义信噪比SNR=0时对应的频率为有效频段的最高频率,大于最高频率的频率成分,被当作是地震波中的随机成分,可以不考虑地震动的相关性。采用这一方法,对SMART-1第45次地震记录的不同台站间距下的地震波进行了功率谱估计,根据信噪比确定出了有效频段范围,并计算了相应的相干函数,结果表明此方法是可行的。     

地震动空间相干函数的极限性质

基于弹性理论中旋转与平移之间的微分关系，研究了当空间两点间距离趋于零时地震动空间相干函数的极限性质．结果表明，为满足这一微分关系，在建立小范围地震动随机场模型时，空间相干函数的选择必须满足一定的函数特征，不能完全凭经验统计方法来验定其函数形式．同时指出，基于随机地震动场估计旋转地震动分量功率谱密度的关键，是精确地确定地震动空间相干函数关于空间坐标的二阶导数．      

九寨沟MS7.0地震强地震动模拟及漳扎镇地震动强度预测

破坏性地震强度预测可用于工程领域抗震设防以及地震危险性分析评估,是防震减灾中一项很重要的基础工作.为了再现九寨沟地震的地震动强度,评估缺失强震记录的九寨章扎台站的地震动强度,本文用经验格林函数法对九寨沟地震进行了数值模拟.选取了震源周边地震动峰值加速度超过10 Gal的10个强震台站进行模拟.因未得到九寨沟地震的余震,初次尝试将汶川地震和定西地震的余震作为格林函数模拟九寨沟地震.模拟结果整体上可以反映各台站地震动的强度特征,尤其是地震动高频成份拟合较好.模拟值的地震动峰值加速度、时程数据、反应谱等与观测值拟合较好.预测结果显示漳扎镇的地震动峰值加速度值约为180~200 Gal.预测结果也表明在缺少大震的余震记录时,经验格林函数法使用其他大震的余震同样可以再现目标地震的强度特征.本研究也为经验格林函数方法在缺乏小震记录地区的使用积累了经验.最后总结了格林函数的选取标准,为经验格林函数方法来预测未来强震动特征积累了经验.     

地震动空间变化随机描述及相干函数模型研究进展

本研究主要讨论地震动空间变化的随机描述.首先给出了基于密集地震台阵记录估计相干函数的方法,并对计算中需要关注的问题给出了相应的解释;然后对现有的经验和半经验相干函数模型的建立进行了详细的梳理,并对模型在工程应用中的适用性、有效性和局限性进行了讨论;最后通过对比分析不同相干函数模型对场址地震动空间相关性的模拟结果,对相干函数模型的选择提出了建议.     

2020年1月19日新疆伽师MS6.4地震强震动记录特征初步分析

2020年1月19日新疆伽师发生M S6.4地震,新疆强震动观测台网共获取44组强震动记录,西克尔强震台获得本次地震最大峰值加速度633.3×10-2 m·s-2。本文对获取到的强震动记录进行初步整理、分析,拟合得到本次地震地震动峰值加速度衰减关系,在300 km范围内与经验性衰减关系相差不大。计算分析了峰值加速度大于100×10-2 m·s-2的5个典型强震台站加速度反应谱,并与设计反应谱进行对比分析,同时计算了这5个台站地震动70%及90%能量持时,两者相差较大,反映出地震主要能量释放集中在相对较短的时间内。     

2020年10月22日四川北川MS4.7地震强震动特征分析

2020年10月22日11时03分37秒四川省绵阳市北川县发生MS4.7地震,四川强震动台网与预警烈度速报台网在震区建成较密集的台站,获取了532组三分量加速度记录,有助于开展区域地震动衰减和地震动特征研究.本文对强震记录进行常规处理后计算出强震动记录的相关参数,利用克里金插值方法得到地震动峰值加速度PGA和峰值速度PGV的空间分布图,长轴呈北西—南东方向.分析强震动记录PGA、PGV随距离的衰减规律,与常用衰减关系预测值进行对比,此次地震PGA的衰减特性与俞言祥和汪素云(2006)提出的中国西部地区水平向基岩加速度衰减关系有较好的一致性.北川MS4.7地震获得的密集强震动记录为建立区域衰减关系,以及开展基于经验格林函数方法(EGFM)再现大震强地震动场展布等研究提供了重要的数据支撑.     

面向设计应用的地震动空间相干函数模型

本文对现有的常用地震动空间相干模型进行了总结,提出了一个新的面向工程抗震设计应用的形式统一的地震动空间相干函数模型,在此基础上推导出了多点地震反应谱和功率谱计算所需要的振型组合系数的解析表达式,避免了耗费时间的数值积分运算。本文模型与计算方法使多点地震激励下结构响应的计算时间减低至积分方法的1/20以下,使多点地震反应谱方法和多点地震功率谱方法在计算时间方面实用化。     

青藏工程走廊地震危险性对比分析及区划

潜在震源区地震活动性参数、地震动衰减关系对地震危险性分析结果至关重要。以中国第五代地震动区划图潜在震源区划分方案为基础,采用2类震级分档分别建立自编及五代图潜在震源区空间分布函数,收集4组青藏高原及周缘地区地震动衰减关系,采用不同组合对青藏工程走廊沿线的81个场点进行概率地震危险性分析计算,得到50年超越概率10%(地震重现期475年)的各场点基岩地震动峰值加速度(PGA),并转换为一般场地(Ⅱ类)PGA,对计算结果进行对比分析,并与第五代地震动区划图归档上下限值进行比较。结果显示:采用我国西部地区地震动衰减关系计算得到的PGA最大,采用云南地区地震动衰减关系得到的PGA最小,采用川藏地区及青藏高原东北缘地震动衰减关系时居中;在同一地震动衰减关系下,采用自编空间分布函数计算得到的PGA普遍略大于采用第五代图空间分布函数时;在震级上限为8.5的潜在震源区及附近地区,潜在震源区空间分布函数震级分档对计算结果有显著影响。综合分析表明,采用自编Ⅱ型震级分档空间分布函数方案与川藏地区地震动衰减关系组合方案的计算结果最为理想。最后,采用该组合方案对青藏工程走廊50年超越概率10%的基岩场地PGA及一般场地PGA进行了区划。     

场地条件对地震动相干函数的影响

本通过弹性半空间内位错源的数值解法研究了曲岩地震动相干函数，采用有限元方法分析了一些典型场地的地表地震动相干函数，两的对比结果表明：复杂场地对地震动相干函数的影响强烈。     

基岩地震动的一个相干函数模型-走滑断层情形h

目前研究地震动空间变化的主要方法是利用密集台阵（如SMART1台阵等）的强震观测记录进行统计分析，由于地震动观测资料的不足，因而缺少基岩及不同场地类别地震动相干函数模型. 本文利用数值方法了模拟理论地震图，进而研究采用震源位错模型的基岩随机地震动的空间变化规律，并考虑震源破裂速度、子源个数、震源深度和介质传播速度等因素的影响. 其具体思路为:首先对应于每个样本，用有限差分数值模拟方法计算弹性半空间近场地震动场，而后对所有样本的计算结果进行统计，给出了一个走滑断层情形下的近场基岩表面及沿基岩竖直方向水平分量地震动的相干函数模型.      

基于能量的相干函数有效频段范围的选取

目前的地震动空间相干函数模型中频率的适用范围存在很大差别。本文利用地震动功率谱所表征的地震动能量在各频段内分布的相对关系,从功率谱-能量的角度,引入能量比的概念,即某一频段范围的功率谱与总功率谱的比值,提出了确定一种相干函数模型有效频段范围的方法。选取了SMART-1台阵第5、33、40和45号地震的水平分量加速度记录进行了对比分析,发现:当频率范围为0～5 Hz时,能量比达到95%以上;当频率范围为0～8 Hz时,频段内的能量已达到总能量的99%左右。因此,建议在进行相干函数模型中参数拟合时,可采用能量比达到95%～99%时对应的频率作为最大频率,从而减少高频成分对拟合结果的影响。     

多点地震动激励下的高效反应谱方法

在多点地震动激励下,结构的反应谱分析计算非常耗时。结构的地震谱响应可以用若干个相关系数来表示,如果相关系数使用解析形式来表示,可以大大减少计算时间。本文提出了空间相干函数的近似表达式,并对其系数进行积分,得到了相关系数的解析式。该解析表达式根据克拉夫-彭津（Clough-Penzien）和胡聿贤自功率谱密度函数模型推导得出。案例桥梁的计算结果表明,相关系数的近似解析表达式具有足够的工程精度,用于多点地震反应谱计算具有极高的效率。      

基于改进反应位移法的盾构隧道横向抗震规律研究

在地震动作用下,小间距盾构隧道夹土层区域的动力反应影响结构的内力与变形,而反应位移法未考虑夹土层弹簧参数的变化,本文针对这一误差来源,提出了改进反应位移法。一方面在反应位移法合理内容的基础上完善计算模型,另一方面通过数值计算将改进反应位移法与动力时程法进行对比分析,并拟合理论模型对改进的方法进行修正。结果表明,两种算法下结构的地震响应规律一致;间距d≥8m时,结构地震动反应变化不明显,可按反应位移法计算;理论模型提高了改进反应位移法计算结果的精度。     

一种持续实时预测仪器地震烈度的方法

为了在地震发生后能够快速并准确的预测仪器烈度,本文利用形状函数模拟P波触发后烈度的实时变化,探寻其中的规律,并最终做到实时的烈度预测。在地震发生后,P波触发台站的烈度可以进行实时计算,并呈逐渐增大的趋势。烈度的实时变化呈现一定的规律性,可以用函数进行描述。选取了四种形状函数描述烈度变化,并得到每个函数的拟合参数。利用2001年至2011年日本Ki K-net台网记录的352个地震事件中筛选的1 821个强震台站的数据对上述参数进行拟合计算,确定其中的参数和震源距的关系。使用本文方法对地震烈度进行预测的结果与其它预测方法进行了对比,结果表明,本文方法在预测50至150 km触发台站的仪器烈度时有着较好的结果,其它震源距范围的烈度预测结果还有改进的空间。     

竖向地震动强度包络函数的空间变化规律

利用SMART 1台阵三次地震记录拟合了各个测点在地震中的竖向地震动强度包络曲线及Amin 和Ang的强度包络函数中各模型参数值,分析了各模型参数的空间变化规律,建立了各模型参数随二维空间坐标及土层厚度变化的随机模型,为多点地震动合成中竖向强度包络函数的计算提供了理论依据。     

2018年2月12日河北永清4.3级地震强震动记录分析

2018年2月12日河北省廊坊市永清县发生4.3级地震,震中位于廊固凹陷内的河西务断裂附近,国家强震动台网中心获取74组强震动记录,本文对触发台站进行场地分类,结果显示大部分为Ⅰ类场地(51.35%),其次为Ⅱ类场地(35.14%)和Ⅲ类场地(13.51%)。根据5个典型台站加速度时程记录及反应谱分析本次地震强震动特征,并对各台站峰值加速度反应谱与方位角和震中距的关系进行分析。采用克里格插值方法绘制地震仪器烈度分布图,由于台站分布不均,导致极震区附近烈度影响场计算缺值现象,本文通过拟合本次地震强震动记录得到该地区地震动衰减关系,在空白区域建立空间随机假设台站进行补点插值,解决了计算缺值问题,为缺少台站记录的震区提供准确快速制作烈度分布图的思路,为震害调查和地震应急救援提供重要依据。     

基于背景噪声互相关格林函数的 单台时间误差估计

从江苏省数字地震台网2011年的宽频带记录数据中, 选取了不同背景噪声区域下的两组不同台间距的台站(A, B每组4个台站), 两组台站的平均台间距分别为44.6和30.5 km. 首先, 运用滑动窗互相关技术, 测量出各台站对间背景噪声互相关格林函数随时间的偏移量ΔD_Si-Sj, 然后通过奇异值分解来求解由ΔD_Si-Sj与系数矩阵构成的超定方程, 从而计算出单个台站的时钟误差ΔS_i;并引入协方差矩阵来估计不同置信水平下计算结果的误差范围. 计算结果表明, 除去明显的钟差误差(>3 s)外, 8个台站的时间误差平均均方根为0.4215 s, A与B两组台站在置信水平为95%时的时间误差范围分别为±0.4544 s和±0.4283 s; 而采用HYPOSAT定位方法对2010—2011年江苏地区的地震进行定位, 得到的平均走时残差约为0.386 s. 两者的计算精度基本相当, 表明基于背景噪声互相关格林函数计算出的单台时间误差是可信的.