基于移动窗解卷积法的2011年日本东北 MW9.0大地震场地非线性时变识别

利用模拟记录和2011年日本东北M_W9.0大地震观测记录分析了基于移动窗解卷积法识别场地非线性时变特征的可行性,并与移动窗谱比法的结果进行了对比分析。研究表明:基于移动窗解卷积法可以较好地揭示场地非线性随地震动水平的变化过程,识别非线性发生的阈值、非线性变化程度及强震动后的恢复程度;与移动窗谱比法相比,移动窗解卷积法更容易获得较为稳定的土体非线性时变过程,但对于存在强阻抗比的浅表层土体,移动窗谱比法可以获得更准确的非线性程度。对2011年日本东北M_W9.0大地震中8个KiK-net台站进行了非线性时变分析,结果表明;两种方法识别的非线性阈值较接近,约在40—100 cm/s2之间,且与场地v_S30没有明显的相关性;在峰值加速度PGA较低的IBRH20台站,非线性引起的波速下降较小（3%）且震后几乎完全恢复;PGA 处于386—822 cm/s2之间的其余7个台站,场地等效剪切波速下降13%—37%,产生了显著的场地非线性,且震后未完全恢复;PGA大于380 cm/s2时,非线性所导致的场地波速下降、恢复与PGA无明显相关性。      

汶川地震强余震场地非线性反应

采用汶川地震强余震26个强震动台站记录,基于H/V谱比法,计算台站场地的强、弱震作用下场地卓越频率之比R_(fp)和体现强、弱震作用下场地H/V谱比曲线差异程度的DNL,进而识别并分析场地非线性反应特征。结果显示,R_(fp)、DNL与PGA之间存在显著相关性;其中10个台站出现明显的场地非线性反应特征;大部分台站发生场地非线性反应的PGA阈值为100 cm/s~2,部分为50 cm/s~2;实例证明,因某些台站不易通过H/V谱比法识别场地卓越频率,因此采用R_(fp)识别场地非线性反应具有一定局限性。     

2019年6月18日日本山形县Mw6.7级地震场地非线性反应特征研究

强震作用下的土层非线性是研究场地效应的重要因素之一.选取2019年6月18日日本山形Mw6.7级地震中8个台站的主震及20次余震的强震动记录,采用主余震速度反应谱水平/垂直(HVSR)谱比,并结合非线性识别指标DNL、ADNL和PNL对主震中可能发生非线性反应特征的台站进行研究.结果表明:土体在强震动作用下场地卓越频率有向低频移动的趋势,体现了土层非线性反应的特征;非线性指标DNL和ADNL与地震动峰值加速度之间存在显著的相关性,但PNL对应关系不明显.     

利用背景噪声自相关研究2014年鲁甸M_S 6.5地震震区周边地壳波速变化

利用鲁甸M_S6.5地震震区及其周边的5个台站所记录的2013年1月至2015年12月三分量地震背景噪声数据,在不同频带内计算自相关格林函数,通过30天滑动叠加获得当前格林函数,对整个研究时段格林函数长时间叠加得到参考格林函数。进一步对当前格林函数和参考格林函数分别采用移动窗互谱、伸缩技术计算各台站相对波速变化,利用计算结果研究鲁甸地震前后波速变化特征。结果表明:移动窗互谱法与伸缩法测量得到的相对波速变化趋势较为一致;0.2~0.5 Hz频带范围内测量的相对波速变化对介质的敏感深度约为4 km,具有较强的年变趋势,鲁甸地震及永善地震发生后各台站呈现出较显著的同震波速变化,表现为明显的波速下降,其中ZAT台(昭通)、YAJ台(盐津)波速下降最大,达0.06%。整个研究时段波速变化呈现出"扰动-地震-降低-恢复抬升-地震-降低-恢复-扰动"的总体特征。0.5~1 Hz频带测量结果,未观测到明显的同震波速变化,但可见一定的季节性变化特征。     

基于谱比法的江苏强震动台站场地特征分析

选取江苏省强震动台网近年来获得的强震动记录,基于水平竖向谱比法(HVSR),计算了22个强震动台站的速度反应谱平均谱比曲线,采用谱比形状一致法进行场地分类,并结合典型台站场地的工程地质资料进行对比分析。研究结果表明,平均谱比曲线的卓越周期、场地放大等特征与台站场地地质资料相吻合,与传统场地分类方法相比,基于谱比法的场地特征分类方法能够突出不同场地的地震动反应特征,较好地体现了台站的场地反应特征。     

强震动台站的场地V_(S30)估计及场地放大系数模型研究

场地条件对地震动具有显著影响,是确定抗震设计地震动参数时需要考虑的重要因素,因此,探究场地条件对地震动的影响规律具有重要意义。地震作用下产生的地面运动(地震动)是震源特征、路径特性和场地特征三方面因素的体现,其直接、客观地反映了场地条件对地震动的影响,因此是研究场地条件影响机制的重要数据基础。虽然目前全球强震记录较为丰富,但是受限于强震台站场地资料的完整性,大量已获取的强震记录无法应用,进而严重制约了对场地条件影响的研究。为了改变这一现状,本文提出了通过强震记录及部分台站的剪切波速数据估计缺乏勘测试验数据、或钻孔深度小于30 m的强震台站的场地条件参数V_(S30),利用日本、美国加州等地区强震资料对方法的效果进行检验。将方法应用于中国西部地区,估计了部分强震台站的场地参数V_(S30)。在确定中国西部地区台站场地V_(S30)的前提下,以其为变量建立了定量估计场地放大系数的经验模型。完成的主要工作包括以下几方面:(1)通过广义反演技术获取了强震台站的场地放大,再利用均方根阻抗比方法,建立了不同强震台站的场地1/4波长深度内等效剪切波速间的关系,根据剪切波速已知的台站,确定了缺乏剪切波速数据的台站的场地V_(S30)。利用日本、美国加州和中国西部地区的强震资料验证了估计方法的效果。将方法应用于中国西部地区,确定了部分强震台站的场地V_(S30)。(2)基于台站场地的浅层(深度小于30 m)土体剪切波速以及单台场地放大曲线,提出了确定钻孔深度小于30 m的台站的场地V_(S30)的方法。利用日本、美国加州等地区的强震资料验证了估计方法的效果。该方法避免了估计V_(S30)时对速度梯度延拓模型的依赖。将方法应用于中国西部地区,确定了部分钻孔深度小于30 m的台站的场地V_(S30)。(3)以中国西部地区强震台站的场地资料和数据为基础,通过分析场地卓越周期T0与场地V_(S30)的关系,建立了两者的经验模型。利用经验模型确定了中国西部地区缺乏剪切波速、且不满足广义反演前提的台站的场地V_(S30)。将经验模型与其他方法估计结果相比较表明:经验模型估计值在表征场地放大方面具有优势,其与场地放大系数之间表现出更强的相关性,利用其估计场地放大系数的离散性更小。(4)以中国西部地区实际钻孔资料为基础,利用数值方法研究了土体非线性特性对场地放大系数的影响规律,结合强震记录建立了考虑土体非线性效应的场地放大系数模型。对模型结果的分析表明,该模型符合中国西部地区场地条件对地震动的影响规律。利用包含这一场地放大系数模型的衰减关系计算了加速度反应谱,结果表明衰减关系能够反映土体非线性反应对加速度反应谱的影响。     

基于H/V谱比法的乌恰地区场地分类研究

场地条件对于地震动特性影响显著,在工程地震领域中强震记录与之对应的场地条件在研究中十分重要。利用H/V谱比法对新疆乌恰地区12个强震台站场地进行场地分类计算,并与实际钻孔剪切波速的场地分类结果对比分析,H/V谱比法和实际钻孔波速分类结果还是有很好的对应关系,为研究区域内缺乏钻孔剪切波速测试资料的场地进行场地分类提供了参考依据。     

基于强震动记录的汶川地震场地效应研究

场地效应一直以来是地震工程领域研究的热点。利用数值模拟和理论计算的方法进行这方面的研究已极为普遍。由于不需要太多的假设和简单的计算过程,基于强震动记录的场地效应分析方法越来越得到认可而被广泛应用。2008年汶川地震中,我国强震动观测网络(NSMONS)在主震和余震中分别获得了大量高质量的自由场加速度记录。这些记录为研究汶川地震场地效应提供了良好契机。本文以此为基础数据,从场地类别划分、场地反应广义反演和场地反应非线性识别3方面开展研究,旨在拓宽强震动记录在我国科学研究和工程实践领域的应用范围,推进强震观测事业的发展。主要工作如下:(1)在总结了目前国内外3种常用的HVSR场地分类方法优缺点的基础上,提出了一种新的分类方法——谱比熵权决策法,改进了现有方法。采用这4种方法划分了汶川地震中54个强震动固定台站和66个流动台站的场地类别。通过比较不同分类结果的差异,验证了新方法较以往方法更具合理性。(2)提出了一种新的基于HVSR形状的场地分类标准。在汶川地震强震动流动台站的场地分类中,证实了新标准可提高分类准确率,有效地解决了以往方法当HVSR曲线出现多个峰值或没有峰值的情况下无法适用的局限性。另外分类结果还表明,HVSR方法识别的场地自振周期TG与台站高程存在一定的相关性,总体上,高海拔地区的台站场地TG相对较小。(3)选取了28个强震动台站在汶川地震余震中的96个地震中获取的602组记录,采用广义反演法(GIT法)分离了其震源、路径、场地3项因素。针对台站062WUD,采用标准谱比法(SSR法)估计其场地反应并与GIT法的结果进行比较,显示两者较为一致,验证了广义反演结果的可靠性。将GIT法获得的28个台站的场地反应与HVSR法获得的结果进行比较,发现HVSR法计算的台站场地卓越频率与GIT法较一致,但场地反应幅值大都低于GIT法,验证了HVSR法能很好地估计场地卓越频率但会低估场地反应幅值的已有认识。在对数刻度下回归了1.0~5.0Hz、5.0~10.0Hz及1.0~10.0Hz频率段内的平均场地放大因子与上地表土层20m深度的等效剪切波速VS20值的线性关系,结果显示两者具有较好的相关性。(4)在运用广义反演法对汶川地震场地非线性反应进行识别与分析的过程中,定义了一种新的表示场地至地震源(site-to-source)距离的形式——凹凸体距,并验证了其相比目前常用的破裂距、断层距和震源距更能科学近似地表示大震中场地至地震源的距离,解决了广义反演方法不适用于大地震的局限性。(5)提出了将S变换应用于场地地震反应的非线性识别与分析的研究思路,与GIT法和HVSR法分别对33个强震动台站在汶川地震主震中的场地地震反应进行非线性识别与分析。结果表明,当地震动PGA300cm/s2或PGV20cm/s时,场地地震反应出现明显的非线性现象,对应台站051AXT、051GYS、051GYZ、051JYC、051JYD、051JYH、051JZW、051MXN、051SFB和062WUD,在汶川地震主震中产生了显著的场地非线性反应。通过与GIT法和HVSR法的研究结果进行比较,证实S变换在时域内可有效地进行场地反应的非线性识别,并且较频域方法具有能识别非线性发生的具体时间的优点。(6)在对汶川地震场地地震反应进行非线性识别过程中,分析了GIT法和HVSR法获得的弱、强地面运动作用下的场地卓越频率之比RFp与地震动水平PGA、PGV以及场地系数VS20、VS30之间的相关性。结果显示,RFp与PGA、PGV存在较强的正相关性,却与VS20、VS30弱相关。提出了一种新的定义场地反应非线性程度的参数——ADNL,计算了各台站的ADNL值以及其他类似参数fNL、DNL和PNL,并与地震动参数PGA进行经验回归分析,结果显示,各参数与PGA都存在强烈相关性。     

安徽省国家强震动台站场地响应及背景噪声分析

利用安徽省部分强震动台站记录的地脉动数据和历史地震数据,采用H/V谱比法和噪声功率谱密度函数法,对比分析台站的场地响应及背景噪声,结果表明：全椒、马鞍山地震台的场地卓越周期小且背景噪声低;沈巷地震台卓越周期大且背景噪声高;三山地震台无明显卓越周期;地震台站背景噪声与场地响应曲线之间不存在一一对应关系。     

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.     

安徽省国家强震动台站场地响应及背景噪声分析

利用安徽省部分强震动台站记录的地脉动数据和历史地震数据,采用H/V谱比法和噪声功率谱密度函数法,对比分析台站的场地响应及背景噪声,结果表明:全椒、马鞍山地震台的场地卓越周期小且背景噪声低;沈巷地震台卓越周期大且背景噪声高;三山地震台无明显卓越周期;地震台站背景噪声与场地响应曲线之间不存在一一对应关系。     

基于H/V谱比法的场地卓越频率研究

筛选喀什乌恰地区21个强震动数字化观测台站作为研究对象,利用H/V谱比法计算各场点场地卓越频率,并与钻孔剪切波速计算结果进行对比,两者结果相差不大。根据幂指数关系,回归拟合了场地卓越频率与覆盖层厚度的关系,h=43.53 f■,有很好的相关性。最后对伽师台55条强震动记录按照峰值加速度分档,计算各分档场地卓越频率,发现0～50 gal之间各分档场地卓越频率相差不大,100 gal以上档场地频率向低频移动,场地发生非线性反应。     

龙头山集镇局部场地地震动效应分析

依据龙头山集镇6个典型场地上的钻探资料及土体的动力非线性特性试验数据,分别建立了相应场地的地震反应分析模型。以幅值折半的龙头山镇强震动台站（053LLT）东西向主震加速度记录作为入射地震动,采用一维土层地震反应分析等效线性化方法计算了场地地震反应,讨论了近地表覆盖土层结构对地震动加速度峰值及反应谱的影响,并对场地效应与震害的关系进行了分析。      

2012年彝良Ms5.7、Ms5.6地震场地地震动反应

2012年9月7日云南昭通彝良发生了M_s5.和、M_s5.6级两次地震,此次地震引发了极其严重的滑坡和崩塌等地震地质灾害,同时地震波放大效应还引起高烈度异常区。利用彝良地震烈度圈内6个台站记录到的主震加速度时程,通过截取S波窗,采用标准谱比法和水平垂直谱比法研究其场地地震动反应。结果表明:两种方法能给出较为一致的谱比曲线和卓越频率,但场地反应数值差异较大,标准谱比法的结果受到参考台站自身场地反应的影响;靖安台的软弱土层对地震动的放大作用较为显著,是造成烈度异常的主要原因。     

1/4波长法和水平垂直谱比法场地放大反应差异性分析——以西克尔镇为例

利用土层剪切波速数据及强震动记录，分别采用1/4波长法及水平垂直谱比法，得到了西克尔镇场地放大反应曲线。对比发现1/4波长法可以较好的估计场地放大反应，但不能准确估计场地卓越频率；水平垂直谱比法可以较好估计场地卓越频率，但得到的场地放大反应偏小。在研究区，水平垂直谱比法估计场地放大反应偏小约1～2.5倍，尤其是周期在0.08～0.2 s范围内，场地放大反应偏小2.5倍左右。     

2017年8月8日四川九寨沟7.0级地震强震记录及特征分析

2017年8月8日四川九寨沟县发生7.0级地震,中国数字强震动台网布设在四川、甘肃、陕西、宁夏的66个强震台获得主震加速度记录。本文首先对198条三分向强震记录进行常规处理,计算出近场强震记录的加速度峰值随震中距的分布情况;再根据2个典型台站的加速度时程记录,通过计算其加速度反应谱并与设计反应谱比较,分析本次地震的基本特征;然后将实际观测数据与意大利新一代地震动衰减公式对比,分析峰值加速度（PGA）及谱加速度的衰减关系;最后结合已有的工程场地钻探资料,采用H/V谱比法对2个不同类别的典型台站进行地场地效应分析,发现该方法能很好地反映实际台站场地的反应特征。     

一种实时场地校正方法及其在地震预警中的应用

地震预警系统对地震数据处理的实时性要求极高。其系统数据来源除布设在基岩的测震台站外,还有大量非基岩场地的强震动台站和地震烈度仪台站,其场地影响不容忽视。为了考虑震级估算和地震动场预测中的场地影响,需实时对各种场地条件下的地震波形进行校正。目前处理一般使用某个标量来表征场地放大效应。本文采用一种实时的场地校正方法,首先计算目标场地与参考场地的谱比,然后通过最小二乘法、双线性变换将谱比转化为因果递归的无限冲激响应(IIR)时域滤波器,之后可以应用该滤波器进行实时场地校正。该方法考虑了场地放大系数的频率依赖性,相比于标量校正提高了准确度。应用我国四川和日本部分强震动台站记录,验证并讨论了这种实时场地校正方法在地震预警中的应用效果。     

场地地震动水平/竖向谱比与地表/基底谱比差异及修正水平/竖向谱比法研究

局部场地条件是决定场地地震动强度和频谱的重要因素,基于强震动和脉动记录的统计分析,获取表征场地条件影响的特征参数已成为确定工程场地设计地震动的较经济和实用方法,特别是对于大范围或难以开展现场勘测的工程场地.利用日本KiK-net台网强震动记录计算分析了台站场地地震动水平/竖向谱比(HVSR)与地表/基底谱比(SBSR)...     

钢筋混凝土框架结构参数时变特性的研究

以某12层钢筋混凝土标准框架结构振动台模型试验的数据为基础,用卡尔曼滤波技术与移动谱相结合的方法对该标准框架结构参数的时变特性进行研究,该方法相当于对时域信号施加变长度矩形窗后进行卡尔曼滤波,有效地提高了参数识别精度.模型结构在小震激励时,结构的频率发生微小程度的降低,表明结构内部发生了未表现出来的轻微损伤;大震激励时,结构频率较初始时刻发生大幅度的下降,表明结构发生了较大程度的破坏.经与理论解和分量分析识别结果对比,用本文方法识别出的结构参数更接近理论解.     

汶川地震远场地震动场地相关性与分析方法评价

为考查远场地震动的场地相关性并评价一些场地特性分析方法的适用性,采用不同方法对汶川地震山东省12个远场台站的强震记录进行了分析.选取台站分别位于按建筑抗震设计规范(CBC)场地划分中的Ⅰ—Ⅲ类场地上.地震动记录的分析方法包括傅里叶幅值谱法,地震反应谱法,水平与竖向谱比率法,参考点谱比率法,以及尾波分析等.结果表明,按傅里叶幅值谱法,地震反应谱法,水平与竖向谱比法计算得到的卓越周期均远大于台站场地的卓越周期,不同方法得到的结果之间也有较大差别,且主要反映长周期地震动的卓越频率;参考点谱比率法的结果未反映地震动的卓越周期,也与场地的卓越周期差别较大;对完整记录尾波分析所得的结果比较接近场地的卓越周期.希望本文能为考虑远场地震作用时设计谱的建立,以及场地特性估计时地震动分析方法的选取提供参考依据.