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摘要
利用Matlab平台,设计一款用于强震数据处理的Wave-site软件,与在用软件相比,增加台站场地响应计算等功能,并提供多种基线校准和场地响应计算方法作比较分析。应用该软件研究了三山强震台场地响应与震级的关系,数据表明,地震S波放大因子大于地脉动,且随震级升高而增大。
关键词
Matlab;Wave-site软件;强震动记录;基线校准;场地响应
强震研究不仅为地震区划、抗震设防和应急救灾提供科学依据,也在地震动衰减关系、反应谱特征参数统计等地震工程研究领域发挥着重要作用(詹小艳,2014)。理论研究和震害调查表明,场地条件对于地震动特性和震害评估具有重要意义(Hiroshi,2004),利用强震观测资料分析强震台站场地的放大效应十分必要(Nakamura,1989)。安徽强震动台网(包含9个台站)自2007年1月运行以来,获取多条强震记录。随着“十二五”建设,安徽强震台站数量将剧增至61个,均采用实时网络通信。然而,强震分析软件功能比较简单,无法实现各种情况下记录曲线的基线校准(郑水明,2010),也无法进行场地响应计算(David,2002)。目前,已有使用Matlab平台进行强震数据处理的做法(曹加良,2009),但可视化操作不强,难以推广应用。利用Matlab平台开发设计Wave-site软件,用于强震记录的基线校准和台站的场地响应研究,具备傅氏谱计算和数据输出功能,为强震数据的广泛应用做准备。
1系统设计
Matlab平台拥有大量工具箱和丰富的库函数,适于数据处理。Matlab可视化功能强大,方便制作各种绘图。同时,MatlabGUI界面控件较多,程序编写简单,软件可编译为独立于Matlab环境运行的C程序(安装MCR环境)。Wave-site软件通过GUI界面进行设计(图1),采用Matlab内部算法进行数据处理,软件参数配置见表1。
2系统功能
2.1基线校准强震加速度记录基线校准方法有基线法、Iwan法和低频滤波法。基线法是从加速度记录中减去震前地脉动平均值,无震前记录则减去整个记录的平均值。对复杂的基线漂移进行校准,其结果可作为进一步处理的基础。当峰值加速度超过50cm/s2时,可以采用Iwan法。该方法基本思路是,将加速度时程分为3段,中间一段代表由磁滞效应引起的基线偏移发生在强震部分,且认为在同一段内基线偏移是一个常量,用速度时程基线斜率表示加速度基线偏移量。使用滤波方法,能有效清除低频噪音对加速度基线的影响,但加速度信息会被引入新的噪音信号,部分长周期信息和地面永久位移信息也可能被滤掉。实际工作中,为尽可能消除记录中的低频噪音,可以将3种方法相互结合使用。图2为分别采用基线法(左图)、Iwan法(右图)得到的加速度曲线图。
2.2傅氏谱计算应用Matlab内部离散FFT计算方法,对校准后的加速度曲线进行傅氏谱计算,并在软件主界面的坐标图内显示出来。
2.3场地响应计算场地响应计算方法有H/V谱比法、Atkinson法和Moya法,其中强震研究常用H/V谱比法。Nakamur(a1989)利用井下记录数据证实HB/VB≈1,其中HB、VB分别代表基岩场地(下角标为Bedrock缩写)观测资料的水平向和垂直向傅氏频谱。而Lermo(1993)利用基岩为参考点也证实此值近似于1。因此,场地响应可表示为此为H/V谱比法经验关系式,其中HS和VS为土层场地(下角标为Soil缩写)观测资料的水平向和垂直向傅氏频谱。公式(1)表明,只需在地表测量3个分量就可计算出场地传递函数。在实际研究中,通常采用H/V谱比法计算台站场地响应。
2.4其他功能Wave-site软件支持数据输出,包括傅氏谱数据和场地响应数据,且使用者可以根据需要不断完善和扩充该软件的功能。
3应用实例
应用Wave-site软件,分别计算三山台两次强震记录及震前地脉动的场地响应。具体做法是:截取基线校准后的强震记录S波数据及地脉动数据(时间长度均为15s),应用Matlab内置FFT算法得到傅氏谱。为避免谱比失稳,对各分量傅氏谱幅值采用0.1Hz平滑窗,即200个采样点的平均进行平滑。采用origin7.0作图,计算结果见图3。在此将谱比值描述为场地的放大因子,从图3可以看出,三山台的谱比曲线具有较好的相似性。结合三山台场地条件,对比地脉动与S波谱比曲线,可以得出以下结论。(1)三山台地脉动和S波谱比曲线一致性好,在0.5—5s频段,场地响应相对较平坦。(2)由于覆盖层较厚,地脉动和S波谱比曲线相似性较好,曲线趋向一致,但场地的放大因子差距较大(表2)。地震S波放大因子大于地脉动,且随着震级升高而增大,可见土层场地对于地震的放大效应较明显。
4结束语
利用Matlab平台开发的Wave-site软件,具有功能全面、可持续升级等特点,适用于强震数据处理,具有推广价值。利用该软件计算安徽地区强震台站场地响应数据,并作为一项基础资料加入强震台站建台报告。近期考虑将此软件计算结果与手动计算结果进行对比,对软件计算过程进行优化,以期获得更准确的场地响应数据。
参考文献
曹加良.用Matlab软件内部函数校正强震记录的探讨[J].华南地震,2009,29(2):88-94.
詹小艳,等.2012年7月20日江苏宝应M4.9地震加速度场的计算[J].地震地磁观测与研究,2014,35(3/4):47-50.
郑水明,等.强震加速度记录基线校正问题探讨[J].大地测量与地球动力学,2010,30(3):47-50.
作者:赵希磊 张学应 龙剑锋 李发 单位:安徽省地震局