強(qiáng)震觀測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

周寶峰

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱：周寶峰：zbf166＠126．com）

強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模正在迅猛發(fā)展，近期在中國(guó)、智利、海地、新西蘭、日本和墨西哥等地發(fā)生了多次破壞性地震，獲得的強(qiáng)震記錄數(shù)量迅速增加，為地震工程的深入研究提供了契機(jī)。然而，強(qiáng)震觀測(cè)中除獲得一批高質(zhì)量的強(qiáng)震動(dòng)波形外，也獲得了一些異常波形數(shù)據(jù)，一方面要求提高強(qiáng)震臺(tái)站的管理與運(yùn)行的效率，另一方面也要客觀甄別強(qiáng)震記錄中的異常波形，對(duì)近斷層和遠(yuǎn)斷層的強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)給出客觀合理的數(shù)據(jù)處理方案，改進(jìn)強(qiáng)震觀測(cè)技術(shù)中的不足。

本文總結(jié)了典型的地震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣、建筑結(jié)構(gòu)臺(tái)陣和大壩臺(tái)陣的布設(shè)方案，分析了臺(tái)站布設(shè)的基本要求；歸納了強(qiáng)震記錄中的異常波形，并進(jìn)行了解疑分析；討論了濾波器的因果性及相關(guān)參數(shù)對(duì)于地震動(dòng)參數(shù)的影響；對(duì)比了永久位移計(jì)算的方法，提出了Hermit插值和平坦度結(jié)合的基線校正方法，計(jì)算了近年典型強(qiáng)震記錄的永久位移，并與GPS觀測(cè)方法對(duì)比；利用小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和濾波的方法，研究了強(qiáng)震記錄中的速度脈沖識(shí)別問(wèn)題。主要研究取得的認(rèn)識(shí)與成果如下：

（1）系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)際上關(guān)于強(qiáng)地震動(dòng)臺(tái)陣、一般建筑結(jié)構(gòu)和大壩臺(tái)陣各種類型布設(shè)方法，分析了強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站建設(shè)遵循的基本原則，并結(jié)合汶川地震中的震害特點(diǎn)，提出需要細(xì)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)陣的建議，為研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)提供可靠合理數(shù)據(jù)。本文旨在整理強(qiáng)震臺(tái)陣的相關(guān)技術(shù)要求及應(yīng)用范圍，為強(qiáng)震數(shù)據(jù)的獲取提供一定的背景知識(shí)，為從事強(qiáng)震觀測(cè)工作的研究者提供一定的參考。

（2）歸納了歷次地震中出現(xiàn)的異常波形，如非對(duì)稱波形、加速度出現(xiàn)明顯漂移等現(xiàn)象，分析了異常波形產(chǎn)生的原因，初步探討了強(qiáng)震動(dòng)記錄質(zhì)量問(wèn)題。重點(diǎn)討論了近年來(lái)強(qiáng)震動(dòng)記錄中普遍存在的 “尖刺”（“spike”）問(wèn)題，通過(guò)統(tǒng)計(jì)集集、汶川、新西蘭和日本等強(qiáng)震記錄中PGA點(diǎn)與前后時(shí)刻相鄰采樣點(diǎn)的比值來(lái)確定是否為尖刺，定義了相鄰比值在一定范圍內(nèi)時(shí)，可視為 “尖刺”，同時(shí)研究了 “尖刺”對(duì)于時(shí)程和反應(yīng)譜的影響，得出 “尖刺”對(duì)高頻幅值有一定影響的結(jié)論，提出了降低 “尖刺”影響的處理方法。

（3）分析了模擬和數(shù)字強(qiáng)震記錄的噪聲來(lái)源，論述了關(guān)于儀器的校正問(wèn)題和噪聲截止頻率的確定問(wèn)題，以汶川主震記錄為例，采用Butterworth非因果濾波器，研究了加零、余弦過(guò)渡以及截止頻率對(duì)于強(qiáng)震動(dòng)記錄相關(guān)參數(shù)的影響，對(duì)比了4種因果濾波器在不同參數(shù)下的計(jì)算結(jié)果，探討了濾波后的加速度保零和去零的問(wèn)題。研究表明：借助于在記錄的首尾加零得以實(shí)現(xiàn)的非因果濾波具有零相位特點(diǎn)，余弦過(guò)渡處理對(duì)于加零部分與原始記錄間的過(guò)渡很必要；Butterworth非因果濾波器的計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定，可以完善EMD方法，PGV和PGD對(duì)于高通截止頻率的選擇比較敏感，當(dāng)波紋系數(shù)為0．2dB時(shí)，宜使用Chebyshev I型非因果濾波器；當(dāng)波紋系數(shù)為3dB時(shí)，宜使用Chebyshev II型非因果濾波器；對(duì)于濾波后的加速度數(shù)據(jù)需要保零以適應(yīng)數(shù)據(jù)間的協(xié)調(diào)。

（4）總結(jié)了強(qiáng)震記錄基線漂移的類型，分析了強(qiáng)震記錄基線漂移的原因，提出了Hermit插值與平坦度結(jié)合的基線校正法，以集集、汶川、日本MW9．0大地震PGA大于50gal的主震記錄為代表，分別采用Iwan I法、Boore v0法、Wu的方法、Wang的方法和Hermit法計(jì)算了永久位移并進(jìn)行了比較，利用Hermit基線校正法繪制了日本 “3·11”地震的永久位移場(chǎng)。

研究結(jié)果表明：基線漂移機(jī)理復(fù)雜，常用方法均采用經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)判斷基線漂移起始點(diǎn)，本文提出的Hermit基線校正法一定程度上減少了主觀隨機(jī)性，與其他方法相比具有較大的合理性和有效性。

（5）以傅立葉變換、小波分析和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解理論為基礎(chǔ)，選取汶川地震主震和余震記錄、新西蘭MW7．1和MW6．3地震以及日本MW9．0地震中PGA大于100gal的強(qiáng)震加速度記錄為例，研究了斯坦福大學(xué)Baker教授提出的速度脈沖識(shí)別方法存在的問(wèn)題，研究結(jié)果表明：Baker方法在提取速度脈沖式受到小波基的限定，并對(duì)于其確定的PGV不能小于30cm／s的條件提出了疑議，建議利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和低通濾波識(shí)別多個(gè)速度脈沖的新方法，該方法突破了需要假定脈沖形狀存在的主觀性。