Wave -site軟件開發(fā)及強(qiáng)震數(shù)據(jù)分析

趙希磊 張學(xué)應(yīng) 龍劍鋒 李 發(fā)（中國(guó)合肥230031安徽省地震局）

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Wave -site軟件開發(fā)及強(qiáng)震數(shù)據(jù)分析

趙希磊 張學(xué)應(yīng) 龍劍鋒 李 發(fā)
（中國(guó)合肥230031安徽省地震局）

摘要利用Matlab平臺(tái)，設(shè)計(jì)一款用于強(qiáng)震數(shù)據(jù)處理的Wave-site軟件，與在用軟件相比，增加臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算等功能，并提供多種基線校準(zhǔn)和場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算方法作比較分析。應(yīng)用該軟件研究了三山強(qiáng)震臺(tái)場(chǎng)地響應(yīng)與震級(jí)的關(guān)系，數(shù)據(jù)表明，地震S波放大因子大于地脈動(dòng)，且隨震級(jí)升高而增大。

關(guān)鍵詞Matlab；Wave-site軟件；強(qiáng)震動(dòng)記錄；基線校準(zhǔn)；場(chǎng)地響應(yīng)

E-mail：zhaoxilei2008@163.com

本文收到日期：2015-05-25

0 引言

強(qiáng)震研究不僅為地震區(qū)劃、抗震設(shè)防和應(yīng)急救災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，也在地震動(dòng)衰減關(guān)系、反應(yīng)譜特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)等地震工程研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用（詹小艷，2014）。理論研究和震害調(diào)查表明，場(chǎng)地條件對(duì)于地震動(dòng)特性和震害評(píng)估具有重要意義（Hiroshi，2004），利用強(qiáng)震觀測(cè)資料分析強(qiáng)震臺(tái)站場(chǎng)地的放大效應(yīng)十分必要（Nakamura，1989）。安徽強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)（包含9個(gè)臺(tái)站）自2007年1月運(yùn)行以來，獲取多條強(qiáng)震記錄。隨著“十二五”建設(shè)，安徽強(qiáng)震臺(tái)站數(shù)量將劇增至61個(gè)，均采用實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信。然而，強(qiáng)震分析軟件功能比較簡(jiǎn)單，無法實(shí)現(xiàn)各種情況下記錄曲線的基線校準(zhǔn)（鄭水明，2010），也無法進(jìn)行場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算（David，2002）。

目前，已有使用Matlab平臺(tái)進(jìn)行強(qiáng)震數(shù)據(jù)處理的做法（曹加良，2009），但可視化操作不強(qiáng)，難以推廣應(yīng)用。利用Matlab平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)Wave-site軟件，用于強(qiáng)震記錄的基線校準(zhǔn)和臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)研究，具備傅氏譜計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出功能，為強(qiáng)震數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用做準(zhǔn)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Matlab平臺(tái)擁有大量工具箱和豐富的庫(kù)函數(shù)，適于數(shù)據(jù)處理。Matlab可視化功能強(qiáng)大，方便制作各種繪圖。同時(shí)，Matlab GUI界面控件較多，程序編寫簡(jiǎn)單，軟件可編譯為獨(dú)立于Matlab環(huán)境運(yùn)行的C程序（安裝MCR環(huán)境）。Wave-site軟件通過GUI界面進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖1），采用Matlab內(nèi)部算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，軟件參數(shù)配置見表1。

2 系統(tǒng)功能

2.1 基線校準(zhǔn)

強(qiáng)震加速度記錄基線校準(zhǔn)方法有基線法、Iwan法和低頻濾波法?；€法是從加速度記錄中減去震前地脈動(dòng)平均值，無震前記錄則減去整個(gè)記錄的平均值。對(duì)復(fù)雜的基線漂移進(jìn)行校準(zhǔn)，其結(jié)果可作為進(jìn)一步處理的基礎(chǔ)。當(dāng)峰值加速度超過50 cm/s2時(shí)，可以采用Iwan法。該方法基本思路是，將加速度時(shí)程分為3段，中間一段代表由磁滯效應(yīng)引起的基線偏移發(fā)生在強(qiáng)震部分，且認(rèn)為在同一段內(nèi)基線偏移是一個(gè)常量，用速度時(shí)程基線斜率表示加速度基線偏移量。使用濾波方法，能有效清除低頻噪音對(duì)加速度基線的影響，但加速度信息會(huì)被引入新的噪音信號(hào)，部分長(zhǎng)周期信息和地面永久位移信息也可能被濾掉。實(shí)際工作中，為盡可能消除記錄中的低頻噪音，可以將3種方法相互結(jié)合使用。圖2為分別采用基線法（左圖）、Iwan法（右圖）得到的加速度曲線圖。

圖1　Wave-site軟件主界面Fig.1 The main interface of Wave-site software

表1　軟件參數(shù)及配置Table1 Software parameter and con fi guration

圖2　采用基線法(左圖)、Iwan法(右圖)得到的加速度曲線Fig.2 Acceleration curves obtained by baseline calibration (left) and Iwan method (right), respectively

2.2 傅氏譜計(jì)算

應(yīng)用Matlab內(nèi)部離散FFT計(jì)算方法，對(duì)校準(zhǔn)后的加速度曲線進(jìn)行傅氏譜計(jì)算，并在軟件主界面的坐標(biāo)圖內(nèi)顯示出來。

2.3 場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算

場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算方法有H/V譜比法、Atkinson法和Moya法，其中強(qiáng)震研究常用H/V譜比法。

Nakamura（1989）利用井下記錄數(shù)據(jù)證實(shí)HB/VB≈1，其中HB、VB分別代表基巖場(chǎng)地（下角標(biāo)為Bedrock縮寫）觀測(cè)資料的水平向和垂直向傅氏頻譜。而Lermo（1993）利用基巖為參考點(diǎn)也證實(shí)此值近似于1。因此，場(chǎng)地響應(yīng)可表示為

此為H/V譜比法經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其中HS和VS為土層場(chǎng)地（下角標(biāo)為Soil縮寫）觀測(cè)資料的水平向和垂直向傅氏頻譜。公式（1）表明，只需在地表測(cè)量3個(gè)分量就可計(jì)算出場(chǎng)地傳遞函數(shù)。在實(shí)際研究中，通常采用H/V譜比法計(jì)算臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)，譜比值定義如下

式中：SUD、SNS、SEW分別為三分向傅氏譜振幅分量。

2.4 其他功能

Wave-site軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)輸出，包括傅氏譜數(shù)據(jù)和場(chǎng)地響應(yīng)數(shù)據(jù)，且使用者可以根據(jù)需要不斷完善和擴(kuò)充該軟件的功能。

3 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用Wave-site軟件，分別計(jì)算三山臺(tái)兩次強(qiáng)震記錄及震前地脈動(dòng)的場(chǎng)地響應(yīng)。具體做法是：截取基線校準(zhǔn)后的強(qiáng)震記錄S波數(shù)據(jù)及地脈動(dòng)數(shù)據(jù)（時(shí)間長(zhǎng)度均為15 s），應(yīng)用Matlab內(nèi)置FFT算法得到傅氏譜。為避免譜比失穩(wěn)，對(duì)各分量傅氏譜幅值采用0.1 Hz平滑窗，即200個(gè)采樣點(diǎn)的平均進(jìn)行平滑。

采用origin 7.0作圖，計(jì)算結(jié)果見圖3。在此將譜比值描述為場(chǎng)地的放大因子，從圖3可以看出，三山臺(tái)的譜比曲線具有較好的相似性。結(jié)合三山臺(tái)場(chǎng)地條件，對(duì)比地脈動(dòng)與S波譜比曲線，可以得出以下結(jié)論。

圖3　三山臺(tái)譜比曲線Fig.3 Spectral ratio curve of Sanshan Seismic Station

（1）三山臺(tái)地脈動(dòng)和S波譜比曲線一致性好，在0.5—5 s頻段，場(chǎng)地響應(yīng)相對(duì)較平坦。

（2）由于覆蓋層較厚，地脈動(dòng)和S波譜比曲線相似性較好，曲線趨向一致，但場(chǎng)地的放大因子差距較大（表2）。地震S波放大因子大于地脈動(dòng)，且隨著震級(jí)升高而增大，可見土層場(chǎng)地對(duì)于地震的放大效應(yīng)較明顯。

表2　三山臺(tái)場(chǎng)地類型及其在0.5—5 s平坦頻段放大因子平均值Table 2 Site type of Sanshan Seismic Station and the average value of the ampli fi cation factor in the 0.5—5 s fl at band

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Matlab平臺(tái)開發(fā)的Wave-site軟件，具有功能全面、可持續(xù)升級(jí)等特點(diǎn)，適用于強(qiáng)震數(shù)據(jù)處理，具有推廣價(jià)值。利用該軟件計(jì)算安徽地區(qū)強(qiáng)震臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)數(shù)據(jù)，并作為一項(xiàng)基礎(chǔ)資料加入強(qiáng)震臺(tái)站建臺(tái)報(bào)告。近期考慮將此軟件計(jì)算結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)軟件計(jì)算過程進(jìn)行優(yōu)化，以期獲得更準(zhǔn)確的場(chǎng)地響應(yīng)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

曹加良. 用Matlab軟件內(nèi)部函數(shù)校正強(qiáng)震記錄的探討[J]. 華南地震，2009，29（2）：88-94.

詹小艷，等. 2012年7月20日江蘇寶應(yīng)M 4.9地震加速度場(chǎng)的計(jì)算[J]. 地震地磁觀測(cè)與研究，2014，35（3/4）：47-50.

鄭水明，等. 強(qiáng)震加速度記錄基線校正問題探討[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30（3）：47-50.

David M Boore, Christopher D Stephens and William B Joyner. Comments on Baseline Correction of Digital Strong-Motion Data: Examples from the 1999 Hector Mine, California, Earthquake[J]. Bulletin of Seismological Society of America, 2002, 92: 1 543-1 560.

Hiroshi Arai, Kohji Tokimatsu. S-Wave Velocity Pro fi ling by Inversion of Microtremor H/V Spectrum [J]. BSSA, 2004, 94: 53-63.

Lermo J and Chavez-Garcia J. Site effect evaluation using spectral rations with only one station [J]. BSSA, 1993, 83: 1 574-1 594.

Nakamura Y. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface[J]. Q Rep Railway Tech Res Inst, 1989, 30: 25-33.

Wave-site software development and analysis of strong motion data

Zhao Xilei，Zhang Xueying，Long Jianfeng and Li Fa
(Earthquake Administration of Anhui Province， Hefei 230031， China)

Abstract

Using Matlab platform， Wave-site software was designed to process strong motion record. Compared with the existing software， it increases site response calculation and other functions，and provides multiple methods of site response calculation and baseline calibration for comparison. In this paper， the software was used to calculate the site response relations with magnitude of Sanshan Seismic Station. The data show that the ampli fi cation factor of seismic S wave is larger than that of ground pulse， and it increases with the increasing of magnitude.

Key words：Matlab，Wave-site software，strong motion record，baseline calibration，site response

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 026

基金項(xiàng)目：2015年安徽省地震科研基金青年項(xiàng)目資助(20150407)

作者簡(jiǎn)介：趙希磊（1985—），男，河南濮陽(yáng)人，碩士，工程師，從事強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)研究工作。