軟件開發及強震數據分析范文

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摘要

利用Matlab平臺，設計一款用于強震數據處理的Wave-site軟件，與在用軟件相比，增加臺站場地響應計算等功能，并提供多種基線校準和場地響應計算方法作比較分析。應用該軟件研究了三山強震臺場地響應與震級的關系，數據表明，地震S波放大因子大于地脈動，且隨震級升高而增大。

關鍵詞

Matlab；Wave-site軟件；強震動記錄；基線校準；場地響應

強震研究不僅為地震區劃、抗震設防和應急救災提供科學依據，也在地震動衰減關系、反應譜特征參數統計等地震工程研究領域發揮著重要作用（詹小艷，2014）。理論研究和震害調查表明，場地條件對于地震動特性和震害評估具有重要意義（Hiroshi，2004），利用強震觀測資料分析強震臺站場地的放大效應十分必要（Nakamura，1989）。安徽強震動臺網（包含9個臺站）自2007年1月運行以來，獲取多條強震記錄。隨著“十二五”建設，安徽強震臺站數量將劇增至61個，均采用實時網絡通信。然而，強震分析軟件功能比較簡單，無法實現各種情況下記錄曲線的基線校準（鄭水明，2010），也無法進行場地響應計算（David，2002）。目前，已有使用Matlab平臺進行強震數據處理的做法（曹加良，2009），但可視化操作不強，難以推廣應用。利用Matlab平臺開發設計Wave-site軟件，用于強震記錄的基線校準和臺站的場地響應研究，具備傅氏譜計算和數據輸出功能，為強震數據的廣泛應用做準備。

1系統設計

Matlab平臺擁有大量工具箱和豐富的庫函數，適于數據處理。Matlab可視化功能強大，方便制作各種繪圖。同時，MatlabGUI界面控件較多，程序編寫簡單，軟件可編譯為獨立于Matlab環境運行的C程序（安裝MCR環境）。Wave-site軟件通過GUI界面進行設計（圖1），采用Matlab內部算法進行數據處理，軟件參數配置見表1。

2系統功能

2.1基線校準強震加速度記錄基線校準方法有基線法、Iwan法和低頻濾波法。基線法是從加速度記錄中減去震前地脈動平均值，無震前記錄則減去整個記錄的平均值。對復雜的基線漂移進行校準，其結果可作為進一步處理的基礎。當峰值加速度超過50cm/s2時，可以采用Iwan法。該方法基本思路是，將加速度時程分為3段，中間一段代表由磁滯效應引起的基線偏移發生在強震部分，且認為在同一段內基線偏移是一個常量，用速度時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加速度基線的影響，但加速度信息會被引入新的噪音信號，部分長周期信息和地面永久位移信息也可能被濾掉。實際工作中，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。

2.2傅氏譜計算應用Matlab內部離散FFT計算方法，對校準后的加速度曲線進行傅氏譜計算，并在軟件主界面的坐標圖內顯示出來。

2.3場地響應計算場地響應計算方法有H/V譜比法、Atkinson法和Moya法，其中強震研究常用H/V譜比法。Nakamur（a1989）利用井下記錄數據證實HB/VB≈1，其中HB、VB分別代表基巖場地（下角標為Bedrock縮寫）觀測資料的水平向和垂直向傅氏頻譜。而Lermo（1993）利用基巖為參考點也證實此值近似于1。因此，場地響應可表示為此為H/V譜比法經驗關系式，其中HS和VS為土層場地（下角標為Soil縮寫）觀測資料的水平向和垂直向傅氏頻譜。公式（1）表明，只需在地表測量3個分量就可計算出場地傳遞函數。在實際研究中，通常采用H/V譜比法計算臺站場地響應。

2.4其他功能Wave-site軟件支持數據輸出，包括傅氏譜數據和場地響應數據，且使用者可以根據需要不斷完善和擴充該軟件的功能。

3應用實例

應用Wave-site軟件，分別計算三山臺兩次強震記錄及震前地脈動的場地響應。具體做法是：截取基線校準后的強震記錄S波數據及地脈動數據（時間長度均為15s），應用Matlab內置FFT算法得到傅氏譜。為避免譜比失穩，對各分量傅氏譜幅值采用0.1Hz平滑窗，即200個采樣點的平均進行平滑。采用origin7.0作圖，計算結果見圖3。在此將譜比值描述為場地的放大因子，從圖3可以看出，三山臺的譜比曲線具有較好的相似性。結合三山臺場地條件，對比地脈動與S波譜比曲線，可以得出以下結論。（1）三山臺地脈動和S波譜比曲線一致性好，在0.5—5s頻段，場地響應相對較平坦。（2）由于覆蓋層較厚，地脈動和S波譜比曲線相似性較好，曲線趨向一致，但場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，且隨著震級升高而增大，可見土層場地對于地震的放大效應較明顯。

4結束語

利用Matlab平臺開發的Wave-site軟件，具有功能全面、可持續升級等特點，適用于強震數據處理，具有推廣價值。利用該軟件計算安徽地區強震臺站場地響應數據，并作為一項基礎資料加入強震臺站建臺報告。近期考慮將此軟件計算結果與手動計算結果進行對比，對軟件計算過程進行優化，以期獲得更準確的場地響應數據。

參考文獻

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

詹小艷，等.2012年7月20日江蘇寶應M4.9地震加速度場的計算[J].地震地磁觀測與研究，2014，35（3/4）：47-50.

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

作者：趙希磊 張學應 龍劍鋒 李發 單位：安徽省地震局