趙希磊 張學應 龍劍鋒 李 發(fā)（中國合肥230031安徽省地震局）

?

Wave -site軟件開發(fā)及強震數(shù)據(jù)分析

趙希磊 張學應 龍劍鋒 李 發(fā)
（中國合肥230031安徽省地震局）

摘要利用Matlab平臺，設計一款用于強震數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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

E-mail：zhaoxilei2008@163.com

本文收到日期：2015-05-25

0 引言

強震研究不僅為地震區(qū)劃、抗震設防和應急救災提供科學依據(jù)，也在地震動衰減關系、反應譜特征參數(shù)統(tǒng)計等地震工程研究領域發(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(wǎng)（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(shù)量將劇增至61個，均采用實時網(wǎng)絡通信。然而，強震分析軟件功能比較簡單，無法實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)輸出功能，為強震數(shù)據(jù)的廣泛應用做準備。

1 系統(tǒng)設計

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

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?；€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(jié)果可作為進一步處理的基礎。當峰值加速度超過50 cm/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(fā)生在強震部分，且認為在同一段內(nèi)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(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 傅氏譜計算

應用Matlab內(nèi)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(nèi)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。

Nakamura（1989）利用井下記錄數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)。在實際研究中，通常采用H/V譜比法計算臺站場地響應，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軟件支持數(shù)據(jù)輸出，包括傅氏譜數(shù)據(jù)和場地響應數(shù)據(jù)，且使用者可以根據(jù)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(shù)據(jù)及地脈動數(shù)據(jù)（時間長度均為15 s），應用Matlab內(nèi)置FFT算法得到傅氏譜。為避免譜比失穩(wěn)，對各分量傅氏譜幅值采用0.1 Hz平滑窗，即200個采樣點的平均進行平滑。

采用origin 7.0作圖，計算結(jié)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(jié)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(jié)論。

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

（1）三山臺地脈動和S波譜比曲線一致性好，在0.5—5 s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。

表2　三山臺場地類型及其在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

利用Matlab平臺開發(fā)的Wave-site軟件，具有功能全面、可持續(xù)升級等特點，適用于強震數(shù)據(jù)處理，具有推廣價值。利用該軟件計算安徽地區(qū)強震臺站場地響應數(shù)據(jù)，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(jié)果與手動計算結(jié)果進行對比，對軟件計算過程進行優(yōu)化，以期獲得更準確的場地響應數(shù)據(jù)。

參考文獻

曹加良. 用Matlab軟件內(nèi)部函數(shù)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M 4.9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.

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

基金項目：2015年安徽省地震科研基金青年項目資助(20150407)

作者簡介：趙希磊（1985—），男，河南濮陽人，碩士，工程師，從事強震動觀測研究工作。