强震观测中的关键技术研究

周宝峰

（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080）

（作者电子信箱：周宝峰：zbf166＠126．com）

强震动台网的建设规模正在迅猛发展，近期在中国、智利、海地、新西兰、日本和墨西哥等地发生了多次破坏性地震，获得的强震记录数量迅速增加，为地震工程的深入研究提供了契机。然而，强震观测中除获得一批高质量的强震动波形外，也获得了一些异常波形数据，一方面要求提高强震台站的管理与运行的效率，另一方面也要客观甄别强震记录中的异常波形，对近断层和远断层的强震动数据给出客观合理的数据处理方案，改进强震观测技术中的不足。

本文总结了典型的地震动观测台阵、建筑结构台阵和大坝台阵的布设方案，分析了台站布设的基本要求；归纳了强震记录中的异常波形，并进行了解疑分析；讨论了滤波器的因果性及相关参数对于地震动参数的影响；对比了永久位移计算的方法，提出了Hermit插值和平坦度结合的基线校正方法，计算了近年典型强震记录的永久位移，并与GPS观测方法对比；利用小波变换、经验模态分解和滤波的方法，研究了强震记录中的速度脉冲识别问题。主要研究取得的认识与成果如下：

（1）系统总结了国际上关于强地震动台阵、一般建筑结构和大坝台阵各种类型布设方法，分析了强震动台站建设遵循的基本原则，并结合汶川地震中的震害特点，提出需要细化结构强震观测台阵的建议，为研究结构在地震作用下的动力反应提供可靠合理数据。本文旨在整理强震台阵的相关技术要求及应用范围，为强震数据的获取提供一定的背景知识，为从事强震观测工作的研究者提供一定的参考。

（2）归纳了历次地震中出现的异常波形，如非对称波形、加速度出现明显漂移等现象，分析了异常波形产生的原因，初步探讨了强震动记录质量问题。重点讨论了近年来强震动记录中普遍存在的 “尖刺”（“spike”）问题，通过统计集集、汶川、新西兰和日本等强震记录中PGA点与前后时刻相邻采样点的比值来确定是否为尖刺，定义了相邻比值在一定范围内时，可视为 “尖刺”，同时研究了 “尖刺”对于时程和反应谱的影响，得出 “尖刺”对高频幅值有一定影响的结论，提出了降低 “尖刺”影响的处理方法。

（3）分析了模拟和数字强震记录的噪声来源，论述了关于仪器的校正问题和噪声截止频率的确定问题，以汶川主震记录为例，采用Butterworth非因果滤波器，研究了加零、余弦过渡以及截止频率对于强震动记录相关参数的影响，对比了4种因果滤波器在不同参数下的计算结果，探讨了滤波后的加速度保零和去零的问题。研究表明：借助于在记录的首尾加零得以实现的非因果滤波具有零相位特点，余弦过渡处理对于加零部分与原始记录间的过渡很必要；Butterworth非因果滤波器的计算结果比较稳定，可以完善EMD方法，PGV和PGD对于高通截止频率的选择比较敏感，当波纹系数为0．2dB时，宜使用Chebyshev I型非因果滤波器；当波纹系数为3dB时，宜使用Chebyshev II型非因果滤波器；对于滤波后的加速度数据需要保零以适应数据间的协调。

（4）总结了强震记录基线漂移的类型，分析了强震记录基线漂移的原因，提出了Hermit插值与平坦度结合的基线校正法，以集集、汶川、日本MW9．0大地震PGA大于50gal的主震记录为代表，分别采用Iwan I法、Boore v0法、Wu的方法、Wang的方法和Hermit法计算了永久位移并进行了比较，利用Hermit基线校正法绘制了日本 “3·11”地震的永久位移场。

研究结果表明：基线漂移机理复杂，常用方法均采用经验方法来判断基线漂移起始点，本文提出的Hermit基线校正法一定程度上减少了主观随机性，与其他方法相比具有较大的合理性和有效性。

（5）以傅立叶变换、小波分析和经验模态分解理论为基础，选取汶川地震主震和余震记录、新西兰MW7．1和MW6．3地震以及日本MW9．0地震中PGA大于100gal的强震加速度记录为例，研究了斯坦福大学Baker教授提出的速度脉冲识别方法存在的问题，研究结果表明：Baker方法在提取速度脉冲式受到小波基的限定，并对于其确定的PGV不能小于30cm／s的条件提出了疑议，建议利用经验模态分解和低通滤波识别多个速度脉冲的新方法，该方法突破了需要假定脉冲形状存在的主观性。