強震觀測中的關鍵技術研究

周寶峰

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080）

（作者電子信箱：周寶峰：zbf166＠126．com）

強震動臺網的建設規模正在迅猛發展，近期在中國、智利、海地、新西蘭、日本和墨西哥等地發生了多次破壞性地震，獲得的強震記錄數量迅速增加，為地震工程的深入研究提供了契機。然而，強震觀測中除獲得一批高質量的強震動波形外，也獲得了一些異常波形數據，一方面要求提高強震臺站的管理與運行的效率，另一方面也要客觀甄別強震記錄中的異常波形，對近斷層和遠斷層的強震動數據給出客觀合理的數據處理方案，改進強震觀測技術中的不足。

本文總結了典型的地震動觀測臺陣、建筑結構臺陣和大壩臺陣的布設方案，分析了臺站布設的基本要求；歸納了強震記錄中的異常波形，并進行了解疑分析；討論了濾波器的因果性及相關參數對于地震動參數的影響；對比了永久位移計算的方法，提出了Hermit插值和平坦度結合的基線校正方法，計算了近年典型強震記錄的永久位移，并與GPS觀測方法對比；利用小波變換、經驗模態分解和濾波的方法，研究了強震記錄中的速度脈沖識別問題。主要研究取得的認識與成果如下：

（1）系統總結了國際上關于強地震動臺陣、一般建筑結構和大壩臺陣各種類型布設方法，分析了強震動臺站建設遵循的基本原則，并結合汶川地震中的震害特點，提出需要細化結構強震觀測臺陣的建議，為研究結構在地震作用下的動力反應提供可靠合理數據。本文旨在整理強震臺陣的相關技術要求及應用范圍，為強震數據的獲取提供一定的背景知識，為從事強震觀測工作的研究者提供一定的參考。

（2）歸納了歷次地震中出現的異常波形，如非對稱波形、加速度出現明顯漂移等現象，分析了異常波形產生的原因，初步探討了強震動記錄質量問題。重點討論了近年來強震動記錄中普遍存在的 “尖刺”（“spike”）問題，通過統計集集、汶川、新西蘭和日本等強震記錄中PGA點與前后時刻相鄰采樣點的比值來確定是否為尖刺，定義了相鄰比值在一定范圍內時，可視為 “尖刺”，同時研究了 “尖刺”對于時程和反應譜的影響，得出 “尖刺”對高頻幅值有一定影響的結論，提出了降低 “尖刺”影響的處理方法。

（3）分析了模擬和數字強震記錄的噪聲來源，論述了關于儀器的校正問題和噪聲截止頻率的確定問題，以汶川主震記錄為例，采用Butterworth非因果濾波器，研究了加零、余弦過渡以及截止頻率對于強震動記錄相關參數的影響，對比了4種因果濾波器在不同參數下的計算結果，探討了濾波后的加速度保零和去零的問題。研究表明：借助于在記錄的首尾加零得以實現的非因果濾波具有零相位特點，余弦過渡處理對于加零部分與原始記錄間的過渡很必要；Butterworth非因果濾波器的計算結果比較穩定，可以完善EMD方法，PGV和PGD對于高通截止頻率的選擇比較敏感，當波紋系數為0．2dB時，宜使用Chebyshev I型非因果濾波器；當波紋系數為3dB時，宜使用Chebyshev II型非因果濾波器；對于濾波后的加速度數據需要保零以適應數據間的協調。

（4）總結了強震記錄基線漂移的類型，分析了強震記錄基線漂移的原因，提出了Hermit插值與平坦度結合的基線校正法，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法計算了永久位移并進行了比較，利用Hermit基線校正法繪制了日本 “3·11”地震的永久位移場。

研究結果表明：基線漂移機理復雜，常用方法均采用經驗方法來判斷基線漂移起始點，本文提出的Hermit基線校正法一定程度上減少了主觀隨機性，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、小波分析和經驗模態分解理論為基礎，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的強震加速度記錄為例，研究了斯坦福大學Baker教授提出的速度脈沖識別方法存在的問題，研究結果表明：Baker方法在提取速度脈沖式受到小波基的限定，并對于其確定的PGV不能小于30cm／s的條件提出了疑議，建議利用經驗模態分解和低通濾波識別多個速度脈沖的新方法，該方法突破了需要假定脈沖形狀存在的主觀性。