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1、地震动观测和数据处理,Ground Motion Observation and Data Processing,教 师：李 爽 2019年6月30日,2,For engineering purposes the time variation of ground acceleration is the most useful way of dening the shaking of the ground during an earthquake.,3,单自由度结构,结构相对地面的位移,结构的阻尼比，一般取0.05,结构的圆频率,地面的加速度时程,4,记录的可行性,1999.9.21台湾Chi
2、-Chi地震中一学校,记录位移？,5,2008.5.12汶川地震中丰收水库坝体主震纵向裂缝,6,数学上的思考,当函数用离散的数据点表示时（地震动就是一例），微分一般会产生误差放大，而积分则不会产生精度上的损失,7,地震动观测的意义,强震观测可为震后快速评估和抗震救灾服务。利用数字强震观测网的实时性，在地震发生后可迅速给出各观测地点的观测结果，进而定量的给出监视地区的地震活动强度，为及时和有效的组织抗震救灾，乃至建立大震应急系统提供科学依据。 烈度：指某一区域内地表和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。一次地震由于地点的不同，会出现多种不同的烈度。,8,1999.9.21台湾Chi-Chi地震
3、，所绘制的烈度等震线与加速度等值线大体相一致,9,地震动观测的意义,强震观测可为抗震设防服务。强震记录是重大工程、建构筑物抗震设防的依据。强震数据是确定地震动衰减规律、震害预测、研究场地的土层反应、进行地震危险性分析和地震区划的基础。设置于工程结构中的强震仪取得的强震激励数据可用于分析结构的抗震性能、对进行结构的健康监测，为工程抗震加固和为类似的建构筑物的抗震设计提供可参考的科学依据和数据。,10,地震动观测的意义,强震观测资料可为地震学基础研究服务。如用于研究震源模型、震源参数、发展机理、地震波动传播规律等、特别是对近断层地面运动和震源破裂过程细节的研究起着非常重要的作用。,Shake ma
4、p of the 8.0 magnitude earthquake in Sichuan, China on May 12, 2008,11,12,如果没有强震观测及其所取得的科学资料，谈不上现代地震工程学的发展,地震工程之所以能成为一门定量的科学是和强震观测的成果分不开的。为地震和工程抗震措施等相关方面提供定量数据依据。 地震中不断发现的新现象促使了新规律的发现，成为不断推动地震工程研究发展的重要推动力。 检验从抗震研究实践中总结出来的认识、理论和办法是否符合实际，从而加深人们对于地震和抗震客观规律的认识。,13,地震动观测,一、地震动观测对抗震理论的贡献 二、观测设备 三、地震动观测台站和
5、台阵 四、目前的一些情况,14,一、地震动观测对抗震理论的贡献,（1）为抗震理论进入反应谱阶段提供了必要数据 - 在反应谱概念的产生、反应谱的建立、反应谱统计的相关研究方面起了重要作用。,15,静力理论阶段（20世纪10-40年代） 刚柔之争（刚性还是柔性结构有利于抗震？） 刚性理论代表：佐野利器、武藤青 柔性理论代表：真岛建三郎 反应谱理论阶段（20世纪40-80年代） 1941年Biot等提出反应谱 1953年Housner建立反应谱理论 1960年Veletsos和Newmark建立非线性反应谱,Prof.George W. Housner (1910-2008),Nathan M. N
6、ewmark (19101981),Anestis S. Veletsos (1927 ),16,基于性能的抗震设计理论（20世纪90年代-至今） 1994年美国Northridge地震，1995年日本Kobe地震后，美国学者提出 以变形为控制指标（原来的都是以强度作为控制），兼顾多种其他指标（能量、损伤、伤亡、经济损失，等）,17,（2）为研究地震动的特征提供定量数据 - 定性的认识极其重要，比如抗震中的概念设计。但是如果缺少量的概念，就很粗糙。只有在定性和定量两个方面均有一定的认识后，才能对一个问题有较为全面的把握，才能从经验性的认识上升为科学的解释。 （3）了解结构地震反应、进行结构试验
7、 - 弹性和非弹性反应谱特征、地震动衰减规律、工程结构地震反应的定量计算、试验的地震输入。,18,二、观测设备,公元132年,19,制造原理？,20,三、地震动观测台站和台阵,台 站 震源机制台阵 传播效应台阵 局部效应台阵 结构反应台阵,地震动密集台阵 地下地震动台阵 区域地震动台阵 特殊地震动台阵,21,台 站,22,台网的合理布局：应设置强度高、频度大的地震区（根据历史和现今的地震活动性和地质构造情况、地震危险性分析） 台阵的设计：实现不同的目的 仪器的正确设置：确保仪器的可靠性和精度要求、记录结果的可用性 台网维护管理技术措施：确保仪器参数精度、仪器正常运行等,台 网,23,震源机制台
8、阵（活断层影响台阵）,- 旨在研究震源机制与地震动之间的相互关系。布设在震源或断层附近。,传播效应台阵（地震动衰减台阵）,- 旨在研究地震波的传播和衰减规律。,24,局部效应台阵（场地影响影响台阵）,- 旨在研究局部场地范围内地震动的特征和各种特殊的场地因素对地震动的影响，如土体、烈度异常、近断层、上下盘、盆地效应等等。,局部效应台阵（场地影响影响台阵）,- 旨在研究局部场地范围内地震动的特征和各种特殊的场地因素对地震动的影响，如土体、烈度异常、近断层、上下盘、盆地效应等等。,25,结构反应台阵,- 旨在研究结构不同位置、不同楼层的反应情况。,26,- 旨在研究地震动在近地表空间内的变化。,地
9、震动密集台阵,- 旨在研究地震动在空间上的变化，获得非一致地震地面加速度记录。可用于长大桥梁地面运动的输入。,地下地震动台阵,27,区域地震动台阵,特殊地震动台阵,- 旨在研究一个特定区域内的地震动变化规律。一个村庄、一个区、一个城市。,- 旨在研究一些如沙土液化、土结构相互作用等问题。,28,“中国数字地震观测网络”项目完成后，我国新建了一批区域地震台站，全国区域地震台站分布图,29,“中国数字地震观测网络”项目完成后，我国国家级地震台站共148个（含境外4个），台站分布图,30,在全国所有地震台站中，目前有人值守的地震台站共110个，台站分布图,31,“中国数字地震观测网络”项目完成后，我
10、国又新建了一批强震台站，目前国家地震台网中心共收到了124个强震台站的实时数据，强震台站分布图,32,一级强震监控区（8个）,33,二级强震监控区（13个）,34,35,（1）建设了较高密度的数字强震动固定台网。台网由1154个固定自由场强震动观测台站组成，集中布设在21个国家地震重点监视防御区。根据地震活动性、经济发展程度和人口密度等因素，将21个重点监视防御区分成两级强震动监控区。一级强震动监控区的固定台网密度达到平均台距约25公里，接近于国际先进水平，当监控区内发生4级以上地震时，能有多台获取强震动记录；二级强震动监控区的固定台网密度达到平均台距约40公里，当监控区内发生4级以上地震时，
11、至少有一台能获取强震动记录。,中国数字强震动观测台网,36,（2）建设了城市地震动强度（烈度）速报台网。台网由310个固定自由场强震动观测台站组成，分别布设在位于强震区的北京、天津、兰州、乌鲁木齐、昆明共5个重要大城市。在强地震发生后，能迅速给出仪器确定的地震动强度（烈度）的分布，为大城市的震害快速评估和应急救灾决策提供可靠依据。,中国数字强震动观测台网,37,（3）布设了12个强震动观测专用台阵。这些台阵均是明确针对不同研究目的的专用台阵，包括1个活断层影响台阵（由30个固定自由场观测台站组成），2个地震动衰减台阵（东部、西部各1个，各由50个固定自由场观测台站组成），2个场地影响台阵（各由
12、8个场地地表和地下3分量观测点组成），1个地形影响台阵（由8个场地地表3分量观测点组成），超高层建筑、多层建筑、大跨空间建筑和基础隔震建筑共4个典型建筑的地震反应观测台阵（分别由46个、23个、46个和14个3分量观测点组成），1个大型桥梁地震反应台阵（由23个3分量观测点组成），1个大型水坝地震反应台阵（由21个3分量观测点组成）。,中国数字强震动观测台网,38,（4）配置了一个由200台套观测设备（含3分量数字强震动观测仪器）的强震动流动观测系统。分别存放在各区域强震动台网中心，使其能够根据短临地震预报或在大震发生后快速布设流动观测台，以补充固定台网的不足，增强捕获主震和强余震记录的能力。
13、,中国数字强震动观测台网,39,（5）建立了观测台站场地资料数据库。对各个观测台站的台址场地进行了工程场地勘探测试。,中国数字强震动观测台网,（6）建立了国家强震动台网管理系统。该系统由1个国家强震动台网中心、3个区域强震动台网中心、5个城市地震动强度（烈度）速报台网中心和各省级强震动台网部组成，以实现全国强震动台网的有效维护和运行，以及强震动数据汇集、处理、存储与管理，并提供有效、快速的网上数据资料服务。,40,中国家数字强震动观测台网的建设，使我国大陆的强震动观测密度大大增加，特别是在地震重点监视防御区（1996-2005年），改变了我国强震动观测十分落后的局面，形成了我国大陆的强震动观测
14、台网系统。强震动观测台网系统自2007年初开始试运行，2008年3月进入正式运行。经试运行和运行，获得了大量强震动加速度记录。2007年9月前，共获取了3000余条地震动加速度记录，其中峰值加速度在10gal以上的记录达到536条，相当于此前三十多年来我国大陆强震动台网获取的10gal以上记录的三分之一，记录的最大峰值加速度为494.2gal（2006年6月28日云南盐津ML4.7级地震时豆沙台记录）。截止到汶川特大地震前，获得的地震动加速度记录达6000余条，包括衰减台阵的多个密集台站记录，获得记录的最大震级的地震事件是2007年6月3日云南普洱6.4级地震。而在这次的汶川8.0级地震中，获
15、得了主震记录约1160条，强余震记录已超过3000条。,中国数字强震动观测台网,41,国家强震动台网中心包括数据回收处理与管理系统和仪器检定系统，数据回收处理与管理系统的主要功能是对强震动数据进行汇集、处理、存储、管理与发布。,42,43,44,强地震动数据处理,我国强震观测数据中心设在中国地震局工程力学所,45,46,地震记录文件,零线（base line）调整 ， 零线校正，数字滤波器作双向滤波，截止频率可通过事前噪声记录与地震记录的傅立叶谱分析确定。用最小二乘法调整零线以消除线性趋势。,47,模拟强震仪：有效频带大体在0.5Hz-25.0Hz，经仪器响应失真的校正，可以在0.15Hz-35.0Hz的频带内恢复真实信号。在数字化的过程中，为了遏制长周期分量占明显优势的随机数字化噪声，采用高通滤波，截止频率为26cm/v（v为记录纸走纸速度，通常为4.8cm/秒），即数字化后强震记录有效频带的最长周期约为5-6秒。 数字强震仪：记录的低频误差主要来自于仪器噪声和场地背景噪声，可以通过预存的震前记录和地震动记录的比较。,48,谢谢！,The End,49,