哈工大地震工程课件工程地震部分第四章强地震动的观测和数据处理

EngineeringSeismology(2)GroundMotionInstrumentationandDataProcessing1完整版课件pptEngineeringSeismology(2)Grou2完整版课件ppt2完整版课件ppt地震动的观测(observationofGM)可以提供定量的数据可以测量地震破坏作用的全过程，能够分别研究并测量导致建筑物破坏的各种因素不但为地震烈度和工程抗震措施提供定量数据和理论依据，同时又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，从而加深人们对于抗震客观规律的认识，成为不断推动地震工程研究发展的重要手段。

3完整版课件ppt地震动的观测(observationofGM)可以提供定

Observationofstrongmotionismoredifficultthantheobservationsinotherfieldsofseismologyduetotheinfrequencyoflargeearthquakesandthedifficultyofanticipatingareasofstrongshakingforinstrumentation.Weakmotionsfromanearthquakewithmagnitudegreaterthan6.0canberecordedworldwide.Thusaseismologistwhostudiesteleseismscanrecordontheorderof100earthquakesperyear,forinterpretationsofearthstructureortectonics.Similarly,localnetworksaregenerallysettothemostsensitivelevelpossibletodetectandlocatethesmallestearthquakes,whicharemuchmoreabundant.Aspecializedinstrument,thestrongmotionaccelerograph,wasdevelopedinthe1930’storecordstrongmotion.Anetworkofthesespecializedinstrumentsmustfurthermorehavethegoodfortunetobelocatedclosetotheearthquake,andmustbemaintained,oftenfordecades,inastateofreadinesstorecordtherarestrongshaking.Inthe1990’s,thesituationchangedsomewhatwithimprovementsindigitalrecordingtechnology.4完整版课件pptObservationofstrongmotion如果没有强震观测及其所取得的科学资料，就谈不上现代地震工程学的发展。地震工程之所以能成为一间定量的科学是和强震观测的成果分不开的。

根据测量得到的地震加速度记录，计算了大量的反应谱曲线，获得了“平均反应谱”或“标准反应谱”，使反应谱分析得以真正应用于工程设计。地震动特征的统计分析和结构抗震理论的发展。例如，从震源参数、传播介质的性质演算地震动，随机合成地震动时程，从弹性反应谱到非弹性反应谱，烈度定量标准及其观测仪器的建立，以及场地条件对地震动的影响，地震时地基与结构的相互作用等研究，都是在取得了强震观测记录的基础上发展起来的。

5完整版课件ppt如果没有强震观测及其所取得的科学资料，就谈不上现代地震工程学ThefoundingfatherofthestrongmotioninstrumentationprogramintheUnitedStatesisJohnR.Freeman.AftertheTokyo,Japanearthquakeof1923,andtheSantaBarbara,CaliforniaandMontreal,Quebecearthquakesof1925,hestimulatedimportantearlyinteractionsbetweenU.S.andJapaneseinstitutionsonearthquakeengineeringandwrotethefirstsignificantbookintheEnglishlanguageonearthquakeengineering,EarthquakeDamageandEarthquakeInsurance(Freeman,1932).Heparticularlyrecognizedtheurgentneedforaninstrumenttorecordthestrongshakingduringearthquakes,andtheresultofhislobbyingeffortswasthattheCoastandGeodeticSurveywasauthorizedtodevelopandinstallsuchinstrumentsin1932.Ninemonthsafterthefirstinstrumentswereinstalled,thefirstsignificantstrongmotionrecordswereobtainedfromtheMarch10,1933LongBeach,Californiaearthquake.6完整版课件pptThefoundingfatherofthestr强震仪的原理绝对静止参考系摆（pendulum）的原理7完整版课件ppt强震仪的原理绝对静止参考系摆（pendulum）的原理7完整CDMG-SMIPinstrumentcabinet,nearesthouseslightlydamaged.8完整版课件pptCDMG-SMIPinstrumentcabinet,强震仪主要由五个系统构成拾振系统，直接测量地震动的装置，通常称为拾振器或摆。根据其所记录的物理量不同可进一步分为位移计(摆)、速度计(摆)和加速度计(摆)。通常一点要采用一个测量竖向运动的拾振器、二个测量相互垂直的水平向运动的拾振器。

9完整版课件ppt强震仪主要由五个系统构成拾振系统，直接测量地震动的装置，通常记录系统，机械、光、电流计、模拟磁带、数字磁带和固态存储；触发-起动控制系统，节省存储空间等；预存储系统，避免“丢头”、节省存储空间；时标系统，以便各分量、相邻各点地震动的比较、分析，相对时标系统（晶振）或绝对时标系统（GPS时间信号）；电源系统，一旦强震发生造成正常供电系统的破坏和失灵，要保证整套仪器驱动运转、线路控制、以及时标和光源正常工作。10完整版课件ppt记录系统，机械、光、电流计、模拟磁带、数字磁带和固态存储；Timingsystemswerenotusedinmanyoftheearlyanalogaccelerographs,buttheybecamemoreimportantastheanalysisbecamemoresophisticated.High-precisiontime,usuallyfromsatellitesystems,isnowessentialwiththedigitalaccelerographsthatproviderecordsofaftershocksandothersmalleventsinlargenumbers.Precisiontimetogetherwithpre-eventmemoryallowdigitalaccelerographstoimproveearthquakelocationsbeyondwhatispossibleusingonlythetraditionalhigh-gainseismicnetworks.11完整版课件pptTimingsystemsweren强震观测仪通常记录的物理量（1）通过对加速度记录积分求速度和位移，实际是计算加速度曲线（第二次积分是速度曲线），比起从位移曲线微分两次获得加速度的精度高；（2）因为记录强震，而强震又比较罕见，所以要求强震仪具有一定的坚固性和较好的稳定性，而加速度仪更容易实现；（3）加速度直接与力相关，比较其它物理量更受工程部门欢迎。12完整版课件ppt强震观测仪通常记录的物理量（1）通过对加速度记录积分求速度和Instrumentation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台阵的设计仪器的正确设置：确保仪器的可靠性和精度要求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。

13完整版课件pptInstrumentation台网的合理布局：应设置强度高、GoldenStateBankbuildingonVenturaBlvd.inShermanOaks.Thisisa13-storyreinforced-concretestructureinstrumentedbytheCaliforniaStrongMotionInstrumentationProgram.Itsresponsewasrecordedinthe1971SanFernandoearthquakeaswellasthe1994Northridgeearthquake.Inthenorth-southdirection,thelateral-force-resistingsystemconsistsofshearwallsateitherendofthebuilding,whileintheeast-westdirection,amomentframeresistslateralforce.Crackingcanbeobservedinthewestern-mostshearwall.14完整版课件pptGoldenStateBankbuildingonArraylayout台阵设计，根据具体的观测内容，给出能提供完整资料的仪器布设方案,包括确定台阵的类型和规模，给出仪器的最优布设方案，台阵的设置方法，提出对仪器性能、仪器安设和维护管理技术的具体要求等。地震动观测台阵，震源机制台阵、传播效应(衰减）台阵、局部场地效应台阵以及特殊地震动台阵等。结构反应台阵，房屋结构(工业与民用)地震反应台阵、地基-结构系统地震反应台阵、桥梁、水坝、高炉、水塔、烟囱、核反应堆等结构地震反应台阵等，了解各类典型结构在强烈地震作用下的反应特征和破坏规律，确定结构在地震作用下的反应和导致破坏的数学物理模式。

15完整版课件pptArraylayout台阵设计，根据具体的观测内容，给出能0204060100200300400500600700m0(m)ObservationStation2XiangtangsiteeffectarrayGraniteSoilGraniteObservationStation3ObservationStation116m32m47mStructuralarrayofCSB’sDisasterPreventionBuildingGroundMeasuringPointBasement16完整版课件ppt0204060100200300400500600700m0许多国家和地区强震观测台网规模迅速扩大（1）美国全国5000台以上USGS台网约1000台，加州4000台以上TriNet，实时监测台80台，拨号台100台（2）日本全国5000台以上，台站间距25km

K-net有线遥测强震台网1000台1999年台湾地震后，增设2000台的新计划（3）台湾1500台以上（数字强震仪）集集大地震获取记录1万条以上（4）伊朗1000台以上；墨西哥430台（1995）17完整版课件ppt许多国家和地区强震观测台网规模迅速扩大（1）美国全国500其它有强地震观测的国家（地区）阿根廷、加拿大、智利、印度、意大利、希腊、新西兰、尼加拉瓜、秘鲁、波多黎各、（前）苏、委内瑞拉、（前）南等

In2000,therewerebetween10,000-20,000strongmotioninstrumentsoperatingworldwide.Mostseismicallyactivecountrieshaveatleastafewaccelerographsinoperation.Industrialnationswithhighseismichazardshaveextensiveprograms.Countrieswiththemostextensivestrong-motionnetworksareJapanandTaiwan.TheUnitedStateshasnetworksoperatedbytheUSGeologicalSurveyandotherorganizations.NetworksinothercountriesthathaveproduceddatafrommajorearthquakesinrecentyearsareinMexicoandTurkey.Ambraseys(1997)estimatedthatthereare2000strongmotioninstrumentsoperatinginEurope,andthatthesehaveproducedover2500recordings.Unfortunately,itisstillpossibleforlargeearthquakestooccurinpopulatedregionsoftheworldbutnotberecordedbyanylocalstrongmotioninstruments(e.g.Gujarat,India,January26,2001,Mw=7.6).18完整版课件ppt其它有强地震观测的国家（地区）阿根廷、加拿大、智利、印度、意我国的强震观测19完整版课件ppt我国的强震观测19完整版课件ppt2002-2007年投入数亿元大规模扩建我国数字强震台网

初步计划，增设2000台强震仪，其中自由场固定台1160个，使8个国家一级重点监视区达到每600km2一台强震仪(台距约25km)，13个二级重点监视区达到每1800km2一台强震仪(台距约42km)。另在首都圈设310台自由场固定台，速报烈度，台站密度达到每50km2一台强震仪(台距约7km)。还包括12个专门的密集台阵和200台流动观测仪器。

20完整版课件ppt2002-2007年投入数亿元大规模扩建我国数字强震台网初一级强震监控区（8个）21完整版课件ppt一级强震监控区（8个）21完整版课件ppt二级强震监控区（13个）22完整版课件ppt二级强震监控区（13个）22完整版课件ppt太阳能电池~220VGPS天线三分量加速度计固态强震记录仪调制解调器电话线避雷器强震遥测中心地震动便携计算机UPS电源电源避雷器数字强震台站框图23完整版课件ppt太阳能电池~220VGPS天线三分量加速度计调制解调器电话线强地震动数据处理(Dataprocess)我国强震观测数据中心设在工程力学所，积累了愈20000条强震记录，其中我国记录的amax≥20gal的强震数据约2000条，amax≥50gal的545条,amax≥100gal的206条,amax≥200gal的59条,amax≥500gal的8条，其中大部分是强余震记录，强震主震记录仅有数十条。

24完整版课件ppt强地震动数据处理(Dataprocess)我国强震观测数据25完整版课件ppt25完整版课件pptWithsomanydifferentorganizationsoperatingstrongmotionaccelerographnetworks,asingleglobalsystemofaccesstostrongmotiondatahasneverbeencompletelyachieved.Varioussystemsfordatarecoveryhavebeenputinplace.Perhapsthemostthoroughforthelate1900.swastheWorldDataCenter,whichsoughttocompileandreproducevarioustapesorcomputerdisks.Seekinsetal.(1992)preparedaCD-ROMwithmuchofthedatagatheredinNorthAmericathrough1986.OtherCD-ROMdatasetshavebeenpreparedbyAlcantaraetal(1997),Cousins(1998),Ambraseysetal(2000),Lee(2001),andCelebietal(2001).DistributionovertheInternetalsobeganinthelate1990’s.In2000,manystrongmotionprogramsoperatedactivewebsitesfordatadistribution.AparticularlyusefulU.S.programfordistributionofstrongmotiondatawastheoneestablishedbySCECforsouthernCaliforniadata,andexpandedwithsupportfromCOSMOStootherdatasets.ThedatabasecouldbeaccessedthroughtheWorldWideWeboperatedbytheSouthernCaliforniaEarthquakeCenter(http://smdb.crustal)ortheConsortiumofOrganizationsforStrongMotionObservationSystems().DatafromlargeandsmallearthquakesrecordedontheextensiveKyoshinNetandKiban-KyoshinNetinJapancouldbeaccessedthroughtheirexcellentwebsites(http://www.k-net.bosai.go.jp/andhttp://www.kik.bosai.go.jp/,respectively).ThecontentoftheEuropeandataisalsoavailableonline(http://www.isesd.cv.ic.ac.uk/esd/frameset.htm,Ambraseysetal,2001)26完整版课件pptWithsomanydifferentorgani27完整版课件ppt27完整版课件ppt美国西部的强震记录M≥6场地震级0<R≤1010<R≤3030<R≤100100<R≤300300<R总计S1M≥452182110249377M≥51916492249308M≥61210960219211M≥70690015S2M≥41545155210236M≥51245155219233M≥6015149219185M≥700719080S3M≥42310570090M≥51310570080M≥6410570071M≥700420042S4M≥44604666717231672M≥5217404660723135676186571663902M≥72033763013228完整版课件ppt美国西部的强震记录M≥6场地震级0<R≤1010<R≤303数字化零线（baseline）调整，零线校正，Butterworth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。对位移时程用最小二乘法调整零线以消除线性趋势。29完整版课件ppt数字化29完整版课件pptSignificantaccelerogramsrecordedonfilmformatsareeventuallydigitizedanddistributed.Agreatdealofefforthasbeendevotedtothisprocessbecauseoftheimportanceofaccurateinformationforearthquakeresistantdesign.Althoughtheinstrumentsrecordacceleration,estimatesofthegroundvelocityanddisplacementarealsoimportantforbothengineeringandgeophysicalresearch.Thusnumericalintegrationoftherecordsisimportant.Thechallengeindoi