基于LSTM网络的单台仪器地震烈度预测模型

烈度是地震预警系统的关键产出.如何实现快速预测目标场址的地震烈度是地震预警方法技术研究中的核心问题.本文提出了一种基于长短时记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的单台仪器地震烈度的预测模型(LSTM-Ⅰ).该模型以一个台站观测到地震动参数的时间序列特征为输入,实现动态预测该台站可能遭受的最大烈度.选取了日本K-NET台网记录的102次地震的5103条强震加速度记录训练了神经网络,利用89次地震的3781条数据检验了模型的泛化能力.利用准确率、漏报率以及误报率三个评价指标评价了LSTM-Ⅰ模型的性能.结果表明,当采用P波触发后3 s的序列进行预测时,模型出现漏报的概率为46.78%,出现误报的概率为1.25%;当采用P波触发后10 s的序列进行预测时,模型出现漏报的概率大幅降低到17.6%,出现误报的概率降低到1.14%.结果表明LSTM-Ⅰ模型很好把握住了时间序列中蕴含的特征.进一步基于LSTM-Ⅰ模型评估了Ⅵ度下台站所能提供的预警时间.本文模型能够提供的预警时间与P-S波到时差接近,说明LSTM-Ⅰ模型具有较高的时效性.

考虑椭圆模型M_W≥5.5地震震源参数时域计算方法

为提高时效性,地震预警系统对震源的处理一般采用“点源”假定,不考虑震源尺度、破裂方向和震源区应力降,对震源参数简化处理使得预测地震动参数分布过于粗略,特别是对破坏性大震.本文应用日本地震(M_W≥5.5)强震动数据,考虑椭圆震源模型,提出了一种适用于中、大地震矩震级、拐角频率和应力降等震源参数时域计算方法,并分析了场地效应、地震动传播衰减、震源效应和滤波频带等因素对时域方法的影响.结果表明,该方法能利用P波信息快速获取震源能量释放过程,量化随破裂传播震源谱拐角频率、应力降和破裂面积的演化过程,为地震动预测提供更多重要的震源参数.

MEMS地震烈度仪在结构地震反应观测中的应用

工程结构地震反应观测台阵获取常时和震时结构反应记录,是工程结构健康诊断和震害评估的重要技术手段之一。2019年,云南大理建设了一个由8个地震烈度仪测点组成的结构地震反应观测台阵,每台烈度仪内置一个3分向微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)加速度计。通过标准振动台检测,确定台阵配备的烈度仪的幅频响应特性曲线和线性度误差符合相关行业标准的要求。该台阵于2021年5月获得了大理漾濞地震序列的多次结构地震反应记录,本文选取其中3次M_(S)3.0~M_(S)3.2级地震,分析了观测记录的加速度时程、傅里叶幅值谱和信噪比等数据,由结果可知:该台阵可较好地记录幅值≥0.5 cm/s^(2)、频带1.0~39.0Hz的振动信号,对于近场小震具有一定的监测能力。

应用邻近强震动站点主余震记录的场地及地形效应分析

2022年01月08日青海门源发生M_(S)6.9级地震,在震源相同、路径类似的条件下,间距5.5 km的地震烈度仪站点观测到的地震动加速度存在较大差异,针对此现象,应用主余震强震动记录,分别使用谱比法和标准谱比法分析了场地效应与地形效应对地震动的影响,并提出了通过移动带通滤波器的高频截止频率来确定地面峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)的主要贡献频段的方法。考虑场地效应和地形放大效应等因素,在不同频带内初步分析了PGA偏差较大的原因。

基于P波位移增长特征的矩震级时域估算方法

震时震级估计是地震预警(EEW)系统的关键环节之一,通过有限记录的幅值和频率成分与震级的统计关系实现震源规模快速估计。然而统计方法未采用客观表征地震能量的物理量,对震源破裂传播过程考虑不足,不能直接量化地震矩。在地震场景应用中,EEW系统存在震级估算结果离散,大震震级低估等问题。为实时量化地震破裂能量,推导了中、小地震P波位移波形参数(位移峰值P_(d)和峰值时刻t_(pd))与地震矩的理论关系,并通过日本地震的震源时间函数库验证。采用日本K-net台网记录,分析近场强震动记录P波位移增长特征,尝试从P_(d)曲线中提取特征参数P_(d)和t_(pd),构建预测矩震级的新参数Pdt。离线数据的矩震级估算结果表明,构造参数Pdt能够可靠地预测地震的矩震级,优于经典预警震级参数P_(d)。该时域矩震级估算方法为EEW系统的地震能量评估提供了新的思路。

随机有限断层法的俯冲带板内地震动模拟

为明确随机有限断层法在俯冲带板内地震动模拟中的适用性,以2021年日本千叶M j6.1俯冲带板内地震为例,使用该方法模拟了震中范围100 km内25组KiK-net台站井上和井下记录,并分析了模拟与观测记录的频谱、持时、峰值和空间分布等地震动特征。结果表明:模拟与观测记录的5%阻尼比拟加速度反应谱(A_(ps))在0.1~10 Hz频带范围内吻合较好;基于70%能量持时模型的模拟记录在强震动段和持时上与观测记录匹配良好;井上台模拟与观测记录的地表峰值加速度(A_(pg))接近,且两者A_(pg)衰减特征基本一致;模拟和观测记录所得A_(pg)等值线相似。此外,将模拟和观测记录与现有日本俯冲带板内地震动衰减关系式(Zhao16)进行了比较,发现Zhao16的A_(pg)预测值普遍出现高估,其A_(ps)预测值在低频和高频分别出现一定程度的低估和高估,这可能与研究区域的盆地效应和软土层有关。研究结果为随机有限断层法模拟俯冲带板内地震动的适用性提供了依据,进而为探索将该方法应用于中国具有相似俯冲带构造的地区提供参考。

中美日仪器地震烈度的计算方法对比和经验换算关系

2020年修订的国家标准《中国地震烈度表》引入仪器测定的地震烈度,即仪器地震烈度作为评定地震烈度的指标之一,在震后烈度评定中已经得到广泛应用。仪器地震烈度根据实测地震动记录计算得到,国际上现行地震烈度标度和计算方法并不一致,对于深入应用不同国家和地区仪器地震烈度造成不便。应用大量中国和日本4级以上地震的强震动观测记录,计算了中国、美国和日本的仪器地震烈度及相关地震动参数,对比分析了仪器地震烈度计算方法,得到了相关地震动参数之间的皮尔逊相关系数和统计关系,并给出了3种仪器地震烈度之间的经验换算关系。

不同地震动参数与地震烈度的相关性分析

文中利用我国大陆地区的8次破坏性地震中获取的115条强震记录及其对应的震后调查烈度资料数据,通过普通最小二乘法和加权最小二乘法建立了24种地震动参数与地震烈度的回归公式,对地震动参数与烈度间的相关性进行了对比分析。结果表明:与烈度相关性最好的参数分别是5%阻尼比的水平向速度反应谱均值PSVs及峰值速度PGV。此外对本文结果与国内外类似的一些统计关系做了对比分析,以期对我国仪器烈度标准的建立提供参考。

云南漾濞地震大理某高层建筑结构地震响应观测数据初步分析

2021年5月21日21时21分至22时32分,云南漾濞先后发生了M 5.6级、M 6.4级、M 5.0级和M 5.2级地震,位于大理的某高层建筑结构地震反应观测台阵获取了这4次地震的结构动力响应,观测数据同步性好,数据质量高。该高层建筑为框架剪力墙结构,地上26层,地下1层,三分量加速度测点共8个分别位于建筑的第1层、4层、7层、10层、13层、17层、20层和25层,数据实时传输至中国地震局工程力学研究所燕郊数据中心。本文对结构台阵的观测记录进行了初步分析,绘制建筑结构观测楼层的三向绝对加速度及其傅里叶幅值谱,检验数据同步性和质量,通过滤波和积分得到相对速度和相对位移,利用功率谱方法分析得到频率响应函数,并利用复模态指数函数方法得到两水平方向前三阶模态频率和振型。通过4次地震结构模态频率和振型的初步对比结果表明:主体结构基本完好,这与现场调查结果吻合。该结构台阵获取的前震、主震和余震反应记录,为后续开展深入的模态参数分析、地震损伤识别以及研究框架剪力墙结构的振动特性和抗震性能提供了宝贵数据。

地震动时频能量分布及其对结构最大位移响应的影响规律分析

地震动特性的掌握对了解结构的地震响应及地震损伤至关重要。本论文采用时频分析方法研究地震动时频能量分布及其对结构反应的影响规律。地震动的时频能量分布由匹配追踪分解算法得到,既有效地反映不同频率成分的能量在时间上的分布,也能反映峰值加速度发生时刻附近存在的频率成分。通过分析构造的具有相同峰值加速度、傅立叶幅度谱和持时的人工地震地面运动以及线性结构的地震响应,表明时频能量分布对线弹性结构的影响很大,地震地面运动分解的原子有效幅度越大,循环特征越大,线弹性结构的位移也越大。本论文揭示地震地面运动时频能量分布对结构响应具有重要影响。

剪切型建筑结构地震损伤整体识别方法

大地震过后,国家、地方政府及业主开展震后应急救援和恢复重建工作,迫切需要识别量大、面广的剪切型建筑结构的地震损伤。在已有研究基础上,提出了剪切型建筑结构地震损伤的整体识别方法:采用时频分析和分形维数刻画实现快速的损伤判定和定位,为进一步的结构损伤程度识别提供子结构划分依据;再采用基于扩展Kalman滤波和无迹Kalman滤波的非线性系统识别方法分别识别线性和非线性子结构,结合双参数损伤指标,识别结构的地震损伤程度和破坏等级,为震后应急救援和恢复重建提供坚实可靠的依据。数值模拟结果表明,本文提出的整体识别方法能快速、准确地判断损伤位置,识别的地震损伤程度和破坏等级非常接近模拟的真实值。

基于Matlab的强震数据处理技术实现

强震动观测数据通常由强震仪原始二进制加速度记录组成,在国内外相关强震数据库下载的强震记录均为解码、处理后的ASCII格式文本文件,非原始文件,记录格式不同,但均由数据头段和数据区2部分组成。以我国未校正加速度记录(UA)数据格式为例,探讨基于Matlab程序的强震数据处理技术,并识别记录的地震动特性,为强震数据多领域应用提供技术支持。

地震预警中P波位移峰值曲线特性研究

地震预警技术(EEW)是目前防震减灾相对有效的方法之一,研究震源破裂初始段波形信息可为EEW系统的震级实时估算提供理论支持。本文结合P波初动波形特征,分别计算日本和中国地震的强震动记录的位移峰值曲线,对比各震级的位移峰值均值曲线的特征,然后利用分段函数模型进行拟合,量化初动上升斜率B1和上升时间T1等特征参数,并统计此类参数与震级相关性。结果表明:当不考虑幅值差异时,随震级的增大,P波初动波形由简单变复杂,均值曲线初始上升段斜率逐级降低,初始上升时间变长,B1等特征参数与震级具有很好的相关性。此外在不同地质构造环境中地震的强震动记录此特征基本一致。因此P波初始段的特征参数可用于估算震级大小,同时证实震源初始破裂过程的信息可反映最终地震的强弱。

饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性研究

饱和黄土在不同外荷载作用下其液化机理具有显著差异。为研究饱和黄土动态液化和静态液化机理的差异性,基于室内动三轴试验和静三轴试验,研究岷县永光饱和黄土动态液化后的动应力与轴向动应变关系、动孔隙水压力比与轴向动应变关系,分析其静态液化后的偏应力与轴向应变关系、孔隙水压力比与轴向应变关系,并结合液化前、后的SEM试验结果,研究动、静态液化对饱和黄土结构特征的影响,探讨两种液化机理的差异性。研究结果表明:饱和黄土在循环动荷载作用下,土骨架强度逐渐丧失,孔隙变形不断发展,从而导致孔隙水压力上升,直至出现具有流滑特征的动态液化;而在单调静荷载作用下,土体内的架空孔隙逐渐被压缩,落入孔隙中的土颗粒重新排列、组合,从而导致孔隙水压力增加,直至出现静态液化;动态液化后饱和黄土的表观孔隙面积比静态液化后的更小,孔隙均一性比静态液化后的更好,孔隙排列比静态液化后的更无序,孔隙结构相对于静态液化后更加复杂;两种液化机理的差异性主要表现在加载导致的细观结构变化过程差异引起的孔隙水压力增长模式不同。研究结果可为黄土地区液化灾害及液化诱发滑坡灾害的防治提供理论依据。

基于卷积神经网络的地震预警震级持续估算方法研究

为提高地震预警震级快速持续估算结果的准确性,本文构建了基于多种地震动特征参数的卷积神经网络震级估算CNN-M模型。该模型基于日本KiK-net强震动观测记录,利用其P波触发后3~10s时间窗内的幅值参数、周期参数、烈度参数、信噪比参数共11种地震波特征参数以及震中距参数作为输入。本文所建立的CNN-M模型随着地震发生后时间窗的推移可持续进行震级估算。通过研究震中距效应和场地效应对模型的影响,其结果表明:在使用井下数据和震中距参数时,模型表现最佳,其震级估算结果标准差逐渐降低,3 s时间窗标准差为0.336,10 s时间窗时降低至0.251,较之震级估算"Pd方法",估算结果准确性有了较大提高。在2014年11月22日长野Mj6.7级地震震例分析中,各时间窗内都有多个台站可准确估算出实际震级。在2021年3月20日宫城Mj6.9级地震的近场台站持续震级估算测试和实时震级估算测试中,CNN-M模型展现出了较高的准确性和稳定性,震级均值误差较小。以上研究表明:本文构建的CNN-M模型具有稳定可靠的预警震级持续估算能力,可为"国家地震烈度速报与预警工程"项目建设提供震级估算方法参考。

2017年九寨沟Ms7.0地震SmS震相观测与研究

2017年8月8日在四川阿坝州九寨沟县发生了M_s 7.0地震。本文利用九寨沟地震中记录到的强震动数据,对震中距80～140 km范围内的台站的三分向记录进行SmS震相的识别,结合理论地震图的对比分析,确认了九寨沟地震中存在莫霍面反射的SmS震相。在特定的距离范围,SmS波振幅大,能量强,对地面运动有很强的控制作用。通过非参数回归方法对峰值加速度随距离的衰减进行回归,得到的回归曲线直观的显示了SmS波对PGA的影响,再结合时间窗搜索峰值加速度值,定量的确定了SmS波的振幅是直达Sg波的2～5倍。本文由此得出结论:在震中距80～140 km的超临界距离,莫霍面反射的SmS波对地震动峰值加速度有着明显的影响。

一种实时场地校正方法及其在地震预警中的应用

地震预警系统对地震数据处理的实时性要求极高。其系统数据来源除布设在基岩的测震台站外,还有大量非基岩场地的强震动台站和地震烈度仪台站,其场地影响不容忽视。为了考虑震级估算和地震动场预测中的场地影响,需实时对各种场地条件下的地震波形进行校正。目前处理一般使用某个标量来表征场地放大效应。本文采用一种实时的场地校正方法,首先计算目标场地与参考场地的谱比,然后通过最小二乘法、双线性变换将谱比转化为因果递归的无限冲激响应(IIR)时域滤波器,之后可以应用该滤波器进行实时场地校正。该方法考虑了场地放大系数的频率依赖性,相比于标量校正提高了准确度。应用我国四川和日本部分强震动台站记录,验证并讨论了这种实时场地校正方法在地震预警中的应用效果。

土-结构相互作用对地震动记录的影响——以通信塔为例

为提高地震监测密度,近年来我国在非自由场布设了较多的地震烈度仪用于烈度速报,部分布设在通信公司的通信塔附近,站址附近结构物对地震动记录有一定影响。本文以通信塔为例,研究了土-结构相互作用对地震动记录的影响。在建立土-通信塔耦合单自由度体系,分析土层和结构动力参数对地震动记录的影响规律的基础上,利用ABAQUS有限元软件建立自由场和土-通信塔的三维有限元模型,计算分析了不同工况下土-通信塔相互作用对基础地震动加速度峰值和频谱的影响。结果表明:(1)土-通信塔相互作用对基础处地震动加速度峰值影响较小,但对某些频段的频谱影响较大;(2)土-通信塔相互作用对地震动加速度峰值和频谱的影响随着到基础中心距离的增加减小显著;(3)在通信塔附近布设台站时,本文建议布设在距离通信塔0.2H以外,以减小土-通信塔相互作用对台站地震动记录的影响。

基于XGBoost的现地地震烈度阈值实时判别模型

如何在地震中利用台站接收到的少量P波信息预测该台站处的最终烈度是否会超越6度是地震预警研究中亟待解决的关键问题.提出了一种基于极限梯度提升树(XGBoost)的现地烈度阈值实时判别模型,该模型以由台站接收到P波后3秒内的信息计算的5种特征作为输入参数,以该台站处的最终仪器地震烈度是否会超越6度作为阈值.选取1996—2022年日本K-NET台网记录的460次地震的4353条加速度记录建立了基于P波前3秒信息的烈度阈值实时判别模型(XGBoost-ITD).结果表明,该模型对低烈度的判别准确率为93%,对高烈度的判别准确率为88%.在相同数据集条件下,相较于支持向量机分类方法及传统方法,XGBoost方法对现地烈度阈值判别具有更高的精度.