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地震动加速度记录的处理及软件工具

(2013-06-02 07:13:33)

今天给大家推荐两个处理地震动加速度记录的软件工具 – SeismoSignal与SeismoArtif。这两个软件都是由SeismoSoft开发的,挂在他们的网站上http://www.seismosoft.com/en/HomePage.aspx供大家下载http://www.seismosoft.com/en/Download.aspx。SeismoSoft开发的非线性结构分析软件SeismoStruct和所有地震动记录处理软件对教学、科研和培训用户免费。从事设计咨询等商业活动的用户,需交使用执照费,但不贵。如SeismoSignal的永久使用执照费只有100欧元。无论哪一类用户,都可先将软件下载免费试用30天。

SeismoSignal是一个很有用的地震动记录处理软件,有如下功能:(1)将地面加速度时程积分得地面速度时程、再积分得地面位移时程并同时绘出加速度、速度和位移时程(看似简单但很有用,下面还要讲到),零线修正(很重要,下面还要专门讲到),(2)按用户指定的阻尼比计算弹性反应谱,或等延性比非线性反应谱,(3)计算傅立叶振幅谱,(4)对记录进行高通滤波(high-pass filtering)或低通滤波(low-pass filtering)数字信号处理(digital signal processing),(5) 计算其它地震动参数,等等。其最常用的功能是计算地震波的弹性反应谱和对地震加速度记录进行零线修正。

SeismoArtif的功能是拟合人工地震波,与用户输入的目标反应谱相符。除了目标反应谱外,用户只需确定一个加速度时程曲线包络线,如梯形包络线,指定上升段时间、平稳段持续时间、下降段时间,即可。软件输出拟合好的人工波加速度时程,人工波反应谱,与目标反应谱的比较和误差%等,很容易上手。有了此软件工具,做中国项目所需人工地震记录,结构工程师和岩土工程师都可自己动手拟合。

结构工程师和岩土工程师进行结构或场地土地震响应动力时程分析时,除了要计算地震记录的反应谱,检验其与目标反应谱是否相符以外,还需进行其它几项检验和处理。全国工程勘察设计大师王亚勇在他最近的一篇文章《关于建筑抗震设计最小地震剪力系数的讨论》中第2.2节中提到对加速度记录进行零线修正、以及采用数值滤波方法对地震记录进行处理。SeismoSignal正好可以做这几项处理工作。

高质量的地震记录数据库,如PEER NGA强震记录数据库,除了提供5%阻尼比反应谱外,已经对每条地震记录进行了零线修正,并已经对每条记录根据其加速度计的频域上信噪比特性采用数值滤波方法将信噪比低的长周期(低频)和短周期(高频)成分过滤掉,并提供低频截频频率(Low-frequency cut-off)和高频截频频率、所用的数字式滤波器型式及各项参数。最重要的,PEER NGA 强震记录数据库提供了每条记录的最小可用频率Lowest
Usable Frequency,其倒数就是最大可用周期。

如果从PEER NGA选取强震记录的话,工程师除了要计算反应谱曲线外,一般无需再做其它各项检验或计算处理。从此数据库自选的强震记录无需付费。中国有中国的国情,国家地震局系统多个单位有自己的强震记录数据库,某些研究机构和私人公司也有自己的地震动加速度记录数据库。这些单位、机构和公司提供选波服务,但收费。根据我之前在A记多年来做中国项目的经验,我个人觉得国内这些强震记录数据库与PEER NGA数据库比较起来尚有差距。由于受到数据库所收集的地震记录和搜索工具的限值,这些单位、研究机构和私人公司提供的强震记录,与目标谱反应谱相符程度难以令人满意,不能提供其记录的最大可用周期数据,且很少对其强震记录进行过零线修正。

我接下去着重讲一下零线修正这一议题。最早的地震加速度记录是记录在纸上的加速度曲线(所以英文常用trace这个词来描述地震动时程),纸按指定的速度移动,曲线上两点之间在纸移动方向上的距离除以纸的移动速度就是时间。与纸移动方向垂直的轴为加速度。为了避免浪费记录纸记录到很微弱的即无地震学意义又无工程意义的信号,一般都在记录系统上设了閥值。地面运动强度倒了閥值才开始记录。这样的记录其零线(加速度为零的线,也叫基准线Base Line)位置事先不知道。需先假设一个零线然后再对其进行修正,所以叫零线修正(Baseline Correction)。

零线修正的依据是什么?是常识。地震动发生前地面静止,地面运动的加速度、速度和位移都为零。地震动结束后,地面回到静止,地面运动的加速度和速度理应回到零线。近场区地面可能会有错动、滑移,Fling等永久位移,但是远场区的观察结果一般是永久地面位移也等于零(当然滑坡、泥石流、沙土液化等地震地质灾害引起的场地土失效除外)。所以一般情况下地面运动位移时程也应回到零线。最简单的零线修正是用二次多项式修正,即在零线未经修正的加速度时程添加一个二次多项式a0 + a1t + a2t^2.  用加速度、速度和位移均以零结束为条件求解三个常数。我做博士时写过这样一个Fortran小程序。现在A计软件T/HIS里面的模块BSC(Base
Line Correction)就来源于我带过去的那个源程序。当然还可用曲线拟合的方法用更高阶多项式,我还见过用样条函数,来进行零线修正的。在SeismoSignal里面,用户可选择用(1)常数a0,或(2)一次多项式a0+a1t,(3)二次多项式,或三次多项式来进行零线修正。

零线修正的重要性,我举个反例来说明。有一个地震动加速度时程a(t),加速度峰值0.1g,零线正确,加速度、速度和位移三条时程曲线均以零开始以零结束。现在假设因某种原因添加上去一个直流成分a0=0.0005g,是峰值加速度的0.5%,画出两条加速度时程曲线用肉眼根本无法分辨。假设持续时间是30s。积分两次得位移时程。原时程a(t)积分两次后当然以零结束。但a0积分两次后是1/2xa0xt^2=0.5x0.0005gx30^2=2.2m, 位移时程朝一个方向漂移2.2m。所以零线修正的重要性,用这样一句话来概括很合适 – 差之毫厘,失之千里。美国这方面专业人士在给出地震记录时,一般会对每条地震动加速度记录同时给出其速度记录和位移记录,三条记录画在一起上下三条曲线图。一方面能给出峰值加速度、峰值速度和峰值位移,另一方面也能说明其加速度时程是经过零线修正的。PEER NGA的强震记录都是如此。

从现代数字信号处理(Digital Signal Processing)这一学科角度来看,零线修正就是高通滤波(high-pass
filtering)- 将信号中不可靠的长周期(低频)成分过滤掉。上面提到的直流成分a0就是f=0(周期无限长)的噪音,必须和其它不可靠低频成分一起用数值方法过滤掉。在60-70年代,成批处理地震加速度记录时,通常将低频截频频率(Low-frequency cut-off)定在0.07Hz。严格地讲,对每一个地震记录,应该分别对待,根据其地震加速度计的信噪比在频域的分布来确定此低频截频频率(Low-frequency cut-off),才能将不可靠低频信号过滤掉,同时将可靠低频成分保留住。数字信号处理(Digital Signal Processing)本身是一门现代化的大学问。我原来在A计高技术部工作时,没少与这门学问打交道,处理过结构振动测量信号,还专门钻研过Digital
Signal Processing这门学问,很喜爱这门学问。感觉到这门学问即高深又有用,而且用途太广阔难以界定其边界。

SeismoSignal在读入一个地震动加速度时程的同时,就同时画出地面加速度、速度和位移三条时程曲线。加速度时程是否经过零线修正处理一目了然。SeismoSignal软件里面还提供了三个数字滤波器型式,可做high-pass,low-pass,band-pass,和band-stop数字式信号滤波处理。但我建议有兴趣用这些功能的朋友,先找本Digital
Signal Processing的书看看。需要比较扎实的数学功底才看得懂,特别是FFT(快速傅立叶变换)。但话说回来,FFT对学过高等数学和结构动力学的人来讲,应该是小菜一碟。研读过Clough和Penzien那本经典结构动力学大作的朋友一定会读过里面对FFT在结构动力学中的应用的论述和实例。



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