地震波基线漂移的处理方法_李吉涛

地震波基线漂移的处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 _李吉涛 第34卷第1期北 京 交 通 大 学 学 报Vol.34No.1 文章编号:1673-0291(2010)01-0095-05 地震波基线漂移的处理方法 李吉涛,杨庆山 (北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044) 摘 要:由于受到采集仪器低频噪声、环境背景信号、人为处理误差及初始加速度等的影响,由地震加速度记录积分得到的地震波位移时程曲线会出现严重的零线漂移现象.因此,在结构地震响应的时程 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 中,加速度记录需要进行校正.作者在Wilson校正处理方法基础上,提出了一种新的地震波基线漂移的处理方法,改善了加速度记录的积分性质,保证了由加速度积分得到的速度和位移时程终点均为零,并保持了地震波加速度的峰值、持时、频谱等特性.通过在实际工程的应用,验证了该校正方法的合理性. 关键词:加速度记录;漂移;校正方法;地震波特性 中图分类号:O327;TU311 文献 标志 禁止坐卧标志下载饮用水保护区标志下载桥隧标志图下载上坡路安全标志下载地理标志专用标志下载 码:A ACorrectionMethodforBaselineDriftofSeismicWave LIJitao,YANGQingshan (SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China) ——————————————————————————————————————————————— Abstract:Thedisplacementcurveintegratedfromtheaccelerationcurvewillpresentaseriousproblemofbaselinedriftduetotheinfluenceoflow-frequencynoisesignalerrorfromtheseismicacquisitionequipments,environmentalbackgroundsignalerror,humanerrorandtheinitialacceleration.There-fore,theaccelerationrecordneedstobecorrectedsothatitcanbeappliedaccuratelyintimehistoryseismicanalysisofthestructure.BasedontheevaluationoftheWilson'scorrectionmethod,anewcorrectionmethodisproposedtoimprovetheintegralperformanceofaccelerationrecord.Thisnewmethodcanremovethebaselinedriftsofvelocityanddisplacementcurves.Moreover,thecharacteris-ticsofseismicaccelerationrecordareretained,includingtheaccelerationpeak,duration,andfrequen-cyfeatures.Finally,apracticalapplicationisgiventoverifytheeffectivenessoftheproposedmethod.Keywords:accelerationrecords;driftphenomenon;correctionmethod;seismicwavecharacteristics 目前,地震反应分析所使用的地震波来源于真 实地震动的数据采集和地震动的人工合成.地震动 采集的数据大都是以加速度时程的形式给出,而速 度和位移时程通常由加速度积分获得.如果不考虑 地层断裂、裂缝等因素,在地震结束后,地面运动应 该回归初始状态,即地面位移、速度、加速度应该归 零.但是,由于地震动采集过程中存在低频仪器噪 声、低频环境噪声、加速初始值和速度初始值及人为操作误差等 ——————————————————————————————————————————————— 诸多原因,可能导致由积分得到的速度和位移时程在终点时刻非零,即零线漂移[1-2].另一方面,在地震动的人工合成计算中,人们往往比较注重对加速度时程的研究,而速度和位移时程仅仅通过地震加速度时程简单的积分运算得到,这也导致速度和位移时程表现漂移现象[3].同时,在结构地震作用下的时程分析中,若采用相同的数值积分方法和积分步长,位移输入模型可 收稿日期:2009-04-30 基金项目:国家自然科学基金杰出青年基金项目资助(50725826) 作者简介:李吉涛(1978—),男,河南新乡人,博士 生.email:05115227@bjtu.edu.cn.,,,, 北 京 交 通 大 学 学 报 第34卷 获得比加速度输入模型更高的计算精度[4].因此,对于地震加速度时程曲线进行校正,以获得合理的位移时程曲线非常重要. 对地震加速度的校正方法有两类:一是滤波,即将加速度记录中不合适的波频过滤掉;二是更改加速度的初始值,或者调整加速度的记录,使加速度积分后的位移时程为零.Boore在文献[2]采用校正方法是通过回归分析,拟合一个 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 ,使加速度时程上的数值与这个函数叠加,达到积分后的位移值为零.周雍年[5]将两类方法同时使用,做两次零线校正后,再做一次高通滤波,尽可能消除了位移的零线漂移.此方法每步的意义是清楚的,但过程相对比较复杂,而且各步的滤波操作在一定程度上改变了加速度、速度和位移时程之间严格的自然积分关系.并且,过滤直流分量的方法可能改变地震动的时-频非平稳特性[6].通过——————————————————————————————————————————————— 滤波和修改加速度能够很好的处理位移漂移现象,但是加速度的峰值也会发生改变.针对这一问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,SAP系列程序的创始人Wilson教授对一条加速度记录进行部分校正,保留加速度的峰值,此方法思路明确,但不能同时校正速度和位移两项漂移[7].本文作者在Wilson校正方法的基础上提出一种新的校正方法,即在不考虑地面永久变形的前提下,使校正后的地震波速度和位移最后时刻都能归零,使处理后的加速度具有良好的积分性质,并不改变地震加速度频谱主要性质,还保留了加速度的最大峰值,以满足结构工程的时域分析中有效输入地震波的需要 . 位移;tI为持时;Δt为时间步长;ΔU为ui的总和.结构抗震分析的地震波数据通常是截取地震记录中的十或者几十秒,正常情况下,任意截取的地震记录在终点时刻的位移ΔU?0,这与实际情况不符.针对这一问题,Wilson对前tL(校正时间)的加速度数值进行校正,tL位于加速度峰值前,以保证加速度峰值不变.为了避免在tL时刻加速度校正值的跳跃,构造了线性校正函数,即 i=1 ?a L (tI-ti)u?iΔt=L (2)(3)(4) apUpos+anUneg=-ΔUap=-2U posan=-2Uneg ——————————————————————————————————————————————— 式中:a为校正系数;ap为正校正系数;an为负校正系数;L为校正时间步长;Upos为正加速度在终点产生的位移总和;Uneg为负加速度在终点产生的位移的总和. 校正后的加速度记录为 u?1+apu??>0i,uL1+anu??<0i,uL (5) 2 改进的校正方法 Wilson也讨论了如果将校正时间控制在后几 秒,也可以将终点时刻速度调整为零[7],但不能将终点时刻的速度和位移同时校正为零,这与实际情况不符.因此,为了调整位移和速度归零,根据Wil- 1 Wilson校正方法 Wilson校正方法的基本思想是 [7] :加速度时程 son校正方法的基本思路,终点时刻的速度为 I I 可以看作是系列脉冲的叠加,如图1和图2所示.对于一条地震加速度记录,终点时刻位移uI可以看作 是每个加速度脉冲积分后的累加,可表式为 I ——————————————————————————————————————————————— I u)I= i=1 )i?u = i=1 uiΔt?? =Δ)U(6)(7) 加速度调整值为u?=m+nT(i),i=1,2,…,Li′ uI= i=1 ?ui = i=1 tI-ti)u?iΔt?( =ΔU(1) 式中:ui为i时刻的加速度;?ui为u?i在终点产生的 式中:u)i为i时刻速度;Δ)U为)ui的总和;u?为构造i′ 校正加速度的函数;m,n为u?的系数.i′ u?应满足终点时刻的位移uI和速度u)I归零,i′ 校正后的加速度为 ui? ——————————————————————————————————————————————— ui+??ui′,(i=1,2,3,…,L)ui,(?i=L+1,L+2,…,I) (8) 为了避免在tL处的加速度数值调整的跳跃性,校正时间tL不易过短,避免调整值u?与?ui的峰值i′数量级相当. 校正后的加速度积分获得的速度和位移终点时, 第1期 李吉涛等:地震波基线漂移的处理方法 I uI=) I i=1 ui″Δt?? =0 =0 (9)(10) 3 校正方法有效性验证 采用Wilson校正法和改进后的校正法分别对 1989年美国LomaPrieta地震中Corralitos地震加速度记录(简称A波)和一条人工波(简称B波)进行校正.两条波的地震特性如表1所示.两条波的加速度峰值分别出现在4.04s和9.26s,为不改变加速度峰值,校正的时间分别为前3s和前6s.校正后的加速度时程曲线分别见图3和图4. ——————————————————————————————————————————————— 表1 两条加速度记录地震特性 Tab.1 Seismicfeaturesoftwoaccelerationrecords 地震波Corralitos人工波 tI/s Δt/s 加速度峰值 时刻/s 4.049.26 加速度峰值 /(m/s2) 7.998.027 tL/s36 uI= i=1 tI-ti)ui″?Δt?( 由式(9)和式(10)可求得m和n值,即 2(3ΔU+ΔVdt+2LΔVdt-3ΔVtI) m=-L(L-1)dt2 (11) 6(2ΔU+ΔVdt+LΔVdt-2ΔVtI) n= L(L2-1)dt3(12) ——————————————————————————————————————————————— 如果将校正时间tL取为全程时间tI,此方法就成为Boore提出的校正方法 [2] ,既对于全部加速度 数值进行调整.但此时将会改变加速度峰值部分,对于真实的地震台记录,会降低其准确性. 16.90.0216.00.01 图3 Corralitos地震记录 Fig.3 Corralitosearthquaketimehisto ry 图4 某人工地震波 Fig.4 Asimulatedearthquaketimehistory 从图3和图4可以得出,校正前的A波和B波的位移表现出明显的漂移现象,终点时刻的速度也不归零.采用Wilson校正方法和改进后的校正方法分别对A波和B波校正,校正后两条波的加速度峰值并没有改变.采用Wilson校正方法校正后的A波和B波,终点时刻的位移可以很好的归零,终点时刻速度尽管向零轴靠近,但仍然存在偏量,A波从0.088m/s变为0.046m/s,B波从0.107m/s变为-0.021m/s.采用改进的校正方法校正后,A波和B波终点时刻的位移和速度均归零,很好地消除了对于A波,校正时间为3s,经Wilson方法校正后的速度时程的峰值由0.600m/s变为0.566m/s,位移时程的峰值由0.633m变为0.231m.采用改进后的校正方法校正后,速度时程和位移时程的峰值分——————————————————————————————————————————————— 别变为0.690m/s和0.864m,速度和位移峰值相比,Wilson校正方法的结果都偏大,尤其是位移.这是由于校正时间取得较短,校正分量数值较大,导致积分后的位移增量二次扩大.对于B波,校正时间为6s,两种校正方法校正后的速度和位移峰值分别为0.250m/s和0.146m,0.259m/s 和, 北 京 交 通 大 学 学 报 第34卷 采用改进后的方法,校正时间不应过短. 频谱特性如图5和图6所示.从图5可以得出,A波和B波经过两种方法校正后,其傅里叶幅值谱Sa除了长周期略有偏差,其他几乎没有什么变化. 图6表示阻尼比为5%的绝对加速度反应谱对比.从图6可知,经两种方法校正后的绝对加速度反应谱没有什么变化.由此可见,经过改进的方法校正的地震波,依旧保持校正前地震加速度的特性 . (a)Corralitos 地震波(b)某人工地震波 图5 加速度傅里叶幅值谱比较图 Fig.5 ComparisonofFourieramplitudespectraofearthquake accelerogram (a)Corralitos 地震记录(b)某人工地震波 ——————————————————————————————————————————————— 图6 加速度反应谱比较图 Fig.6 Comparisonofabsoluteaccelerationspectraofearthquakewave 4 算例 采用人工波对一刚架结构进行X方向的地震激励分析.刚架截面尺寸为0.1m×0.3m,材料的33 密度为7.8×10kg/m,弹性模量为210×109Pa,泊松比为0.3.刚架结构模型尺寸如图7所示 . (a)A点 图7 刚架计算模型 Fig.7 Numericalmodelofrigidframe 支座A点和跨中B点位移时程响应如图8所示.可以看出,在未校正的加速度计算结果中,支座A点和跨中B点位移时程响应具有明显的漂移现象,终点时刻的位移分别达到1.77m和1.74m.经过Wilson校正法和改进的校正法校正后,支座A点和跨中B点位移时程响应都为0,消除了漂移现象. 图9为A点和B点的速度响应.在未校正的加速度计算结果中,支座处A点和跨中B点的终点 时刻速度分别为-0.11m/s和-0.15m/s.经过 (b)B点 图8 X方向的位移响应 Fig.8 TheXresponsedisplacementtimehistory ——————————————————————————————————————————————— Wilson校正法校正后,支座A点和跨中B点处的终 点时刻速度分别为0.02m/s和-0.01m/s.经过改进校正法校正后, 支座A点和跨中B点处的终点时刻速度均为0. 可见,Wilson校正法可消除位移漂移现象,但不能解决速度漂移问 题,通过改进的校正方法不但 第1期 李吉涛等:地震波基线漂移的处理方法 可消除位移漂移现象,还可消除速度漂移现象 . (a)A 点(b)B点 图9 X方向的速度响应 Fig.9 TheXresponsevelocitytimehistory ComputationErrorsinSynthesizingArtificialGroundMo-tion[J].JournalofEn gineeringGeology,2003,11(1):79-84.(inChinese) [4]田玉基,杨庆山.地震地面运动作用下结构反应的分析 模型[J].工程力学,2005,22(6):170-174. TIANYuji,YANGQingshan.AnalysisofModelsandMethodsforStructuralSeis micResponses[J].JournalofEngineeringMechanics,2005,22(6):170-174.(in Chi-nese) ——————————————————————————————————————————————— [5]周雍年,章文波,于海英.数字强震仪的长周期误差分析 [J].地震工程与工程振 动,1997,12(2):1-9.ZHOUYongnian,ZHANGWenbo,YUHaiying.AnalysisofLong-PeriodErrorforAccelerogramsRecordedbyDig-italSeismographs[J].EarthquakeEngineeringandEngi-neeringVibration,1997,12(1):1-9.(inChinese)[6]李建波,陈健云,林皋.相互作用分析中地震动输入长周 期校正研究[J].大连理工大学学报,2004,44(4):550-555. 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