仪器地震烈度计算编制说明.doc

仪器地震烈度计算编制说明.doc 地震行业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 《仪器地震烈度计算》 征求意见稿编制说明 一、任务来源、 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 编号等基本情况 地震烈度速报可在地震发生后通过观测仪器直接提供地震烈度～快速生成地震影响强度和范围～为人员伤亡估计、经济损失评估、应急救援决策和工程抢险修复决策提供依据。地震监测台站越密集～对地震影响场的了解就越全面和详细。仪器地震烈度计算规程是规范、科学进行地震烈度速报工作的基础。目前～日本、美国等国家及我国台湾地区都已经建立了地震烈度速报系统～并制订了统一的仪器地震烈度计算方法。 2011年5月15日～依据中震法函„2011?14号“关于征集2011年地震标准制修订项目立项建议的通知”～编写组提交了地震行业标准项目建议书“地震仪器烈度”。2011年9月26日～中震函„2011?351号“关于下达2011年地震行业标准制修订计划的通知”批准制订工作立项～项目“地震仪器烈度”由工程力学研究所负责。 二、标准编制的背景、目的和意义 《国家地震科学技术发展 纲要 中国近代史纲要中国近代史纲要复习资料大学中国近代史纲要重点中外历史纲要课件乒乓球课程纲要 ,2007-2020年,》重点领域及优先主题“地震应急响应与处臵技术”方面～明确指出发展“地震和地震烈度的速报”、“重要工程设施预警与 1 紧急处臵”,《中华人民共和国防震减灾法》明确提出“国家支持全国地震烈度速报系统的建设”～“应当通过全国地震烈度速报系统快速判断致灾程度～为指挥抗震救灾工作提供依据”。《国家防震减灾规划,2006-2020年,》提出我国2020年防震减灾总体目标～并明确将“建设地震预警技术系统～为重大基础设施和生命线工程地震紧急自动处臵提供实时地震信息服务”作为防震减灾工作的一项主要任务。2010年《国务院关于进一步加强防震减灾工作的意见》明确提出～到2015年～要“在人口稠密经济发达地区初步建成地震烈度速报网～20分钟内完成地震烈度速报”,到2020年～要“建成较为完善的地震预警系统～地震监测能力、速报能力、预测预警能力显著增强”。本项工作是落实《防震减灾法》及国家和行业相关规划的一项重要举措。 目前我国地震观测台网发展迅速～基于实际地震观测地震动记录的仪器烈度速报已经开展～但缺少统一的计算方法和计算标准。而日本、美国等国家及我国台湾地区都已经建立了地震烈度速报系统～并制订了统一的仪器地震烈度计算方法。如日本自上世纪90年代初开始建设密集的强震动观测台网和烈度计网～1996年正式启动地震烈度速报系统～可以在中强以上地震发生后2—3分钟给出各地的仪器地震烈度和地震动峰值等～并通过网络、电视、广播等向政府有关部门和公众发布。2011年日本3.11特大地震中～日本分别在震后2分钟和7分钟在网站上发布了详细的烈度速报分布图～并在15分钟给出了更详细的推测烈度分布图。美国自 2 1994年开始运行震动图生成系统,ShakeMap,～实现了在中强地震发生后3—5分钟内给出仪器地震烈度分布图、地震动峰值等值线分布图、不同周期反应谱等值线图～并通过网络发布。我国台湾地区自1992年开始实施“强地震动观测计划,TSMIP,”～并建设了地震信息快速发布系统,RTD,～可在地震发生后数分钟内生成烈度分布图、地震动峰值分布图等～并通过多种方式及时传送至相关部门。我国在本世纪初尝试进行仪器地震烈度速报工作。2012年福建省地震局制定了地方标准DB35/T 1308-2012《地震仪器烈度表》～于2012年11月27日发布～2013年3月1日起实施。但目前尚没有专门的行业计算标准作为建设依据～不能满足未来发展的需求～为此～提出了仪器地震烈度标准的制定工作。 随着近年来强震动观测记录的积累～近年来我国仪器地震烈度计算方法研究较多～利用我国近年来获取的强震动记录及其对应的震后调查烈度资料数据～建立了多种地震动参数,包括峰值参数、傅里叶参数、反应谱参数、持时、滤波参数等,与地震烈度之间的统计关系～将部分参数的统计关系与国内外研究进行了对比。基本具备了开展标准制订的条件。 三、工作简况 ,一,工作组的组成单位 制订主要参加单位:中国地震局工程力学研究所～福建省地震局、中国地震局地球物理研究所。 ,二,主要工作过程、工作组会议的主要议题和结论 3 2011年10月30日～编制组签订了地震行业标准制修订项目任务书。项目启动至今共召开了五次主要工作会议～一次重要评审会议～多次函件征求专家意见～对仪器地震烈度相关工作进行了充分讨论。自2014年2014年8月3日云南省鲁甸县6.5级地震后～中国地震局工程力学研究所开始采用编制组初步成果～应用强震动记录开展仪器地震烈度应急工作～并经过了20余次破坏性地震的实际检验。2015年2月28日～中国地震局印发了《仪器地震烈度计算暂行规程》中震测发„2015?18 号～规定自2015年3月1日起施行编制组制订的本规程。 各次会议及评审的时间、主要议题及成果如下。 第一次会议。2012年10月26日～中国地震局监测预报司在河北燕郊组织了“标准制修定项目研讨会”,中震测函„2012?204号,。编制组汇报了制订准备工作～提出了多种可能的技术路线～与与会专家进行了充分讨论。 第二次会议。2013年7月11日～中国地震局监测预报司在福建平潭组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了制订工作地震动参数统计进展、标准 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ～与会专家与编制组进行了充分讨论～并对制订工作给出了若干建议。 第三次会议。2013年10月26日～中国地震局监测预报司在福建平潭组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了国内外研究进一步进展、增加强震动记录后的地震 4 动参数统计进展、与福建地方标准的对比结果等～与会专家与编制组进行了充分讨论。 第四次会议。2014年7月24日～中国地震局监测预报司在黑龙江省哈尔滨组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了利用大量强震动观测记录的统计结果、统计方法及确定的技术方案等～与会专家与编制组进行了充分讨论～同意把复杂问题简单化～确定了目标路线。 第五次会议。2014年11月23日～在福建省福州《国家地震烈度速报与预警工程》启动会上,中震测函„2014?93号,～汇报了标准初稿～编制组汇报了标准制订成果。 第一次评审会议。2015年2月2日～中国地震局监测预报司在哈尔滨组织召开了“地震仪器烈度计算规程编制讨论和预评审工作”会议,中震测函„2015?13号,～监测预报司、政策法规司、震害防御司、应急救援司主要负责人参加会议～组成了以高孟潭研究员为组长的20人专家组～对《地震仪器烈度计算规程》,以下简称《规程》,进行了技术评审。专家组审阅了《规程》文本及编制说明～听取了编制组对编制过程及内容的汇报～肯定了编制思路、技术路线、试验数据、技术指标、计算方法、规程结构,肯定了《规程》与现有相关标准协调～及对业务发展最新需求和现状的考虑～通过了评审。并建议修改“地震仪器烈度”为“仪器地震烈度”。 此外～编制组还多次与袁一凡、张敏政、赵宗和、孙景江等老专家进行邮件讨论和当面咨询～并在多次学术研讨会期间与专家进行讨论～专家的合理建议纳入了编写思路中。 5 四、标准规范的对象和范围 本标准规定了仪器地震烈度的计算流程、地震动记录的选取和处理、仪器地震烈度计算方法及等级划分。 本规程适用于地震烈度速报中仪器地震烈度的计算。 五、标准编制原则 1,科学性 烈度标准中所提出的指标应建立在充分强震动观测数据、震后震害数据、现有变准和各类科学研究成果的基础上～以保证科学、合理地计算仪器地震烈度。 2,继承性和一致性 继承、拓展并衔接《中国地震烈度表》,GB/T 17742,2008,、《中国地震动参数区划图》,GB/T 18306,2015,等相关标准～保持仪器地震烈度等级刻度不变～但表示方式变为阿拉伯数字～并保留小数点后一位数字。 3,可操作性 标准采用易于计算和理解的加速度峰值和速度峰值作为表征仪器地震烈度的地震动参数～计算方便～可操作性强。 六、确定标准主要技术内容的依据和过程 ,一,主要研究过程 1.数据来源 研究应用了我国大陆地区12次破坏性地震中139个强震动观测台站获得的加速度记录及实地调查资料确定的各台站所处地区的地震烈度作为数据统计源。每个台站的强震记录均包含三个分量,两个水平分量和一个竖直分量,～烈度 6 区范围为VI度-X度。12次地震的地震事件信息及台站分布情况如表1和图1所示。此外～本报告利用了我国414次地震共计11853条地震动观测记录对仪器地震烈度计算方法进行了分析和验证。 由于所用的强震动记录汶川地震所占比例较大～且VI度区和VII度区的面积较大、台站较多～为了较为精细的刻画记录点所在的烈度区～本报告以雷建成等,2007,根据四川及其临近地区的地震动数据拟合得到的我国西南地区烈度衰减关系为参考依据～对汶川地震的VI度区和VII度区设臵半度等震线。 表1 所用地震事件及数据分布表 度 度 度 度 度 地震 时间 震级 震中烈度 VIVIIVIIIIXX合计 汶川地震 2008-05-12 M8.0 XI 54 20 8 4 1 87 芦山地震 2013-04-20 M7.0 IX 5 7 12 VIII 攀枝花地震 2008-08-30 M6.1 2 2 4 VIII 宁洱地震 2007-06-03 M6.4 2 1 3 VIII 盈江地震 2008-08-21 M5.8 1 1 VIII 姚安地震 2009-07-09 M6.0 1 1 VII 乌恰地震 2008-10-05 M6.8 2 1 3 VIII 岷县地震 2013-07-22 M6.6 3 1 4 IX 鲁甸地震 2014-08-03 M6.5 6 1 1 8 VIII 景谷地震 2014-10-07 M6.6 3 1 1 5 VIII 康定地震 2014-10-22 M6.3 3 3 VIII 康定地震 2014-10-25 M5.8 3 4 1 8 合计 85 38 10 5 1 139 7 图1 统计分析用的12次破坏性地震及VI以上台站分布 2.地震动参数及滤波频带选取 本报告主要对常用的地震动峰值、频谱等24种地震动参数与震后调查烈度进行了统计关系。 1)地震动峰值参数 地震动峰值参数有加速度峰值PGA、速度峰值PGV和位移峰值PGD,包括三个单方向、水平方向合成和三方向合成,、日本气象厅计测烈度使用的0.3秒持时对应的等效峰值加速 A0.3度和福建仪器地震烈度计算方法中的0.5秒持时对应的等 A0.5效峰值加速度。 2)地震动频谱参数 频谱参数是能够体现地震动频率特性的参数～本报告选取了反应谱峰值、有效峰值、谱烈度、均方根速度反应谱、反应谱均值等参数～介绍如下。 8 ,,00.050.10、、三种阻尼比下的加速度反应谱谱峰值PSA、速度反应谱谱峰值PSV何位移反应谱谱峰值PSD。 1978年美国应用技术委员会(ATC)编制的抗震设计样板规范(ATC-3)中采用的有效峰值速度EPA与有效峰值速度EPV来度量地震强度。有效峰值加速度与有效峰值速度的定义为: SaEPA, (1) 2.5 SvEPV, (2) 2.5 sa式中～为阻尼比为5%的加速度反应谱在周期0.1~0.5s sv之间的平均值,为阻尼比为5%的速度反应谱在1s周期附近的平均值。 阿尔亚斯强度(Arias Intensity)～其定义为: T,02Iatdt,，， (3) A,02g atT，，0式中～为地震动加速度时程,为加速度时程的持续 g时间,为重力加速度。 Housner谱烈度～其定义为: 2.51，，SI,ST,,dT (4) hv,0.12.4 S,vT式中～为周期,为阻尼比～通常取0或0.2,为阻尼 ,比为时的单质点弹性体系的相对速度反应谱。 Clough谱烈度～其定义为: 1.0，，SI,ST,,dT (5) cv,0.1 ,式中～通常取0、0.05和0.10。 9 Nau-Hall谱烈度～其定义为: 2.01，，SI,ST,,dT (6) nhv,0.2851.715 ,式中～通常取0、0.05和0.10。 Boatwright(2001)将周期在1s附近的速度反应谱的均 PSV方根值作为地震强度的度量～其定义为: 3.01222,,，，，，,，PSVPSVTPSVTdT (7) xy,0.32.7 PSVTPSVT，，，，xy式中～和表示地震动的两个水平分量的相 T对速度反应谱～是35个不等间隔的采样点～T取0.3,0.32,0.34～…～0.5,0.55,0.6～…～1.0,1.1,1.2～…2.0,2.2,2.4～…3.0秒。 袁一凡,1998,提出的地震烈度模糊判别法～该方法使用了4个有代表性的频率对应的反应谱值的平均值(分别记为PSAs和PSVs)参与烈度的统计分析～考虑到我国绝大部分建筑的自振频率的范围～4个频率在高频段取8Hz和5Hz～在低频段取1Hz和2Hz。 3)其他参数 CAV累计绝对速度～其定义为: tmax，，CAV,atdt (8) ,0 t，，atmax式中～为加速度时程～是记录的时间长度。 CAVS标准累计绝对速度～其定义为: NiCAVHPGAAatdt,,，，，， (9) ,Si0，，,,i1,i1 10 at，，N式中～为加速度时程～为加速度时程中不重叠的1 APGAi0i秒间隔的数量～为第秒的加速度峰值～为设定的阈值～ Hx，，通常取25gal～为单位阶跃 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 ～如下式所示: 00x,,Hx,，， (10) ,10x,, 日本学者Nakamura(1998)提出Destructive Intensity ,简称DI,的概念～通过计算地震动加速度(单位为gal)和速度(单位为cm/s)的内积来估计地震的危险程度。DI的定义为: DIav,,lg，， (11) ，，, av为加速度分量～为速度分量,DI表达的是“功式中～ 率”的概念。 arms均方根加速度～其定义为: 1/2T1，，2aatdt, (12) ，，rms,,,0T，， at，，T上式中～为加速度时程,为计算时所取的时间窗～通常用整个加速度时程的持续时间。 PGAc持续加速度峰值: 101caa,/，， (13) ,imax10i,1 PGAca, (14) cmax aamaxi式中～为加速度峰值,为加速度时程中最大的10个幅值。 11 t2atdt，，,0Husid(1969)提出用积分来定量表示地震动能量 at，，t随时间的增长。式中为地震动加速度记录时程,表示给 tT22Itatdtatdt,/，，，，，，,,00定的积分时段。其正规化的值可表示为～ It，，T式中为地震动总持时～是一个从0到1的函数。则90%能 TdTT,,TT2112量持时为～式中和由下式确定: (15) IT,0.05，，1 (16) IT,0.95，，2 加速度傅里叶谱峰值～其定义为:对加速度时程进行0.1~20Hz带通滤波后～进行傅里叶变换～将平滑后的傅里叶谱峰值作为AFFT作为加速度傅里叶谱峰值。 4)滤波频带的选取 对工程抗震而言～地震动的特性可以通过其三要素来描述～即频谱、幅值和持时。地震动的不同频率成分对各类建筑结构的影响程度不同。考虑到地震动的主要频率成分以及我国主要建筑结构的自振周期范围～本文在计算不同地震动参数时对强震记录进行了0.1~10Hz的带通滤波。 3.地震动参数与烈度的相关性分析 1)数据拟合方法 由于我国大陆地区获得的强震动记录有限～本文所用记录大部分分布在VI和VII度区～X度区只有一组强震动记录～XI度以上无强震动记录～造成了统计分析中数据的分布不均。如使用常规的最小二乘法进行回归分析～每个台站记录所占权重相同～其拟合结果主要由强震动记录较多的VI度区 12 和VII度区的数据控制～更高烈度区的数据难以起控制作用～因此～本文采用了以下的权重选取方法: 考虑到所有地震动参数与地震烈度之间的对应关系离散性较大～但地震动参数的均值与地震烈度具有良好的相关性～在选取权重时对每个烈度区域: PGAi? 取烈度区内区所有地震动参数值的均值, PGAPdi? 取烈度区所有地震动参数值与其均值的绝对 ,,,PGAPGAMean(PGA)IiIi差值, ? 统计时的权重为 1 ,，PGA1IiW,IiN (17) 1,,，PGA1,1jIj ,PGAIi式中分母加数值1是为了防止数值过小 2)不同地震动参数拟合结果 本文通过用最小二乘法24种地震动参数与地震烈度,VI度至X度,的回归公式。回归公式形式如下: (18) IaYb,，log()10 式中I为地震烈度～a～b为拟合系数～Y为不同地震动参数。 表2列举了与烈度相关性最好的10个地震动参数与烈度的相关系数。图2为参与本文统计的各地震动参数与烈度的相关系数和标准方差的对比直方图。 拟合结果显示～5%阻尼比的水平向速度反应谱均值PSVs及峰值速度PGV与地震烈度的相关性最好～相关系数均在0.7以上～峰值加速度PGA拟合结果较差～离散性较大。 13 表2 地震烈度与地震动参数拟合结果 地震动参数 相关系数 PSVs0.7025 PGV0.7001 PSAs0.6935 SI0.6903 c A0.6887 0.3 PSV0.6804 SI0.6795 h PGA0.6782 A0.6758 0.5 PGA0.6756 c 图2 不同地震动参数与烈度的相关系数及标准方差分布直方图 3)PGA和PGV拟合结果 14 考虑规程的易用性～拟采用PGA和PGV联合作为仪器地震烈度计算。地震烈度与PGA和PGV的拟合关系图如图3-8所示。其与中国烈度表以及美国ShakeMap仪器地震烈度的对比如图9-10所示。从图中可以看出本文计算烈度较ShakeMap方法计算结果偏高～与中国烈度表给定的参考值较为接近。 图3 地震烈度与三分向合成PGA关系(PGA单位gal) 图4 地震烈度与水平向合成PGA关系(PGA单位gal) 15 图5 地震烈度与单水平向PGA烈度关系(PGA单位gal) 图6 地震烈度与三分向合成PGV关系(PGV单位cm/s) 图7地震烈度与水平向合成PGV关系(PGV单位cm/s) 16 图8 地震烈度与单水平向PGV关系(PGV单位cm/s) 图9地震烈度与加速度峰值拟合关系与中国烈度表以及美国ShakeMap仪器地震烈度对比 17 图10地震烈度与速度峰值拟合关系与中国烈度表以及美国ShakeMap仪器地震烈度对比 4)仪器地震烈度计算 通过对比分析日本、美国、我国大陆地区以及我国台湾地区等多个国家和地区的地震烈度标准及相关的仪器烈度计算方法～并考虑到仪器烈度计算的易用性～选取PGA和PGV联合作为仪器烈度计算的特征参数。本文利用收集的汶川地震、芦山地震等发生在我国大陆地区的12次破坏地震共计139组强震动记录及宏观调查烈度资料～通过加权最小二乘法统计得到了PGA和PGV与宏观调查烈度间的经验公式如式(19)和式(20)所示～PGA的单位是m/s2～PGV的单位是m/s。比较公式的方差可以发现～仪器烈度计算时PGV参数比PGA参数更为稳定～且三分向合成的计算结果优于水平向合成和单水平分量的计算结果。 ,，,3.166log6.5911.036 PGAPGA三方向合成，， 10, IPGA,，,3.204log6.5921.058 PGA两水平方向合成，，(19) ,PGA10,，，3.228log6.8241.079 PGAPGA，,单水平方向10, ,，,3.004log9.7680.857 PGVPGV三方向合成，， 10, IPGV,，,2.964log9.7830.865 PGV两水平方向合成，，(20) ,PGV10,，，3.110log10.2070.927 PGVPGV，,单水平方向10, 18 本文利用收集的汶川地震序列、芦山地震等发生在我国大陆地区的411次地震中获取的共计11853组强震动记录～使用上文得到的PGA与PGV与烈度的经验公式分别进行了仪器地震烈度计算～并进行对比得到的结果如图10所示。由于使用的强震动记录来自不同的地震～包括小震、破坏性大震和特大地震等～记录的频谱特征差别较大～采用PGA和PGV计算的得到的仪器烈度值也随着地震震级以及震中距的不同～而呈现出不同的规律。考虑到小震近震中高频成分和大震低频成分对烈度的影响～在高烈度区,?VI,采用PGV计算烈度～在低烈度区,