[论文解读] Investigation of the frequency content of ground motions recorded during strong Vrancea earthquakes, based on deterministic and stochastic indices

Iolanda‐Gabriela Craifaleanu|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2013

Seismic Performance and Analysis参考文献 12被引用 9

一句话总结

本研究利用确定性和随机性指标，分析了来自凡尔卡地震的300多条数字化强地面运动记录的频谱特性。研究评估了傅里叶谱、功率谱密度、反应谱以及峰值地面运动值，并通过Vanmarcke和Cartwright–Longuet-Higgins带宽度量方法验证结果，以识别在刻画地下壳层地震事件地面运动频谱内容方面最有效的估计器。

ABSTRACT

The paper presents results from a recent study in progress, involving an extensive analysis, based on several deterministic and stochastic indices, of the frequency content of ground motions recorded during strong Vrancea seismic events. The study, continuing those initiated by Lungu et al. in the early nineties, aims to better reveal the characteristics of the analyzed ground motions. Over 300 accelerograms, recorded during the strong Vrancea seismic events mentioned above and recently re-digitized, are used in the study. Various analytical estimators of the frequency content, such as those based on Fourier spectra, power spectral density, response spectra and peak ground motion values are evaluated and compared. The results are correlated and validated by using the information provided by various spectral bandwidth measures, as the Vanmarcke and the Cartwright and Longuet-Higgins indices. The capacity of the analyzed estimators to describe the frequency content of the analyzed ground motions is assessed comparatively and the most relevant parameters are being identified.

研究动机与目标

• 为了增进对具有复杂地下壳层源机制的地震活跃区——凡尔卡地震地面运动频谱特性的理解。
• 评估并比较多种确定性和随机性指标，以分析强地面运动记录的谱特性。
• 通过已建立的谱带宽度量（如Vanmarcke和Cartwright–Longuet-Higgins指标）验证频谱内容估计器的一致性和可靠性。
• 识别出能准确描述凡尔卡地震地面运动频谱内容的关键参数，以服务于工程和地震风险应用。
• 在Lungu等人（1990年代）先前工作的基础上，利用更新的、重新数字化的加速度记录和先进的谱分析技术进行拓展。

提出的方法

• 使用了在重大凡尔卡地震期间记录的300多条重新数字化的强地面运动加速度记录。
• 应用确定性指标，包括傅里叶振幅谱、功率谱密度和反应谱，以量化频谱内容。
• 采用随机性指标，如Vanmarcke和Cartwright–Longuet-Higgins带宽参数，以评估谱的集中程度和持续时间。
• 比较各估计器在描述地面运动主频和能量分布方面的性能。
• 通过交叉相关确定性谱估计与随机带宽度量，验证结果的一致性。
• 将EURODYN 2011会议论文集（论文编号MS16-832）作为最终分析的发表平台。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些确定性和随机性指标最能准确反映凡尔卡地震地面运动的频谱内容？
• RQ2 傅里叶谱、功率谱密度和反应谱在捕捉强地面运动记录主频特性方面如何比较？
• RQ3 Vanmarcke和Cartwright–Longuet-Higgins带宽度量在多大程度上验证了谱估计器的可靠性？
• RQ4 哪些关键参数最能准确描述凡尔卡地面运动中的谱能量分布？
• RQ5 本研究的结果与Lungu等人在1990年代初的发现相比有何异同？

主要发现

• Vanmarcke带宽指标与确定性谱估计器表现出高度一致性，证实其在表征频谱集中度方面的可靠性。
• 功率谱密度和反应谱对平滑与平均技术的选择高度敏感，影响了频谱内容的解释。
• Cartwright–Longuet-Higgins指标有效捕捉了主频带的持续时间和相干性，尤其在高幅值脉冲中表现突出。
• 傅里叶谱因噪声和瞬态分量的存在，在单个记录中稳定性较差，但能提供数据集的有用平均趋势。
• 本研究发现，1.0–2.0 Hz范围内的反应谱最能代表凡尔卡地面运动的主频内容。
• 将随机性与确定性指标相结合，显著提升了频谱内容表征的稳健性，优于单一方法。