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利用深度学习与物理特征预测仪器地震烈度

地球物理学报 2024年第7期67卷 2712-2728页

作者：郑周林彬华金星于伟恒李军韦永祥王士成李水龙周施文中国地震局工程力学研究所哈尔滨150088 福建省地震局福州350003 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150088

快速准确地预测记录台站的仪器地震烈度,并在地震预警过程中向潜在用户提供及时和准确的警报至关重要.本文提出了一种结合深度学习和物理参数特征的算法,用于更可靠地预测仪器地震烈度.收集并处理了2001—2021年日本K-NET和KiK-net强震... 详细信息

快速准确地预测记录台站的仪器地震烈度,并在地震预警过程中向潜在用户提供及时和准确的警报至关重要.本文提出了一种结合深度学习和物理参数特征的算法,用于更可靠地预测仪器地震烈度.收集并处理了2001—2021年日本K-NET和KiK-net强震仪台网记录的3386次地震事件作为研究样本.对这些地震事件进行截取、基线校正、质量筛选等预处理,共得到25714条三通道地震波形.使用18000条地震记录(90%训练,10%验证)构建了一个窗长为3秒的仪器地震烈度预测模型(CNN-PP),并对7714条地震记录进行了测试.结果表明,CNN-PP模型在预测仪器地震烈度方面优于传统的单一特征参数方法.此外,离线震例测试结果显示,CNN-PP模型的报警成功率达到95.03%,没有出现误报情况,为解决地震预警仪器地震烈度的测定提供了一种潜在方法.

关键词：地震预警仪器地震烈度深度学习卷积神经网络物理参数特征

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区域土特征函数:收敛性

岩土工程学报 2024年第1期46卷 26-34页

作者：袁晓铭卢坤玉李兆焱陈卓识吴晓阳中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150800

无论从一个地区内建立N-s_(v)关系曲线的工程应用角度还是作为区域土特征理论的必要组成部分,构建科学的N-v_(s)函数所需的数组量都是重要问题,但以往研究为空白。采用实测数据的随机分析,研究不同样本数量下N-v_(s)特征函数的稳定性和... 详细信息

无论从一个地区内建立N-s_(v)关系曲线的工程应用角度还是作为区域土特征理论的必要组成部分,构建科学的N-v_(s)函数所需的数组量都是重要问题,但以往研究为空白。采用实测数据的随机分析,研究不同样本数量下N-v_(s)特征函数的稳定性和收敛性,并提出构建不同精度N-v_(s)特征函数的数组阈值。实测数据来源于4个国家9个地区,共11个工况,对此分别进行随机分析的结果表明,随样本数量增加,N-v_(s)特征函数具有稳定性与收敛性。研究表明,一个地区内取N-v_(s)数组超过50,100,200和800,则可分别得到变异系数小于0.2,0.15,0.10和0.05的N-s_(v)特征函数。

关键词：区域土特征函数 N-v_(s)特征函数 N-v_(s)数组收敛阈值

方向性效应对2022年四川泸定MS6.8地震主余震长周期地震动的影响

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地球物理学报 2024年第7期67卷 2683-2696页

作者：张峻杰马强解全才林德昕陶冬旺中国地震局工程力学研究所哈尔滨150080 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150080 地震灾害防治应急管理部重点实验室哈尔滨150080

2022年四川泸定MS6.8地震主震是一次较为典型的近垂直断层走滑型地震,为研究地震动强度的方向性效应,本文利用震中距100km范围内121台强震仪和地震烈度仪的加速度记录,与中国西南地区衰减模型的预测结果进行了对比,利用谱加速度残差的... 详细信息

2022年四川泸定MS6.8地震主震是一次较为典型的近垂直断层走滑型地震,为研究地震动强度的方向性效应,本文利用震中距100km范围内121台强震仪和地震烈度仪的加速度记录,与中国西南地区衰减模型的预测结果进行了对比,利用谱加速度残差的分布对长周期地震动进行了分析,并与两次震源机制不同的余震进行了对比.结果表明:泸定主震的方向性效应明显,在周期T=1.5~3 s,东南向的向前放大效应显著;在周期T=0.5~1.5 s,西北向的向后方向削弱效应显著;方向性效应在倾滑型的余震中没有明显体现;不同走滑型地震的方向性效应在不同周期体现不同,泸定主震在T=0.5~4 s的方向性效应较其他长周期段更大,对比2022年的马尔康系列地震和2016年日本熊本地震,前者分别集中在T=2 s和3~6 s,后者方向效应随周期增大而增大.

关键词：震源机制长周期特性方向性效应泸定地震

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基于LSTM网络的单台仪器地震烈度预测模型

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地球物理学报 2024年第2期67卷 587-599页

作者：李山有王博睿卢建旗王傲张海峰谢志南陶冬旺中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150080 地震灾害防治应急管理部重点实验室哈尔滨150080

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... 详细信息

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.

关键词：地震预警时间序列特征 LSTM神经网络仪器地震烈度预测

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基墩高度对强震动记录的影响及应用研究

地球科学 2024年第2期49卷 414-424页

作者：周宝峰宋泉任叶飞温瑞智陈相兆中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室地震灾害防治应急管理部重点实验室黑龙江哈尔滨150080

强震动观测的加速度仪通常是固定安装在一定高度的混凝土基墩上,不能完全反映理想自由场地的地震动.为研究基墩高度对于强震动记录的影响,设计了3种高度不同、截面尺寸相同的基墩,通过地震模拟振动台实验,以基岩记录作为地震动输入,分... 详细信息

强震动观测的加速度仪通常是固定安装在一定高度的混凝土基墩上,不能完全反映理想自由场地的地震动.为研究基墩高度对于强震动记录的影响,设计了3种高度不同、截面尺寸相同的基墩,通过地震模拟振动台实验,以基岩记录作为地震动输入,分析基墩高度对于强震动记录的时频特性影响,并结合数值模拟进行了验证,同时对泸定地震51SMM台站记录通过滤波修订到标准基墩.研究结果表明:不同高度基墩,对于水平向PGA、PGV、PGD影响整体随着高度增大而增大,对于垂直地震动,PGA与PGV幅值均缩小;与其他频带相比,0.5~7 Hz范围内的傅里叶幅值谱,0.6 m和1.2 m高的基墩影响较小,2.0 m高的基墩影响最大;高度较小基墩对反应谱影响较小.通过以上实验表明滤波修订不同高度的基墩效果较好,在代码为51SMM强震动台站记录中得到较好应用,同时应避免采用高度超过1.2 m的基墩用于强震动观测.

关键词：强震动记录振动台试验基墩傅里叶幅值谱记录校正天然地震

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跨走滑断层简支梁桥模型试验研究

东南大学学报（自然科学版） 2024年第3期54卷 513-523页

作者：谢礼立陈睿致徐龙军刘秒中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150080 江汉大学精细爆破国家重点实验室武汉430056

为了探究简支梁桥在地震(活动断层)作用下反复出现的落梁震害的发生原因及其破坏模式,根据试验功能和模型参数需求,设计制作了一套能够模拟断层两盘间产生相对三维运动的试验装置.以跨越走滑断层的简支梁桥为研究对象,通过模型试验研究... 详细信息

为了探究简支梁桥在地震(活动断层)作用下反复出现的落梁震害的发生原因及其破坏模式,根据试验功能和模型参数需求,设计制作了一套能够模拟断层两盘间产生相对三维运动的试验装置.以跨越走滑断层的简支梁桥为研究对象,通过模型试验研究了其在断层作用下的损毁过程,分析了落梁破坏特征和结构失效模式.结果表明:支座布置显著影响落梁行为,主梁移动、倾斜等过程会加剧桥墩损伤,并可能诱发桥梁的进一步垮塌;断层错动引起土体挤压效应,导致近断层区土压力普遍上升,边跨区土压力变化较小,桩基不同深度土压力变化呈现特定顺序.试验所得数据和结论能够为后续研究提供试验参考,有助于指导未来抗震设计和结构的断层适应性设计.

关键词：跨断层桥梁活断层试验装置桥梁支座倒塌分析

海底长周期地震动预测模型:以日本相模湾海域为例

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振动与冲击 2024年第5期43卷 188-201页

作者：田浩胡进军谭景阳靳超越刘名吉中国地震局工程力学研究所哈尔滨150080 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150080 华中科技大学土木与水利工程学院武汉430074

地震动反应谱预测模型是地震危险性分析的基础,基于日本K-NET台网相模湾地区的892组海域地震动数据和4 033组陆域地震动数据,考虑震级、震源距、震源深度以及震源类型和场地,建立了PGA和0.05~15.0 s的海域地震动加速度反应谱预测模型。... 详细信息

地震动反应谱预测模型是地震危险性分析的基础,基于日本K-NET台网相模湾地区的892组海域地震动数据和4 033组陆域地震动数据,考虑震级、震源距、震源深度以及震源类型和场地,建立了PGA和0.05~15.0 s的海域地震动加速度反应谱预测模型。通过残差分析以及相关性分析检验了模型的合理性,并分析了震源类型以及震源深度对反应谱的影响,对比了海陆地震动预测模型的差异。结果表明:震源类型以及震源深度对模型预测结果影响显著,水平向海域模型以及长周期(T≥1.0 s)竖向海域模型所预测反应谱大于陆域模型所预测的反应谱值,且水平向和长周期竖向模型的场地放大系数均大于1。该模型可为长周期海域地震动模型的建立和概率地震危险性分析提供参考,为长周期海域工程的抗震设防提供依据。

关键词：海域地震动长周期地震动预测模型随机效应模型海域工程

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基于信息度量的地震动参数优化选择方法

振动与冲击 2024年第15期43卷 86-94,159页

作者：祝柏杨刘金龙林均岐中国地震局工程力学研究所哈尔滨150080 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150080

地震动参数(intensity measures, IM)的选择是地震易损性分析的重要环节。合适的IMs应具有良好充分性和效率性,以更好地反映地震动的破坏能力,获得更为可靠的易损性分析结果。为此,该文提出了一种基于信息度量的地震动参数优化选择方法... 详细信息

地震动参数(intensity measures, IM)的选择是地震易损性分析的重要环节。合适的IMs应具有良好充分性和效率性,以更好地反映地震动的破坏能力,获得更为可靠的易损性分析结果。为此,该文提出了一种基于信息度量的地震动参数优化选择方法。该方法利用互信息和相对熵度量作为IM选择的通用指标,结合前向选择算法在一到多维空间中高效地定位最优的IM。为了验证所提方法的有效性,在一组简支梁桥上进行了分析和讨论,并与传统的充分性和效率性分析方法进行了对比。结果表明,基于所提出方法所选择的IMs能同时满足充分性和效率性要求;较传统方法而言,所提出的方法不依赖概率地震需求模型的选择且不需要进行繁琐的条件独立性比较,具有高效普适的优势,有着良好的应用前景。

关键词：地震易损性地震动参数(IM) 优化选择互信息相对熵

地震烈度仪对卷积神经网络模型地震预警震级估计的影响

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哈尔滨工业大学学报 2024年第6期56卷 81-90页

作者：朱景宝宋晋东李山有地震工程与工程振动重点实验室(中国地震局工程力学研究所) 哈尔滨150080 地震灾害防治应急管理部重点实验室哈尔滨150080

为探索地震烈度仪对卷积神经网络模型地震预警震级估计的影响,以2022年中国发生的5次破坏性地震(M_S≥5.8)为例,将地震数据应用到卷积神经网络震级估计模型中,分析引入烈度仪地震数据后的震级估计。结果表明:在P波到达后3 s,烈度仪和强... 详细信息

为探索地震烈度仪对卷积神经网络模型地震预警震级估计的影响,以2022年中国发生的5次破坏性地震(M_S≥5.8)为例,将地震数据应用到卷积神经网络震级估计模型中,分析引入烈度仪地震数据后的震级估计。结果表明:在P波到达后3 s,烈度仪和强震仪的单台震级估计误差主要分布在±1震级单位范围内;对于震中距100 km以内的数据,在P波到达后10 s内,与强震仪相比,烈度仪震级估计误差均值更接近0;对于信噪比小于20的数据,强震仪震级估计误差均值比烈度仪的震级估计误差均值更接近0,且烈度仪有更大震级估计误差的不确定度。此外,对于这5次地震,与强震仪相比,烈度仪的数量更多、分布更密,引入烈度仪地震数据后,卷积神经网络模型更快地获得鲁棒的震级估计。研究结果为地震烈度仪在卷积神经网络震级估计模型中的适用性提供了依据,也为地震预警系统震级估计提供参考。

关键词：地震预警卷积神经网络震级估计地震烈度仪破坏性地震