全非平稳地震动过程的概率模型及反应谱拟合

在强度调制函数基础上,发展了一类全非平稳地震动过程的时-频调制函数。结合平稳地震动过程的功率谱密度函数,建立了全非平稳地震动过程的演变功率谱模型,并根据建筑抗震设计规范确定了模型参数的取值。应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,生成具有完备概率的非平稳地震动加速度过程的代表性时程集合,进而计算代表性时程的平均反应谱。为保证计算平均反应谱与建筑抗震设计规范反应谱的一致性,建议了反应谱容许误差的双重控制准则,即平均相对误差和最大相对误差。研究表明,通过对演变功率谱的3次迭代修正,即可实现计算平均反应谱与规范反应谱拟合的目的,为应用结构随机动力学进行实际工程结构抗震设计提供了依据。     

与指定地震记录相关的非平稳地震动场的模拟

地震动的非平稳特性主要是由其相位差谱决定的,相位差谱与相位导数之间存在线性倍数关系。根据相位导数的计算公式,从能量的角度解释了相位导数的均值决定了时程峰值的大致发生时刻,相位导数的方差决定了强震段的持续时间。本文改进了均匀调制非平稳过程的相位导数概率密度函数计算公式中强度谱矩的计算方法,使之能够适用于一般非平稳时程。在模拟与指定地震记录相关的非平稳地震动场方法中,计算指定地震记录相位导数的概率密度函数,并按照这一概率密度函数生成其他各点的相位导数,得到其他各点的随机相位谱;然后采用基于功率谱表示的地震动场合成方法,利用快速傅立叶变换技术生成地震动时程。     

基于规范反应谱的全非平稳地震动过程模拟

在经典的两类演变功率谱模型基础上,建议了另两类全非平稳地震动过程的演变功率谱模型。为生成与规范反应谱一致的全非平稳地震动时程,将地震动加速度过程分解为两个独立的随机过程,其一为已知演变功率谱的全非平稳地震动过程,其二为修正的非平稳地震动过程。对于第一个随机过程,应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,即可生成代表性时程集合及其平均反应谱。对于第二个随机过程,其演变功率谱是由调制函数和功率谱密度函数组成,而功率谱密度函数则由第一个随机过程的平均反应谱与规范反应谱的拟合误差计算得到。通过对第二个随机过程演变功率谱的修正,可使合成后的全非平稳地震动过程的平均反应谱与规范反应谱拟合一致。最后,算例验证了此方法的有效性和实用性。     

地震加速度反应谱拟合的直接法研究

本文研究地震动加速度时程的反应谱拟合方法,通过给定地震动加速度时程的三角级数表达式,从理论上推导了响应的直接计算公式,与传统的反应谱拟合方法相比,本文所给的方法无须进行功率谱转换及迭代运算即可直接生成拟合目标反应谱的地震动加速度时程,因此,具有计算量少和计算精确简便的特点,所给算例表明该方法具有较好的拟合精度。     

基于正交化HHT和随机相位模拟非平稳随机过程

模拟非平稳随机过程已经成为工程中经常遇到的情况,使非平稳过程的大量模拟样本具有相同的统计特性并不容易。基于样本记录正交HHT变换的Hilbert谱提出了非平稳随机过程的模拟方法。首先,利用正交化方法对IMF分量进行处理,避免了传统EMD分解造成的能量泄漏。第二步,把样本的Hilbert谱均值作为随机过程的目标Hilbert谱,通过引入随机相位进行非平稳随机过程的仿真,并且给出了随机过程的统计特性函数。通过对低频地震动记录和高频地铁振动记录的模拟算例表明,模拟的非平稳过程样本与原记录在时频分布上非常接近,具有相同的统计特性。     

长周期结构相对位移反应谱研究

在对长周期结构进行抗震设计时,或采用基于位移的性能设计方法进行结构设计时,或采用各种结构控制技术对结构进行减隔震设计时,需要用到相对位移反应谱,而目前各国规范给出的一般都是某种标准化的绝对加速度反应谱。本文指出了国内外目前在用的部分规范提出的长周期反应谱存在的问题,采用80条高通低截止频率（0.025~0.125 Hz）、加速度峰值≥0.10 g的水平向强震记录,计算了周期0~10 s、阻尼比0.10~0.40的相对位移反应谱,研究了位移谱的影响因素及控制参数,建立了考虑震源参数、地震动幅值特性、场地条件、谱控制参数、阻尼比调整系数的可供长周期结构设计使用的弹性相对位移谱,给出了实用化计算公式及地震动位移峰值。结果表明,相对位移谱卓越周期是控制位移谱谱值及形状的重要参数;本文研究得到的相对位移谱能较好地拟合实际相对位移谱。     

基于数字滤波技术拟合规范反应谱的地震动研究EI北大核心CSCD

在重要结构的抗震设计与分析中,常需要输入拟合设计反应谱的地震动时程。该研究提出一种基于数字滤波技术调整天然地震动记录拟合规范反应谱的方法,以设计谱频率控制点为中心确定频带数目与范围,针对各个频带利用无限冲激响应数字滤波器对强震动记录时程开展带通滤波,并以滤波所得频带分量为基函数重构地震动时程;以重构时程为种子时程,引入影响矩阵方法开展迭代计算逐步调整频带分量的幅值向量,直至时程反应谱与目标谱的拟合精度满足要求为止。选取3个不同类型设计谱为目标谱分别开展拟合计算,结果表明:该方法分解并重构的地震动时程与天然强震动记录在时域和频域的重合度均较高;可与不同设计谱实现高精度拟合,时程反应谱迭代收敛性好,且能较好地保留时程非平稳性,可为工程结构抗震设计与分析提供合适的地震输入。     

一种时频非平稳人造地震动的生成及反应谱拟合方法

本文从数学角度介绍了相位差谱影响地震动非平稳性的机理,及结合大量实际地震波的统计数据,得到了相位差民地震特性参数之间的统计关系（只限其岩情况）,同时给出了基于相位差谱的地震动人工生成及反应谱拟合的方法与步骤。最后,通过对计算实例的分析,证实了此方法能够反映模拟实际地震动的时－频非平稳性。     

空间地震动场的相干性研究

摘 要 地震动的空间变化受震源破裂过程、传播途径和场地条件等因素影响,目前地震动场的相干性研究大多是用台阵实测数据,不具有普适性。本文采用震源位错模型,利用数值方法模拟均匀单一介质随机地震动场的理论地震图,通过对大量计算数据的分析,研究地表地震动场的空间相干性。分析结果表明：本文数值模拟结果所反应的地震动空间相干性规律与实测数据所反应的规律基本吻合,表明本文分析方法和模型的合理性。同时空间地震动场相干性随地震波的传播方向存在各向异性,断层走向是空间地震动场相干性的重要影响因素。本文方法是对地震动场相干性具有普适性的一个尝试。     

近断层长周期脉冲型地震动对竖向反应谱影响研究

长周期大幅值脉冲运动是近断层地震动的重要特征,也是引起结构震害的重要因素。在既有的地震动数据库基础上,筛选建立了长周期脉冲型记录的统计样本库,并构建了地震动特征参数的回归关系式。针对竖向反应谱,深入分析了竖向分量与水平向分量的加速度反应谱比值随脉冲周期和结构自振周期的变化规律,结果表明反应谱比值显著大于现行规范取值,进而采用分段线性化方法,建立了竖向反应谱比值随脉冲周期、自振周期变化的简化关系式,并对影响竖向反应谱曲线各拐点周期的特征比值进行统计分析,拟合得到了其随震级和断层距的衰减模型。     

Evaluation of earthquake ground motions by empirical analysis

Abstract

The design ground motion is based on the seismicity and geologic conditions at the site and expressed in such a manner that it can be applied to the dynamic analysis of structures. For the seismic analysis of safety‐related structures, design ground motions are made based on the evaluation of earthquake ground motion by empirical analysis, of which some important features are discussed in the present study: (1) Develop reasonable peak ground acceleration attenuation form for the Taiwan area. The proposed attenuation forms take into account the PGA level at the near‐field which compensates for the insufficiency of the available data base. (2) Generation of spectra compatible time history with multiple damping. By simultaneously matching several spectral curves for different dampings, the conservatism in design based on a single damping spectrum‐enveloping accelerogram, especially for low damping values, may be substantially reduced. (3) Development of a minimum requirement for the power spectral density function, which is a secondary requirement to prevent the design ground motion from encountering severe power deficiency.     

Non-stationary stochastic vector processes: seismic ground motion applications

A spectral-representation-based simulation algorithm is used in this paper to generate sample functions of a non-stationary, multi-variate stochastic process with evolutionary power, according to its prescribed non-stationary cross-spectral density matrix. If the components of the vector process correspond to different locations in space, then the process is also non-homogeneous in space (in addition to being non-stationary in time). The ensemble cross-correlation matrix of the generated sample functions is identical to the corresponding target. For the important application of earthquake ground motion simulation, an iterative scheme is introduced to generate seismic ground motion time histories at several locations on the ground surface that are compatible with prescribed response spectra, correlated according to a given coherence function, include the wave propagation effect, and have a specified duration of strong ground motion. Three examples involving simulation of earthquake ground motion are presented in order to demonstrate the capabilities of the proposed methodologies. In the first two examples, acceleration time histories at three points on the ground surface are generated according to a prescribed cross-spectral density matrix, while in the third example, the acceleration time histories are generated to be compatible with prescribed response spectra.     

近断层速度脉冲对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响

在加速度反应谱一致的前提下,研究了近断层速度脉冲的工程特性。首先,构造两组加速度反应谱一致的地震动时程:第一组时程为实际强震观测记录且含有明显的速度脉冲;第二组时程为以第一组时程的反应谱为目标谱合成的模拟地震动时程,在合成过程中,利用窄带时程叠加法,通过控制峰值速度可以使得这些时程不再含有速度脉冲。其次,通过分析钢筋混凝土框架结构在这两组输入地震动作用下动力响应的差异,研究了在加速度反应谱一致的前提下,速度脉冲对结构地震反应、尤其是弹塑性地震反应的影响。分析结果表明:对于层剪力、层间位移、各层最大位移等结构动力响应参数,当结构地震反应进入弹塑性阶段后,与不含速度脉冲地震动作用下的反应相比,在含有速度脉冲的地震动作用下,结构的反应有较大幅度的增大,尽管这两组输入地震动的加速度反应谱相同;在这种情况下,加速度反应谱将不能充分地体现出速度脉冲对结构地震反应的影响。     

圆高强钢管UHPC梁抗弯性能研究

以含钢率和套箍系数为参数,开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验;而后,采用已验证的有限元模型,对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明,高强钢管UHPC梁发生延性破坏,组合截面满足平截面假定,受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管,高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加,钢管混凝土梁达抗弯承载力时,中性轴趋近截面中线,受拉区钢管应力减小,受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现,对于高强钢管UHPC梁而言,现有中国规范GB50936?2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题,为此该文提出了新实用计算方法。     

基于中国规范的近断层区竖向抗震设计谱研究

针对近断层区结构抗震设计缺乏专门竖向抗震设计谱的现状,以近断层竖向地震动为研究对象,基于《建筑抗震设计规范》,开展近断层区竖向抗震设计谱的研究。选取198条近断层脉冲型地震动的竖向分量,分析得到实际近断层地震动竖向反应谱,将计算得到的反应谱与中国抗震规范中的近断层竖向设计谱进行了对比。研究结果表明,中国抗震规范未充分考虑近断层竖向地震动的特点,表现为部分周期段上规范设计谱的谱值小于实际近断层竖向地震动反应谱,难以保证近断层区结构具有足够的抗震安全性。根据近断层竖向地震动的分析结果,基于中国抗震规范设计谱的基本形式,提出了谱值放大系数取1.5、特征周期下限取0.40 s(多遇地震)和0.45 s(罕遇地震)及减小曲线下降段衰减系数的修正方法。该竖向抗震设计谱工程应用简便,可为近断层区的结构竖向抗震设计提供参考。     

海底与陆地地震动反应谱比定量分析

为了研究海底地震动与陆地地震动反应谱统计特性的差异,选取日本相模湾地区K-net的922组海底地震动记录和KiK-net的4 599组陆地地震动记录,通过对海底与陆地地震动标准化弹性加速度反应谱以及弹塑性反应谱的对比分析表明:弹性反应谱的海陆谱比变异较小,平均值可作为定量对比关系;当周期小于0.5 s时海域与陆地地震动...     

基于PCA及PSO智能算法的地震动合成方法——以中国西部中强地震为例

地震动数值模拟方法可为地震危险性评估和结构抗震设计和评估提供地震输入,但是由于地震动模拟参数的不确定性以及模拟技术的局限性,模拟的地震动与目标地区的实际地震动特征可能存在较大差异。随着区域强震观测数据的增多,应考虑将目标区域的实测地震动特征融合到模拟的地震动中,以体现该区域地震动的特征。但是目前尚无成熟、合理的基于目标地区实际地震动合成设计地震动的方法。为了解决此问题,该文采用机器学习中的智能算法结合区域实际观测记录合成地震动时程。基于主成分分析算法从庞大的目标区域地震动数据库中提取表征本区域地震动特征的母波,采用合理的地震动模型构建区域地震动目标谱,再应用粒子群算法快速求解地震动的母波组合系数,使加权得到的反应谱与目标谱匹配,最终使得合成的地震动既满足目标谱的频谱特征、又符合本地实际地震动的时频特征。基于该文提出的方法,以中国西部地区的强震数据为基础,验证了方法的可行性和有效性,为考虑区域差异特征的地震动合成提供了新的思路和方法。     

考虑场地土参数随机性和相关性的地震动降维模拟

为了考虑场地条件对地震动特性的影响,在非平稳地震动过程的演变功率谱模型中,选择场地土参数作为随机变量,并构造了相应的随机函数形式.建议的随机函数表达不仅能够反映场地土参数的随机性及参数之间的相关性,而且能够直接利用场地土参数的均值、变异系数和相关系数等数字特征来获得其概率分布.同时,利用随机函数的降维思想,建议了基于非...     

非负矩阵分解在地震作用下结构随机响应分析中的应用

地震动作为一类典型的非平稳随机过程可由演变谱刻画其能量的时-频分布。然而,演变谱的时-频耦合特性却限制了经典谱表示法的模拟效率。为提高非平稳地震动模拟效率,简化非平稳地震作用下结构随机响应分析,提出了基于非负矩阵分解(nonnegative matrix factorization,NMF)的地震动演变谱解耦方案,使结构在非平稳地震作用下的响应计算简化为各项均匀调制激励下的结构随机响应叠加。分析结果表明,基于非负矩阵分解的地震动演变谱解耦具有良好的精度,快速傅里叶变换技术的引入提高了经典谱表示法的模拟效率,模拟样本自相关函数与目标值吻合良好,非平稳地震作用下结构随机响应频域分析得到简化。