基于功率谱矩阵开方分解的空间相关多点地震动合成方法

基于前人对多点地震动合成方法的研究,提出了一种多点地震动的合成方法。该方法基于复功率谱矩阵的开方分解,将复功率谱矩阵分解为一个Hermite 矩阵与其共轭转置矩阵的乘积,并给出了基于此分解的考虑空间相关性并满足功率谱矩阵的幅值谱和相位谱的求解公式。此外,在合成功率谱矩阵时还考虑了空间各点地震动自功率谱谱强度的变化,以使得合成的多点地震动更好地适用于大跨度结构物的多点输入分析。     

多阻尼比设计反应谱的非平稳地震动场拟合

采用频域调整方法生成与设计反应谱相吻合的地震动,并利用解析迭代方法计算地震动的反应谱,提出了迭代计算的收敛准则。在相关地震动场模拟方法中,将相位差谱的统计模型引入空间相关非平稳地震动场的模拟方法之中,利用快速傅里叶变换技术生成地震动场。将设计反应谱的地震动拟合与非平稳地震动场的合成结合在一起,解决了多阻尼比设计反应谱的非平稳地震动场拟合问题。     

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,建议了基于非确定性谱幅值(NSA)的降维模拟方法,该方法能够同时考虑地震动幅值和相位的随机性,并结合数论方法生成不同场地类别的地震动加速度代表性时程集合。算例表明:场地土参数的随机性和相关性对地震动加速度时程的强度、频率非平稳特性以及频率成分等方面有较大影响。最后,与实测强震动的加速度反应谱以及Fourier幅值谱的比较,进一步验证了模拟方法的工程适用性。     

工程地震动随机功率谱模型的分析与改进

地震动模型的多样化增加了工程应用中地震动输入的选择机会,同时也增大了选择的难度。首先对常用的地震动功率谱模型进行了系统综述,提出地震动功率谱模型应满足地震动过程能量有限和零频含量为零的基本条件,对比分析了9种常用随机功率谱模型的滤波特性和能量有界性,结合地震动功率谱模型的基本要求,给出了建议的地震动功率谱模型,并对其合理性进行了分析。     

空间多点人工地震动幅值收敛性研究EI北大核心CSCD

在空间相关性人工地震动生成中,计算的繁杂和局部场地收敛性与幅值收敛性之间存在的矛盾,是时域合成法中的两大主要问题。为了简化计算,同步实现局部场地及地震动幅值的双重收敛性,在对相位角分布进行深入研究的基础上,构建了空间多点人工地震动幅值收敛因子,并采用虚实分离法来分解功率谱矩阵。结果表明,该方法生成的多点人工地震动计算快速,且幅值稳定收敛。     

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。     

匹配多目标参数的地震动合成方法

地震动合成方法可为结构抗震设计和评估提供人工地震动时程,目前合成方法一般仅满足与目标谱的匹配,只考虑了地震动的频谱和幅值因素,并没有考虑地震动的持时特征.为了合成与目标区域地震动三要素相匹配的地震动时程,提出了一种应用机器学习合成地震动的方法.该方法应用基于数据驱动的主成分分析方法,从目标区域实际地震动数据库中提取用于...     

人工模拟爆破震动信号及其频谱特性检验

对人工模拟爆破震动信号的合成进行了研究 ,并采用了功率谱和反应谱分析方法对合成信号的模拟程度进行相关性检验。在合成模拟信号时 ,首先采用某一已知爆破振动加速度信号的反应谱来初步计算出将要模拟的爆破震动信号的功率谱并将其作为目标谱 ,然后在所需研究的谱率范围内产生一定数量的均匀分布随机数来作为模拟爆破震动信号的频率。在假设爆破震动信号由不同频率的谐波函数组成的基础上 ,通过将不同频率的谐波函数叠加来初步合成模拟爆破震动波 ,同时用振幅窗函数对它进行振幅校正 ,然后对合成信号与原信号进行功率谱值与反应谱值的相关性检验。编程计算证明 ,由本文提出的合成信号方法及检验方式来模拟爆破震动信号是可行的。     

人工模拟爆破震动信号及其频谱特性检验

对人工模拟爆破震动信号的合成进行了研究 ,并采用了功率谱和反应谱分析方法对合成信号的模拟程度进行相关性检验。在合成模拟信号时 ,首先采用某一已知爆破振动加速度信号的反应谱来初步计算出将要模拟的爆破震动信号的功率谱并将其作为目标谱 ,然后在所需研究的谱率范围内产生一定数量的均匀分布随机数来作为模拟爆破震动信号的频率。在假设爆破震动信号由不同频率的谐波函数组成的基础上 ,通过将不同频率的谐波函数叠加来初步合成模拟爆破震动波 ,同时用振幅窗函数对它进行振幅校正 ,然后对合成信号与原信号进行功率谱值与反应谱值的相关性检验。编程计算证明 ,由本文提出的合成信号方法及检验方式来模拟爆破震动信号是可行的。     

覆水效应的地下相干函数与相变V形峡谷多点地震动模拟及其特征规律

引入覆水效应和相变特征地下相干函数模型并导出其显式表达式，探讨归纳了该模型相干性的变化规律，并从物理本质上予以解释。依据场地散射频域理论解，得到目标场地的传递函数，联立本文提出的地下相干函数，构造出半覆水相变V形峡谷场地的地下功率谱矩阵，生成地下多点地震动时程，通过功率谱和相干函数拟合，验证了模拟结果的可靠性与合理性，分别对比分析了本文提出的相干函数与覆水深度对地震动的影响。以一座连续刚构桥为例，重点分析了地下相干函数与峡谷覆水深度对结构内力的影响。结果表明：引入覆水效应后，多点地震动间相干性表现增强，覆水区地震动减小，其原因在于对应P波的部分能量被传递至水中；地震动和地震响应大小与覆水深度呈负相关，距覆水区越远，受到覆水深度的影响越小。     

典型铁路梁桥抗震设计地震动破坏势排序

输入地震动的选取是桥梁抗震分析中的重要环节,不同的输入地震动引起的桥梁结构反应有显著差异。为了对铁路桥梁抗震设计地震动的选择提供定量依据,将"最不利设计地震动"的概念拓展并应用到桥梁抗震领域,研究典型铁路梁桥在不同地震动作用下的结构响应,得到基于结构相应参数的输入地震动破坏能力排序。首先确定了桥梁地震动输入以及评价指标,使用OpenSees对桥墩模型输入大量地震动记录进行有限元分析,通过调幅手段研究幅值与单一参数的关系,并引入颜色映射理论研究幅值与多参数的关系。研究表明:(1)当较低幅值地震动作用在结构上时,结构的地震响应与第一周期反应谱值相关性最好;(2)随着幅值的增加,结构周期增长,地震响应与更长周期反应谱值以及速度、位移参数、持时参数等的相关性会逐步提高;(3)通过动力时程计算并对墩顶位移进行比较,给出了模型在设定地震作用下的排序,结果可为相关桥梁结构的输入地震动选取提供参考。     

A study on the stochastic characteristics of earthquake response spectra in seismic hazard analysis

Abstract

For the purpose of establishing seismic design criteria for engineering structures, it is desirable to assess the expected intensity of seismic strong ground motion at a site for various probability levels (i.e., Seismic Hazard Analysis). In order to consider the seismic hazard at a site, the predictive equations of ground motion are needed. A number of predictive relationships derived from regression analysis of strong‐motion data are available for horizontal peak acceleration, response spectral value, and Fourier amplitude value. Of the earthquake data recorded in the Taiwan area, the “rock site” data are chosen for the determination of ground motion parameters. By using the predictive equation of peak ground acceleration, the seismic hazard curve at a site can be calculated, and by using the model of spectral acceleration attenuation, the uniform hazard spectrum is developed. Finally, by using the proposed Fourier amplitude attenuation model and the mathematical theory of the maximum response of a single‐degree‐of‐freedom linear system, the non‐exceedance probability of the earthquake response spectrum at a site at a certain lifetime can also be developed. Comparisons between the effects of different ground motion parameters on the results of seismic hazard analysis are made.     

地震动空间变化对高压输电塔线体系地震反应的影响

通过数值模拟研究了地震动空间变化对高压输电塔线体系地震反应的影响。建立了输电塔线耦联体系三维有限元模型,考虑了输电线的几何非线性特征;在考虑地震动的行波效应、部分相干效应和局部场地效应以及多维性基础上,依据功率谱密度函数、相干函数和《电力设施抗震设计规范》模拟了空间变化地震动时程;分别研究了地震动空间变化的行波效应、部分相干效应和局部场地效应对输电塔线体系地震反应的影响。研究结果表明,地震动空间变化对输电塔线体系地震反应影响显著,忽略这些因素将会低估结构的反应。因此对于输电线路实际工程的抗震设计,需要考虑地震动空间变化效应的影响。     

A stochastic ground motion model for the urban environment

Nowadays stochastic ground motion models used for the seismic analysis and design of structures take into account the soil deposit only, disregarding the presence of existing buildings nearby. However, it is well known that ground motion in urban environment is modified by the presence of buildings, mainly due to the radiation energy emitted from a vibrating structure in the soil that alters the seismic free field motion. This study is a first attempt to propose a stochastic ground motion analytical model able to take into account the influence of the urban environment. A simplified discrete model is developed so to consider the influence of the radiated wave field into the free field ground motion. Comparison in terms power spectral density functions and peak ground acceleration determined from the proposed ground motion model and those determined through conventional approaches are carried out. Numerical results clearly show the efficiency of the proposed model to capture this complex phenomenon in the stochastic seismic analysis of structures by improving the accuracy of the estimation of the peak response of above 30% . Limits of the proposed formulation are also discussed.     

小比例柱面网壳振动台试验及动力响应概率模型

针对单层网壳实验费用高、周期长及地震变异性大等问题,开展了一小比例单层柱网壳振动台试验模型试验,并基于该模型试验统计了考虑地震动变异性时单层柱面网壳的动力响应概率模型。参考孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法制作了一小比例单层柱面网壳模型;在此基础上,分别选用TAFT波、人工地震波和简谐波对该单层柱面网壳模型开展一系列振动台试验研究,包括弹性阶段的动力特性测试和弹塑性状态下的动力倒塌测试;立足于现场实测数据,基于通用有限元分析软件ABAQUS建模、并开展相应数值仿真分析,总结分析单层柱面网壳模型动力特性与破坏特征;基于40组动力实测数据研究地震变异性对单层柱面网壳动力特性的影响,并初步拟合出地震动变异性与该结构动力响应的概率模型。该研究对开展系列单层网壳振动台试验定性研究及空间网壳结构抗震规范的修订提供参考。     

人造地震动反应谱拟合的窄带时程叠加法

提出了一种在时域内叠加窄带时程的方法以提高人造地震动时程对目标反应谱的拟合精度。该方法首先利用传统的在频域内调整傅立叶幅值谱的方法合成以给定峰值加速度、反应谱和强度包线为目标的初始加速度时程;然后基于线性单自由度体系的地震输入反演公式,利用在时域内叠加窄带时程的方法继续调整该初始时程以进一步提高其对目标反应谱的拟合精度。算例分析结果表明,该算法所得到的人造地震动时程对目标谱具有较高的拟合精度。     

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。     

面向地震动记录和模拟地震动的工程随机地震动数据库研究

收集了来自156次地震的共计7778条水平加速度记录。分别采用基于能量分布和震级-距离的地震动记录聚类分析方法,将7778条水平加速度记录划分为12组,作为地震动记录数据库的基础数据。基于工程随机地震动的物理模型,采用窄带波群叠加方法合成了不同场地类别、震级和传播距离下的24组模拟地震动,包括100条每组的12个小样本组和300条每组的12个大样本组,共计4800条模拟地震动时程,作为模拟地震动数据库的基础数据。利用聚类分组后的地震动记录和各分组模拟地震动,开发了基于Windows系统的工程随机地震动数据库系统,实现了地震动的检索以及时程、反应谱和相关地震信息的可视化及数据下载。