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。     

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。     

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。     

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。     

拟合核电厂多维设计反应谱及相关峰值的地震动调整方法

依据核电厂结构的特殊性,提出了一种以核电厂多维设计用伪加速度反应谱及峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)为目标的实际地震动调整方法。该方法首先应用二阶基数B－样条小波函数模拟实际多维地震动场,然后基于离散小波变换的快速算法,将实际地震动加速度时程应用二阶基数B－样条小波函数进行分解;一方面探寻对各向分量的PGA、PGV及PGD影响最大的小波分量,另一方面通过对小波系数进行初步调整以改进时域叠加小波函数的收敛性;最后通过循环调整实现对多维目标反应谱及PGA、PGV、PGD的同时拟合。选取了四组代表不同设计地震分组的三维实际地震记录分析了该方法的可行性,结果表明该方法不仅较好的保留了原地震动的局部时频特性,且能满足核电厂抗震设计规范的精度要求。     

空间相关多点地震位移输入峰值控制对结构非线性响应的影响

在空间相关多点地震动人工拟合中,一般控制大跨结构不同支撑点处的地震加速度反应谱及加速度峰值相同,而相应于不同支撑点处位移时程的峰值则是不同的。为了研究地震动特性及不同的位移控制条件对结构响应的影响,引入两种不同的包线函数分别模拟地震动强度或频率非平稳特性,并且按照控制不同支撑点处时程的加速度峰值或位移峰值相同,拟合了6 组空间相关多点地震动;采用多点地震动加速度/位移输入模式,对三跨连续梁桥进行了非线性响应分析。结果表明：控制地震位移时程的峰值对结构的内力和位移响应有较大的影响,位移峰值越大,结构进入的非线性程度越深,得到的结构响应越大,且与位移时程的形状无明显相关性;以加速度反应谱和加速度峰值为目标的地震动拟合中,各支撑点处位移时程的峰值离散性比较大,为了保证结构的安全,空间相关多点地震动拟合中应控制位移峰值的最小取值;地震加速度时程的频率非平稳特性对桥梁位移和桥墩扭矩影响较大,如果仅考虑地震动强度非平稳特性,则存在低估结构响应的风险。因此,大跨结构抗震分析中应合理刻画地震动时间-空间耦合特性、非平稳特性及位移输入的最小峰值,充分估计结构的非线性响应,以保证结构抗震设计的安全性。     

基于输入能量的地震动时程强度包络函数研究

结构随机振动分析和人工合成地震动记录均需要将反应谱转换为功率谱,地震动强度包络函数对转换结果有着重要影响。为合理地确定强度包络函数模型中各参数的取值,依据输入能量谱与傅里叶幅值谱的精确转换关系,建立了由非平稳地震动功率谱计算输入能量谱的方法,并分析了各参数取值对功率谱与能量谱的影响。以匹配设计谱的天然地震动记录样本的平均输入能量谱作为参考依据,通过与设计谱转换得到的输入能量谱进行对比分析,确定了各类场地设计谱转换为功率谱时,强度包络函数模型的各参数取值。通过人工合成地震动记录的输入能量谱分析,验证了各参数取值的合理性。     

设计谱长周期段取值与能量特征研究

基于由随机振动理论得到的功率谱密度与加速度反应谱之间的关系,以及由傅里叶幅值谱精确计算输入能量反应谱方法,提出了建立与设计加速度反应谱匹配的输入能量谱方法。计算了与《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)设计反应谱匹配的输入能量谱,通过与实际强震记录输入能量谱特征对比,对设计反应谱长周期段输入能量特征进行了分析。结果表明,由于规范设计谱长周期段取值比较保守,在长周期段输入能量随着周期变长逐渐增加,与实际地震动记录输入能量谱长周期特征明显不同。根据实际强震记录输入能量谱特征,给出了设计反应谱长周期直线下降段的取值建议。     

基于小样本记录的柱面网壳结构地震响应评估

结构的地震反应可以采用时程分析法或反应谱法来估计,在用时程分析法计算结构抗震设计需求时,中国抗震设计规范规定了选择3条或至少7条地震动记录的准则。可以用峰值加速度（PGA）或加速度反应谱（SA）来对地震动记录进行调幅,但用哪一个地震动强度参数来调幅为最佳还是未知的。该文针对柱面网壳的分析结果表明:合适的地震动强度参数取决于所需的结构反应,为降低由地震动记录间差异引起的结构最大杆件内力、支座反力或基底剪力的变异性,采用PGA调幅地震动记录要优于SA,而对于结构的最大位移反应则恰好相反。由于结构频谱十分密集以及受高阶振动模态的影响,采用反应谱法计算结构最大杆件内力或基底剪力是不合适的。同时,该文计算了采用3条和7条地震动记录准则获得的结构最大杆件内力和基底剪力的统计值,以期能为选择合适的地震动强度参数和地震动记录数量提供依据。     

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。     

基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法

远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动,振动阶段后期产生多个循环的长周期类谐和加速度脉冲,易对长周期结构带来不利影响。然而,由于远场类谐和地震动实测记录有限,能直接用于结构抗震分析的地震动记录更少。为弥补这一缺陷,该文提出一种基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法并对该方法的合理性和可行性进行验证。该方法通过对远场类谐和地震动记录进行EEMD分解,得到地震动低频成分的类谐和主脉冲成分与衰减部分,并对二者的拟合重构形成类谐和主脉冲分量进行特征参数识别和简化,提出由类谐和脉冲函数和衰减函数相结合的主脉冲速度模型,最后叠加分解时剔除的高频IMF分量形成人工类谐和地震动。基于此,重新选取3条任意远场类谐和地震动记录的地震动特征参数合成人工地震动,与原始地震动反应谱进行对比分析。结果表明：采用EEMD方法可有效提取原始地震动的低频成分,基于所提类谐和主脉冲速度模型得到的主脉冲时程与原始地震动速度主脉冲时程吻合较好;利用所提的地震动合成方法合成的人工地震动可较好保留原始类谐和地震动的非平稳特性,且与原始地震动较为吻合。     

基于时-频包线的非平稳地震动合成及其对结构非线性响应的影响

地震动频率非平稳特性对结构的非线性响应有重要影响。引入具有统计参数的时-频包线函数来近似模拟地震动频率非平稳特性,建立了以反应谱为目标的非平稳地震动拟合方法。以天然地震动为种子,设计了4种时程拟合方案,得到了满足相同目标谱的4组加速度时程,结果分析表明,(1)本文建立的地震动拟合方法,能够很好地保留原始地震动的非平稳特性和持续时间,且拟合精度较高;(2)基于实际地震动提取的时-频包线函数,能够较好地模拟地震动频率的非平稳特性;(3)基于统计参数定义的时-频包线函数能够近似模拟地震动频率非平稳特性,与真实地震动频率随时间的变化规律符合较好。以这4组地震加速度时程作为输入,分别对层数为7层和15层的规则钢筋混凝土框架结构进行三维非线性时程分析,结果表明,采用仅考虑强度非平稳特性的地震输入,存在低估规则钢筋混凝土结构非线性响应的风险,因此在人工合成地震动中应该考虑其频率的非平稳特性,合理估计结构的非线性响应,保证结构设计的安全性。     

基于CMS的核电厂安全壳设计地震动确定方法

选取符合核电厂设计要求的输入地震动进行结构动力时程反应分析是保障核电厂抗震能力的重要环节。基于条件均值谱(CMS)的输入地震动选取方法具有既考虑结构自身动力特性又考虑场地地震危险性特征的优点,已经在地震工程相关领域得到应用。以核电厂安全壳结构为研究对象,从概率地震危险性分析出发,以条件均值谱为输入地震动目标谱,给出了核电厂安全壳输入地震动目标谱的计算流程;在国内外选取的18次典型地震的2 480条地震动数据库中,选取了与目标谱匹配良好的40条地震动;再利用epsilon方法在上述地震动数据库中各选取40条地震动,将这两组地震动分别输入安全壳有限元模型中进行动力时程分析,通过对比两种方法顶点的最大位移平均值与标准差,发现CMS方法选取的地震动记录无偏性最好,是一种高效合理的输入地震动选取方法。     

基于特征提取和谱匹配优化的区域地震动时程构建方法EI北大核心CSCD

地震的区域构造背景和传播路径有较大差异特征,因而实际观测的地震动具有显著的区域性差异。在结构动力时程分析时,虽然人工合成方法能够提供匹配设计谱的输入地震动,但是其并不能体现出地震动的区域特征。为了模拟考虑目标区域特征且完美匹配目标谱的地震动,该文提出了一种基于智能算法的地震动合成新方法。该方法应用主成分分析算法获取目标区域地震动的区域特征,由最大方差理论提取目标区域的种子地震动,再用基于粒子群算法优化的时域反应谱匹配方法调整种子地震动的反应谱,最终构造出包含区域特征和谱匹配的地震动时程。以四川地区为例验证了该方法的合理性和有效性,合成的地震动在时域和频域上均与该区域实际地震动特征一致。该文提出的方法的优点在于合成的地震动具有显著的区域特征,且与目标谱有更好的匹配效果和更高的匹配效率,可为结构动力反应分析提供考虑区域性差异、具有低不确定性的地震动输入。     

结构时程分析中强震记录选取研究综述

该文论述了近年来国内外在结构抗震时程分析中输入强震记录选取的各种方法,对评判指标的选取及样本容量的确定进行了分类梳理和评述。震级、震中距、场地等地震信息常作为选波的第一评判指标,而目标谱及其他地震动强度指标则作为第二评判指标。地震动强度指标已总结出数十种,它们与结构反应的相关性及其在选波研究中的优越性认识不一。以反应谱为目标进行匹配、缩放及选择的方法（目标谱选波法）,成为目前最主流的方法。目标谱的种类较多,最广泛采用的是规范设计谱,工程应用比较方便;条件均值谱方法精度较高,但如何将条件均值谱与我国规范接轨,仍需深入研究。结构反应均值估计中,反映强震记录反应谱与目标谱匹配程度的误差指标及缩放方法的取用,应力求能够选出谱形匹配较优的强震记录。随着基于性能抗震理念的深入及地震危险性概率分析方法的逐渐完善,结构反应的估计也从均值发展到概率分布,其所需的样本容量及所采用的评判指标研究仍需进一步深入。     

基于反应谱的地震动备选库建构方法

时程分析中选择合适的地震动记录至关重要。以地震动反应谱与抗震设计反应谱相一致为评价原则,比较反应谱一致性控制参数均方差和均值相对差值,提出分周期段—双频段选择地震动的方法;按设防烈度和场地特征周期分组,在反应谱全周期范围内,采用分周期段—双频段方法建构地震动备选库。当结构基本周期确定后,可直接使用备选库中相应周期段内的地震动记录进行时程分析,省去因结构周期变化需重新选择地震动的繁琐工作。研究表明:分周期段—双频段方法在各周期段内选取的地震动记录效果较好;分周期段—双频段方法建构地震动备选库具有可行性和优越性。     

序列型地震动物理随机模型研究

通过引入主震与余震间的震级、震源参数以及峰值速度的物理关系,将已有的单震物理随机模型推广到序列型地震动,并利用实测主余震记录拟合获得了模型中各参数的概率分布,进一步结合窄带谐波叠加法实现了序列型地震动的工程模拟。从典型样本时程和反应谱两个层面上与实测地震动记录进行了对比,结果表明模拟地震动具有与实测记录相同的频谱特性,能够反映实际地震动的时域、频域非平稳性,建议模型所给出的反应谱均值和标准差与实测记录的统计结果基本一致,可用于序列型地震作用下工程结构的抗震性能分析。     

基于耐震时程法的钢筋混凝土框架结构抗震性能评估

耐震时程法的典型表征在于随着时间的增加,地震强度逐渐增大。基于非线性最小二乘算法合成了基于我国抗震规范反应谱的三条耐震时程曲线。以两个5层和12层钢筋混凝土框架结构为例,分别对结构进行22条天然地震动下的增量动力分析和3条耐震时程曲线输入下的非线性分析,对比研究了结构在不同强度下的最大顶点位移、最大层间位移角、最大基底剪力和结构滞回耗能分析,比较了结构在大震时的最大层间位移角分布和最大楼层剪力分布。分析研究表明,耐震时程法能较好的预测结构的抗震响应,其分析结果离散性小,宏观上与多条天然地震动分析结果的中位值吻合较好。由于耐震时程法仅需进行一次时程分析便可获得结构不同强度下的抗震响应,计算效率高,计算精度较好,这为结构的抗震性能评估提供了一种新的有效方法。     

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。     

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。