基于HHT法的地震地面运动局部谱密度估计

采用能反映时频非平稳特性的时变谱密度(局部谱密度)来描述地震地面运动是非常必要的。本文给出了利用HHT估计地震地面运动局部谱密度的方法。从理论上比较了HHT、STFT和多重过滤法等局部谱密度的估计方法,然后通过具体算例,对理论分析进行了验证。指出利用HHT法来估计局部谱密度在精度和速度方面都有很好的优势,可以作为一种有效的局部谱密度估计方法,这有利于局部谱密度在地震动模型化和结构随机响应分析等方面的应用。     

苏通大桥桥址区实测强风非平稳风特性分析

以2012年"达维"和"海葵"台风期间苏通大桥SHMS实测风数据为研究对象,采用游程检验法对桥址区实测风速进行了平稳性检验,对比分析了基于平稳和非平稳风速模型计算得到的平均风速风向(时变)、紊流强度、紊流功率谱密度等风特性,并采用基于小波变换(WT)的演变功率谱密度(EPSD)估计方法,进行了实测强风非平稳演变功率谱分析。结果表明,实测风速表现出明显的非平稳特性;由于时变趋势项的引入,非平稳风速模型比传统平稳风速模型能更好地表征实测强风特性;所得演变功率谱密度直观地展示了实测脉动风速能量的时频分布,EPSD均值与傅里叶变换谱吻合良好,验证了EPSD估计的可靠性。研究结果可为今后非平稳风场实测分析及数值模拟提供参考。     

单自由度结构地震激励下瞬时均方根响应的小波变换估计

该文应用小波变换方法对受到地震荷载作用的线性单自由度体系的瞬时均方根响应进行估计,应用小波方法分析地震激励的时频特性,在小波域内求解了地震激励下结构响应的瞬时功率谱密度函数,并且基于此估计了结构的瞬时均方根响应。该文对一单自由度结构进行数值模拟研究,结果表明:小波分析方法具有很好的精度。     

基于同步压缩变换和局部替代数据的非平稳振动信号分解方法

实际工程振动信号往往包含非平稳信息,时频分析是一种目前最为常用的非平稳信号分析方法。同步压缩变换把小波时间-尺度平面转化成了时间-频率平面,提高了时频分辨率。替代数据在时频上可对信号平稳性进行检验。采用同步压缩变换时频分析和替代数据检测信号平稳性。结合局部替代数据,在时频面上通过评价时频幅度谱的统计特性,对平稳和非平稳成分进行分解。保持原信号相位谱,将分解的成分用同步压缩反变换恢复出时域信号,提供了一种将非平稳信号分解成平稳和非平稳两部分成分的方法。数值算例验证了该方法的有效性。     

非平稳随机过程功率谱密度估计的小波方法

讨论了已有文献中基于一般非正交小波以及广义谐和小波的非平稳随机过程演变功率谱密度（Evolutionary Power Spectral Density, EPSD）估计的问题。在一种新的非平稳随机过程模型（局部平稳小波过程,Locally Stationary Wavelet process, LSW）的基础上,提出了一种新的估计非平稳随机过程时变功率谱密度的方法。所建议的新方法能与估计非平稳随机过程EPSD的经典方法统一起来,当以上两种方法均使用广义谐和小波时,二者退化为同一形式。为了验证所建议方法的有效性,给出了基于广义谐和小波的多变量均匀调制下非平稳随机地震动互/自功率谱估计的算例。并以汶川8.0级地震中某近场地及远场地上的地震加速度为例,计算得到了其能量在时－频域上的不同分布。     

地震波的反应谱谱形对RC梁桥结构非线性地震反应的影响

地震经验表明:各类结构的震害主要表现为强震地面运动的幅值、频谱特性和持时这3个基本要素综合影响的结果。为了将频谱与幅值、持时的影响进行解耦,采用实际地震波和匹配同一反应谱的人工波,通过IDA分析,对一座钢筋混凝土连续梁桥进行研究。对比强震地面运动的频谱特性特别是反应谱谱形与结构地震反应的相关性表明:随着地面运动强度的增加以及桥梁结构非线性程度的提高,谱形对结构非线性地震反应的影响日益显著。如果在纵桥向、横桥向存在高模态影响,则高模态效应与谱形的影响会相互耦合,从而进一步增强对于结构非线性地震反应的影响。对于具有不同动力特性的梁桥结构,反应谱不同区段的谱形对于结构非线性地震反应的影响差异显著,并对影响显著的反应谱区段进行了预计。     

基于S变换的地震波时频分析及人工调整

首先推导了离散S变换的基本算法,定义了反映地震波时频特性的时变幅值谱和时变能量谱;以K0be地震波为例,基于S变换分析了该地震波的时频特性,并对采用不同窗口函数的分析结果进行了对比,分析发现当适当地调整窗口参数,复窗口的广义S变换对非平稳地震波有较好的时频分辨率;利用S变换的时频滤波性质,对实际地震波进行了任意时间和频率段的人工调整;以与抗震规范相容的功率谱为目标谱,提出了利用S变换合成非平稳地震波的新方法,通过实例分析发现,人工合成的地震波功率谱与目标谱符合很好,而且继承了母波的非平稳特性;还研究了地震波的时频特性对单自由度体系弹性反应谱的影响.     

一种平稳地震地面运动的改进金井清谱模型

该文提出了一种描述平稳地震地面运动过程随机特性的功率谱密度函数模型。假定基岩地震动为某种过滤白谱过程, 通过两个特定频率参数控制该过滤白谱的低频和高频含量, 从而实现对基岩地震动物理特性的模拟。利用金井清滤波器对基岩过滤白谱进行过滤, 得到地震地面加速度的谱密度模型。通过数学推导解释了该模型的物理机制, 选择汶川地震强震观测数据拟合模型中的相关参数, 给出了汶川地震场地相应的模型参数建议取值。该文模型在物理机制上可以认为是金井清谱模型的改进方案, 但修正了金井清谱模型在零频处奇异的缺陷。     

自锚式悬索桥的平稳/非平稳随机地震响应

通过引入均匀调制演变函数,考虑了地震激励幅值的非平稳性。同时考虑了地震动空间效应,包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应的影响,对一自锚式混凝土悬索桥结构进行了地震反应分析。计算了平稳/非平稳地面激励下主塔弯矩以及剪力反应。计算结果表明,考虑非平稳因素可使地震反应峰值减小,行波效应和相干效应使结构地震反应增大。     

时频面上基于瞬频估计的信号提取方法

针对多分量非平稳信号的噪声抑制和信号分离问题,提出了一种新的时频滤波法.采用FMmlet自适应分解将被分析信号在时频空间内展开,得到无交叉项干扰、时频聚集性很强,且能反映信号的线性或非线性结构的时频特性的时频分布.根据时频面内能量脊与瞬时频率的对应关系,采用谱峰检测和时频加窗轮流迭代的方法,估计出信号分量的瞬时频率.在瞬时频率精确估计的基础上,设计适当的时频滤波函数,对被分析信号的Wigner-Ville分布(WVD)进行时频加窗处理,得到单分量信号的修正WVD,然后采用 WVD反变换进行信号分量的时域重构,达到从非平稳信号中分离有用分量的目的.理论分析和仿真实验表明,利用该方法从复杂非线性时变信号中提取出的信号分量失真度小.该方法在非平稳信号的深层特征提取中具有良好的应用前景.     

基于小波变换的苏通大桥非平稳抖振响应演变谱实测研究

台风风速具有较为明显的非平稳特征,使得非平稳风荷载作用下大跨斜拉桥的动力响应也势必表现出非平稳特性。为考察台风作用下大跨桥梁抖振响应的非平稳性,该文以苏通大桥为研究背景,采用基于小波变换的非平稳时间序列演变功率谱密度估计方法分析了该桥在“海葵”和“达维”台风期间的非平稳抖振响应。研究表明,苏通大桥主梁振动能量主要集中在若干特定频段内;由于台风风速存在非平稳性,主梁抖振响应也表现出一定程度的非平稳特征;基于小波变换的演变谱估计方法适用于开展实测结构响应的演变特性分析,可较好地弥补传统傅里叶方法用于非平稳分析的不足。研究结论可用于验证大跨度斜拉桥非平稳抖振分析理论的可靠性,同时可为大跨度斜拉桥的抗风设计提供参考。     

地震动非平稳特性对结构非线性响应影响的分析

虽然地震动的非平稳特性被越来越多的研究者所认识,但是其对结构非线性响应的影响却一直没有较为深入的研究。传统的反应谱和功率谱缺乏对地震动时间信息的表达,而由小波变换得到的地震动局部谱(时变谱)能更准确地反应地震动的非平稳性。更为重要的是,小波变换可以将地震动能量在时间上的分布进行调整而不改变能量在频率上的分布,对考察地震动非平稳性对结构非线性响应的影响非常有利。利用小波变换的上述优势,对比分析了三条实际地震动记录对一榀钢筋混凝土框架非线性时程响应的影响,通过调整其中一条记录的能量在时间上的分布,清楚地表明地震动能量在时间上的集中对结构响应非常不利,并由此提出了有效峰值的概念来定量反应这种表现为能量集中的地震动非平稳性。     

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。     

基于现代时频分析技术的地震波时变谱估计

利用短时傅里叶变换（STFT）、Wigner-Ville分布、连续小波变换、S变换以及变复窗口的S变换等现代时频分析技术对地震波进行时变谱估计。推导了基于连续小波变换的小波能量谱的具体表达式,并把近年来提出的变复窗口S变换应用到地震波的时频分析。通过研究表明对于均匀调制非平稳地震波,通过适当选择窗口的长度,利用STFT估计时变谱可得到较好的效果,小波变换与S变换以及变复窗口S变换的估计值在高频段存在能量泄漏现象;各方法估计的时变谱时间边缘函数与目标函数均符合较好;而频率边缘函数,Wigner-Ville分布与目标函数符合得最好,STFT次之,小波变换、S变换以及复窗S变换在高频段存在一定误差。对于频率非平稳性较强的地震波,通过适当地调节窗口参数,利用变复窗口S变换可得到地震波在时频域内有较好分辨率的时变谱;连续小波变换虽然在高频段存在能量泄漏现象,但其在时间域内有较好的分辨率。     

基于离散小波变换的滑移隔震结构非平稳随机响应计算

将地震地面运动模拟成非平稳随机过程,基于离散小波变换得到地面运动离散小波系数的统计值,并以此作为输入,使用等价线性方法获得了滑移隔震结构在非平稳地震作用下的均方滑动位移和速度反应。通过计算实例与Monte-Carlo法的计算结果进行对比,验证了本文方法的正确性。最后,给出了这种结构的最大滑动位移响应随滑移面摩擦系数的变化曲线,可供设计时参考。     

基于离散小波变换的多自由度结构非平稳随机响应计算

将地面运动模拟成非平稳随机过程,基于离散小波变换得到地面运动离散小波系数的统计值,并以此作为输入,推导了多自由度结构和随机响应公式,通过对响应偏谱的计算,得到随时间变化的响应频率特性和名阶谱参数,利用Monte-Carlo法和本文方法进行了计算实例对比,验证了本文方法的正确性。     

非平稳随机地震作用的结构整体可靠度分析

应用随机过程的正交展开-随机函数方法,建立了非平稳地震动过程的概率模型,实现了用一个基本随机变量来表达地震动过程的目的。通过选取基本随机变量的代表性离散点集,可以直接获取地震动过程的代表性样本集合。结合概率密度演化理论,进行了多自由度Duffing系统的随机地震反应分析与抗震可靠度计算。研究表明,非平稳地震动过程的概率模型与概率密度演化理论有机结合,可以实现复杂工程结构整体抗震可靠度的精确计算。     

地震动信号小波谱分析与结构损伤评估

地震动是一个复杂的非平稳随机过程，基于傅立叶变换的传统谱分析方法已经难以发挥作用，小波变换因其在时一频两域都具有表征信号局部特征的能力而成为非平稳信号分析的有力工具。通过采用小波能量理论对一个三层钢筋混凝土框架一剪力墙模型地震模拟振动台试验实测数据进行了不同小波中心频率下的小波谱分析，探索了在同一地震中信号能量累积和能量累积变化率与结构动力特性变化的关系；提出了小波传递函数的方法并将其用于不同加载条件后结构模态参数的求解，清晰地得到了结构在不同地震后力学性能的退化趋势。     

一种考虑局部场地收敛性的多点地震动合成方法

提出一种符合实际地震动传播特点的多点地震动合成方法。目前的非平稳空间相关多点地震动合成方法在局部场地上不具备收敛性，与实际的地震波传播机制相矛盾。通过修正随机相位角，使生成的多点地震动在局部场地上具备收敛性，给出了未知和已知相位差谱统计规律两种情况下非平稳多点地震动的合成方法，进一步提出了基于实际地震记录的空间相关多点地震动合成方法。采用本文方法进行了基于美国Northridge地震和我国集集地震的多点地震动模拟研究，结果表明方法具有良好的局部收敛性，可用于大尺度结构的多点输入分析。