非平稳地震动过程模拟的谱表示-随机函数方法

在Priestley演变谱理论的基础上,采用随机函数的思想,建议了一类新的全非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法。在谱表示-随机函数方法中,实现了用2个基本随机变量即可精确表达原随机过程的目的。通过选取基本随机变量的离散代表点集,可以直接由演变功率谱密度函数生成具有给定赋得概率的代表性样本集合。以全非平稳地震动加速度过程的演变功率谱为例,验证了本文方法的有效性和优越性。最后,结合概率密度演化方法,进行了Duffing振子的随机地震反应分析与抗震可靠度计算。     

基于概率密度演化理论的结构抗震可靠性分析

运用随机过程的正交展开方法,将地震动加速度过程表示为由10个左右的独立随机变量所调制的确定性函数的线性组合形式。结合概率密度演化方法和等价极值事件的基本思想,研究了非线性结构的抗震可靠度分析问题。以具有滞回特性的非线性结构为例,对某一多自由度的剪切型框架结构进行了抗震可靠性分析。结果表明：按照复杂失效准则计算的结构抗震可靠度较之结构各层抗震可靠度均低。这一研究为基于概率密度函数的、精细化的抗震可靠度计算提供了新的途径。     

基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析EI北大核心CSCD

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法。基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征地震动的不确定性;采用基于数论的部分分层抽样方法对地震动-结构随机变量抽样,从而对桥梁非线性随机地震响应进行模拟,减小桥梁随机地震响应分析中的抽样方差;以一座实际高墩连续刚构桥为数值算例,对其进行了非线性随机地震响应分析,详细研究了桥梁结构不确定性和随机参数相关性对其地震可靠度的影响。研究结果表明:随机地震作用下,桥梁随机地震响应是典型的零均值非平稳随机过程,从地震动开始到结束,桥梁结构地震响应概率密度曲线存在由窄边宽,再由宽变窄的演化过程;随机地震作用下,桥梁结构关键响应的平均峰值因子存在一定差异,其通常在1.8~2.2变化;桥梁结构不确定性和随机参数相关性对高墩桥梁地震响应极值分布和地震可靠度的影响较为显著,忽略桥梁结构的不确定性和随机参数相关性将高估桥梁结构的地震可靠度。     

基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法.基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征...     

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。     

平稳地震动过程的随机函数-谱表示模拟

在平稳随机过程的谱表示基础上,采用随机函数的思想,将谱表达式中的标准正交随机变量表示为基本随机变量的正交函数形式。通过两组随机正交三角函数的构造,实现了非高斯正交随机变量和高斯独立随机变量的随机函数表达。与经典的谱表示方法相比,采用随机函数表达,仅需1~2个基本随机变量即可描述原随机过程的概率特性,而且可以直接由功率谱密度函数生成具有给定概率的非高斯平稳过程和高斯平稳过程的样本函数。最后,结合平稳地震动加速度过程的功率谱密度函数,验证了随机函数-谱表示方法的有效性。     

地震动过程的时域降维建模

地震动建模是工程结构随机地震反应和动力可靠度分析的基础。为此,提出了一类新的地震动过程的时域降维模型,并建议了模型中确定性参数的取值及随机参数的概率分布。首先,从平稳过程时域表达的基本理论出发,导出了平稳和非平稳地震动过程的时域表达形式,通过引入随机函数的降维思想,实现了地震动过程的时域降维表达。同时,基于实测强震记录,给出了地震动时域降维模型的参数识别方法,进而获得模型中基本参数的确定性取值或概率分布。最后,通过地震动过程的降维模拟分析,并与实测强震记录的反应谱和傅里叶幅值谱对比分析。结果表明,地震动过程的时域降维模型具有良好的精度、收敛性和工程适用性,生成的代表性地震动时程能够反映地震动的自然变异性。     

脉动风速连续随机场的降维模拟

基于标准正交随机变量的波数谱表示,通过定义标准正交随机变量集的随机函数形式,建立了连续时空随机场模拟的波数谱-随机函数方法。同时,引入快速傅里叶变换（FFT）的算法,极大地提高了波数谱-随机函数方法的模拟效率。在波数谱-随机函数模拟方法中,仅需两个基本随机变量即可在概率密度层次上描述时空随机场的概率特性,并利用数论方法选取基本随机变量的代表性点集,实现对连续时空随机场模拟的降维表达。数值算例表明,当模拟相同数量的样本时,综合考虑模拟的效率和精度两方面,该文方法与传统的波数谱表示方法不分伯仲,但该文方法所需的基本随机变量最少,生成的代表性样本数量少且构成一个完备的概率集,从而可结合概率密度演化理论实现结构随机动力反应及动力可靠度的精细化分析。最后,结合Kaimal风速谱及Davenport空间相干函数模型,模拟了水平向脉动风速连续随机场,验证了该文方法的有效性和优越性。     

动力可靠度约束下基于概率测度变换-全局收敛移动渐近线法的结构优化设计EI北大核心CSCD

基于动力可靠度的结构优化是实现随机动力系统优化设计的重要途径。针对设计变量为系统中部分随机变量分布均值的情形,提出了一种基于动力可靠度的结构优化设计方法。在该方法中,通过概率密度演化理论实现了结构动力可靠度的高效分析。在此基础上,结合概率测度变换,可以在不增加任何确定性结构分析的前提下,实现动力可靠度对设计变量的灵敏度分析。进而,通过将上述概率密度演化-测度变换方法嵌入全局收敛移动渐近线法,实现了基于动力可靠度的结构优化设计问题的高效求解。数值算例的结果表明,所提方法可以显著降低结构分析次数,具有较高的效率与稳健性。     

高速列车乘坐舒适度评价的概率密度演化方法

利用平稳随机过程的谱表示-随机函数方法,结合轨道不平顺的功率谱密度,模拟生成轨道高低不平顺的代表性样本集合,实现用一个基本随机变量表达轨道不平顺随机过程的目的。以轨道高低不平顺为外部随机激励,建立了车辆-轨道耦合随机动力系统的概率密度演化分析方法,获得高速列车在轨道高低不平顺随机激励下的车体竖向加速度的丰富概率信息。同时,根据旅客乘坐舒适度的UIC513评价标准,对于有砟轨道和无砟轨道线路,分别计算得到高速列车在200 km/h、250 km/h和300 km/h三种速度下的旅客乘坐舒适度。结果表明,轨道不平顺模拟的谱表示-随机函数方法与概率密度演化理论具有一致性,两者结合可为车辆-轨道耦合系统的随机动力响应提供高效精确分析方法,实现旅客乘坐舒适度的精细化计算,进而为高速列车乘坐舒适度评价提供了新途径。     

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。     

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。     

Karhunen–Loève expansion for multi-correlated stochastic processes

We propose two different approaches generalizing the Karhunen–Loève series expansion to model and simulate multi-correlated non-stationary stochastic processes. The first approach (muKL) is based on the spectral analysis of a suitable assembled stochastic process and yields series expansions in terms of an identical set of uncorrelated random variables. The second approach (mcKL) relies on expansions in terms of correlated sets of random variables reflecting the cross-covariance structure of the processes. The effectiveness and the computational efficiency of both muKL and mcKL is demonstrated through numerical examples involving Gaussian processes with exponential and Gaussian covariances as well as fractional Brownian motion and Brownian bridge processes. In particular, we study accuracy and convergence rates of our series expansions and compare the results against other statistical techniques such as mixtures of probabilistic principal component analysis. We found that muKL and mcKL provide an effective representation of the multi-correlated process that can be readily employed in stochastic simulation and dimension reduction data-driven problems.     

与反应谱相容的多点完全非平稳地震动随机过程的快速模拟

为了精确评估结构地震响应的概率特性,地震动随机过程的模拟需要考虑时间变异性(频率和强度非平稳)、空间变异性以及与反应谱的相容性。在经典的多点完全非平稳随机过程的模拟方法中,由于频率与时间变量不可分离,演化功率谱矩阵分解效率较低。为了加快谱矩阵的分解,提出了新Cholesky分解方法。该方法的核心是将演化谱矩阵分离为相位和模矩阵,而模矩阵进一步被转化为与时间不相关的延迟相干矩阵。通过与时间相关的演化谱矩阵相比,延迟相干矩阵仅与频率相关,这样就显著提高了矩阵分解的效率;此外,延迟相干矩阵更适合采用插值技术。最后,将新Cholesky分解方法和插值技术应用到生成与反应谱相容的随机方法中。结果表明:新Cholesky分解与插值能够高效地模拟多点完全非平稳并且与反应谱相容的地震动样本;线性插值与三次样条插值均可达到良好的分辨率,少量的插值点即可满足精度的要求。     

Stochastic simulation of velocity pulses of near-fault ground motions based on multivariate copula modeling

Due to the featured high-amplitude, long-period pulses in velocity or displacement time–history, the near-fault ground motion may have a stronger destructive effect on engineering structures. Therefore, studying velocity pulses modeling of near-fault ground motions has been an important topic in the earthquake engineering community. However, the variability and probabilistic correlation of pulse model parameters have not received enough attention. To this end, an elegant method for stochastic simulation of velocity pulses of near-fault ground motions is proposed based on the classical Gabor wavelet modeling and probabilistic correlation analysis of associated model parameters by multivariate copula modeling. Especially, an efficient scheme of iteratively determining the optimal copulas pertinent to edges of a complex vine structure is developed, and two parameters relevant to the near-fault ground motion records, i.e., the rupture distance and the strongest pulse orientation, are introduced which provides a physical basis for addressing the dependence structure among variables. For illustrative purposes, the ground accelerograms recorded by near-fault instruments in the 1999 Chi-Chi earthquake are used. It is shown that the multivariate copula modeling enables the efficient representation of probabilistic correlation between model parameters which is consistent with their physical mechanism. The time histories and spectral characteristics of velocity pulses of near-fault ground motions and their stochastic fluctuations with respect to the rupture distance are well simulated. While the empirical linear regression model does not meet the requirements of random vibration analysis and thus cannot guide the safety design of seismic structures.     

A physical approach to structural stochastic optimal controls

The generalized density evolution equation proposed in recent years profoundly reveals the intrinsic connection between deterministic systems and stochastic systems by introducing physical relationships into stochastic systems. On this basis, a physical stochastic optimal control scheme of structures is developed in this paper, which extends the classical stochastic optimal control methods, and can govern the evolution details of system performance, while the classical stochastic optimal control schemes, such as the LQG control, essentially hold the system statistics since there is still a lack of efficient methods to solve the response process of the stochastic systems with strong nonlinearities in the context of classical random mechanics. It is practically useful to general nonlinear systems driven by non-stationary and non-Gaussian stochastic processes. The celebrated Pontryagin’s maximum principles is employed to conduct the physical solutions of the state vector and the control force vector of stochastic optimal controls of closed-loop systems by synthesizing deterministic optimal control solutions of a collection of representative excitation driven systems using the generalized density evolution equation. Further, the selection strategy of weighting matrices of stochastic optimal controls is discussed to construct optimal control policies based on a control criterion of system second-order statistics assessment. The stochastic optimal control of an active tension control system is investigated, subjected to the random ground motion represented by a physical stochastic earthquake model. The investigation reveals that the structural seismic performance is significantly improved when the optimal control strategy is applied. A comparative study, meanwhile, between the advocated method and the LQG control is carried out, indicating that the LQG control using nominal Gaussian white noise as the external excitation cannot be used to design a reasonable control system for civil engineering structures, while the advocated method can reach the desirable objective performance. The optimal control strategy is then further employed in the investigation of the stochastic optimal control of an eight-storey shear frame. Numerical examples elucidate the validity and applicability of the developed physical stochastic optimal control methodology.     

地下管线在空间随机分布的地震作用下的反应

强震作用下地下管线地震反应计算以往多采用波动法求解。这种方法假定地震波为一行进波,沿管线的轴向或成某一角度传播,它只能求得地面运动的相位差引起的管线的变形和内力。有些文献将地震地面运动假定为空间变化的平稳随机过程,用随机振动理论求得管线的地震反应,但不能反映地面运动的非平稳性对管线地震反应的影响。而地面运动的非平稳性,特别是时域非平稳性很可能是产生地下管线变形和内力的最重要原因。根据地面运动的统计模型生成管线轴线上各点的地面运动时程,用级数解法求管道的地震反应。由于这种方法能较好地反映地面运动的时域非平稳性,所以得到的计算结果更真实。     

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.     

地震地面运动局部谱密度的小波变换估计

已有的不少研究表明,地震地面运动的时频非平稳特性对结构响应有着很大的影响,对这种影响考虑的准确与否直接涉及结构分析的安全性。因此采用能反映时频非平稳特性的时变谱密度(即局部谱密度)来描述地震地面运动是非常必要的。首先从理论上比较了几种局部谱密度的估计方法,指出利用小波变换来估计局部谱密度在精度和速度方面有着相当的优势,有利于局部谱密度在地震动模型化、结构随机响应分析以及动力可靠度评价等方面的应用。然后通过具体算例,对理论分析进行了验证。