地震动时-频特性对土层场地地震反应的影响

地震动非平稳特性对土层反应有重要影响。为了能够近似定量控制基岩地震动输入特性,文章首先基于时-频包线函数建立能够表征地震动频率非平稳特性的地震动拟合方法;然后选择3条主频率变化不同的加速度记录,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,设计了用于土层地震反应分析的三种输入方案,拟合完成42条加速度时程;最后,采用非线性场地反应计算方法对三类土体模型进行计算,分析基岩地震动频率非平稳性对地表PGA和加速度反应谱的影响。结果表明:(1)文章基于时-频包线函数建立的地震动拟合方法能够近似定量控制目标地震动强度与频率非平稳特性,可用于基岩地震动输入的拟合;(2)当基岩地震动主频率变化显著时,不考虑频率非平稳则存在低估地表地震反应的风险,且场地越硬、基岩峰值越大,低估程度越显著;(3)地震动频率时变特征对土层地表反应谱高频部分(2～5Hz)的影响与地震动高频成分集中的时间和土层性质相关:当基岩地震动高频成分集中在强震段时,采用仅考虑强度非平稳的拟合方法可在较硬场地得到相对保守的结果;(4)地震动频率随时间的变化对反应谱放大系数的影响与场地类型和反应谱周期有关,当基岩峰值较大时,对...     

相位差谱法合成人工地震动及其验证

在三角级数和快速傅里叶变换基础上,基于相位差谱法合成了具有频率非平稳的人工地震动。分析了三角级数合成地震动基本原理和优缺点,利用强度包络函数刻画强度非平稳;基于相位差谱法合成地震动,能考虑其相干性、场地效应、多维性和非平稳特性,通过频域拟合目标反应谱的方法对新合成地震动进行幅值精度迭代修正;以某三跨高墩钢构桥为背景,从PEER中选取6条实际地震动,和三角级数法对提出的相位差谱法合成地震动进行准确性验证。     

工程结构抗震分析的实用地震动功率谱模型

结合我国现行抗震规范的场地划分,提出了一种将非平稳随机地震动等效为平稳随机过程的地震动功率谱模型,导出了谱强度与最大地面运动加速度均值、地震烈度和地震水准的关系,并考虑了部分相干效应、行波效应等空间相关特性的影响。结合工程实例,对比反应谱法验证了自功率谱模型的准确性。该模型可用于空间结构的单一激励或多点激励的随机地震反应分析,具有较高的实用价值。     

空间变化的非平稳地震场模拟

应用谐波合成法模拟了空间变化的非平稳地震波加速度时程,采用FFT算法极大地提高了模拟效率。采用的非平稳地震动功率谱模型是根据多次地震动记录出的,既考虑了多点激励的行波效应,又考虑了地震动的空间相干性,具有广泛的代表意义。     

基于谐和小波的空间变化地震动时变延迟相干函数估计

空间变化地震动的非平稳特性会对大跨结构非线性响应产生显著影响。地震动建模多采用时变互谱或时变延迟相干函数描述空间变化地震动的非平稳特性。本研究发展了一种基于广义谐和小波的时变互谱估计方法,并将其应用于实测地震动记录的时变延迟相干函数估计中。首先,基于Spanos和Failla提出的演变功率谱估计方法,采用广义谐和小波推导了非平稳过程时变互谱的估计公式。由于具有频域非重叠特性,非平稳过程的时变互谱可由广义谐和小波系数显式给出。之后,利用广义谐和小波对台湾SMART-1台站组Event45地震实测地震动的时变延迟相干函数进行了估计。估计结果表明,在地震动强度平稳段,延迟相干函数峰值约为0. 8,且具有明显的随频率衰减现象;在地震动强度上升段和衰减段,延迟相干函数峰值约为0. 4,随频率衰减现象不明显。     

基于高斯函数的完全非平稳地震动多峰模型及其应用

地震动非平稳特征对非线性结构地震反应的影响不可忽视,并且地震动非平稳特征的准确描述对工程用人工地震波的生成也具有重要意义。在非平稳过程谱表现法的基础上,采用多个高斯函数叠加的包络函数对各频率分量进行调制,建立了一种更加符合地震动非平稳特征的多峰演变功率谱密度模型;基于广义谐和小波,利用Spanos-Tratskas方法计算实际地震动的演变功率谱密度,在预识别峰值相关参数的基础上采用遗传算法进行模型参数识别;选取KiK-net地震波数据库中近2 500条实际地表地震动记录,验证本模型的适用性,通过算例进行了实际应用。结果表明,所提出的多峰演变功率谱密度模型可以实现强度调制在各频率点的自适应性,特别是在中高频段能较好模拟地震动的多峰特征。通过基于高斯函数的多峰演变功率谱密度模型及其参数识别,将地震动的非平稳特征提取到模型参数中,使得地震动非平稳特性的研究可以通过对其参数的分析实现。所提出的模型可以为地震动非平稳特性的研究提供参考。     

基于KiK-net强震记录的三维地震动强度非平稳模型研究

地震动强度非平稳特性对结构非线性响应有显著影响,准确描述强度非平稳特性对生成人工地震波有重要意义。该文提出了一种描述三维地震动强度非平稳特性的模型,分别给出了其确定性参数取值和随机参数取值。首先以大量KiK-net强震记录为样本,提取其强度非平稳特性|然后选取地震动强度非平稳模型,并使用遗传算法识别出了模型的参数|最后通过统计回归分析给出了各震级、震中距不同场地类别的三维模型参数取值。结果表明,所得强度非平稳模型能够反映地震动强度非平稳特性的规律,可将其用于结构抗震分析和人工地震动模拟中。     

多维地震动平动分量的合成

考虑与震级、震中距相关的傅里叶幅值谱衰减关系,根据地震动非平稳性及设定震级、震中距、场地条件对地震动影响的分析,建立多维非平稳地震动合成的方法。基于波动理论和快速δ-矩阵算法求出地震波不同波型在设定地壳介质模型中的频散曲线,用以计算体波和面波各频率成分的到时t,并引入特性因子Q来考虑随机相位移动,最终得出体波和面波不同波型在窄频带上到达地表附近处某点地震动的到时及相位变化,从而合成多维地震动平动分量时程。根据该合成方法获得的三维地震动平动分量具有非平稳性,并能为结构抗震分析提供满足工程实际的地震动加速度时程。     

小波变换在地震动模拟中应用研究

对模拟随机地震动的非平稳性进行了探讨,利用小波变换,通过分析地震动中各频率成分,利用小波系数与功率谱密度函数的关系模拟地震动的非平稳特性,和传统的平稳分析模型相比,更符合地震动实际,为进一步研究奠定了基础。     

基于新抗震规范的地震动随机模型参数研究

本文依据新颁布的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001),对随机地震动功率谱模型参数的取值进行了具体研究。提出了与新规范建筑场地类别及设计地震分组相对应的场地土阻尼比和卓越频率,非平稳模型中时间包络函数及地震动持时的取值。采用最大地面加速度等效原则确定了谱强度因子S0,然后进一步根据反应谱等效原则对谱强度因子进行了修正。经与规范中给出的反应谱曲线对比发现,利用本文模型参数按随机方法得到的反应谱与规范反应谱取得了很好的一致性。本文研究中给出的谱强度因子S0较好地反应了结构地震作用的特点,为应用随机理论进行实际工程抗震设计提供了依据。     

Modeling of non-stationary random field of undrained shear strength of soil for slope reliability analysis

The spatial variability of soil properties is often assumed to be modeled as stationary or weakly stationary random fields in slope reliability analyses. However, abundant site-specific data have revealed that the mean and standard deviation of soil properties, such as the undrained shear strength of soil, change with depth. Thus, the non-stationary characteristics of soil properties need to be properly accounted for. The aim of this paper is to propose a non-stationary random field (RF) model for the characterization of the spatial variability and the depth-dependent nature of the undrained shear strength of soil. With the proposed model, the uncertainties of the trend and fluctuating components can be modeled individually. As an example, a clay slope under undrained conditions is investigated to illustrate the proposed model. A subset simulation is carried out to evaluate the slope reliability incorporating the non-stationary characteristics of soil properties. The advantages of the proposed model, relative to the existing non-stationary RF models and the commonly-used stationary RF model in the literature, are demonstrated through a series of sensitivity studies.     

考虑不排水抗剪强度空间变异性的条形基础极限承载力随机分析

目前有关抗剪强度参数随深度变化对地基稳定性影响的研究还不深入。为此,提出了考虑土体不排水抗剪强度均值和标准差随深度变化的地基稳定性随机分析方法。建立了表征不排水抗剪强度空间变异性的不平稳随机场模型,采用Karhunen-Loeve（KL）展开离散随机场。探讨了土体不排水抗剪强度参数空间变异性对地基极限承载力的影响规律,并比较了不排水抗剪强度参数平稳和不平稳随机场模型对地基稳定的影响。以不排水黏性地基稳定随机分析问题为例验证了所提方法的有效性。结果表明：考虑不排水抗剪强度参数空间变异性时,地基极限承载力均值和标准差随相关距离的增大而增大,地基极限承载力对竖直向相关距离更为敏感。地基极限承载力均值随不排水抗剪强度变异系数的增加而减小,标准差随变异系数的增加而增加。不排水抗剪强度变异性对地基失效概率有明显的影响,安全系数较大时,不排水抗剪强度相关距离越小,地基失效概率越小。与不排水抗剪强度参数的不平稳随机场相比,不排水抗剪强度的平稳随机场模型会高估地基极限承载力的变异性,在相同的安全度水平下,当地基的安全系数较低时,平稳随机场模型会导致对地基失效概率的低估;当地基安全系数较高时,平稳随机场模型会导致对地基失效概率的高估。     

非平稳随机场下饱和渗透系数空间变异性的无限长边坡稳定概率分析

土体饱和渗透系数表现为天然的空间强变异性,其均值通常沿土层深度方向呈递减趋势,但目前鲜有文献考虑这一特性。为此,以FLAC为平台,利用fish语言基于局部平均法建立了表征土体饱和渗透系数均值随深度递减的一维非平稳随机场模型,采用FLAC两相流模块模拟雨水的入渗过程,以蒙特卡罗法为框架,结合考虑正孔隙水压力的广义有效应力无限边坡稳定模型,探讨了饱和渗透系数空间变异性在不同降雨时刻下对边坡最危险滑裂面分布规律以及相应的边坡破坏概率的影响。结果表明：忽略饱和渗透系数的空间变异性的确定分析方法将不能真实反映边坡的安全性;随着降雨持时的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底基岩处的概率逐渐降低;随着饱和渗透系数竖向相关距离的增加,边坡最危险滑裂面发生在坡底的概率逐渐增加,而相应的边坡破坏概率却随竖向相关距离的增加而逐渐降低。     

考虑参数空间变异性的失稳边坡参数概率反分析

概率反分析能够有效地考虑岩土体参数不确定性并融合现场监测数据和观测信息等更新岩土体参数统计特征,进而使得边坡稳定性评价更为符合客观工程实际,然而目前参数概率反分析几乎没有考虑参数固有空间变异性的影响。结合多重响应面和子集模拟提出了考虑岩土体参数空间变异性的边坡参数概率反分析方法,并以芝加哥国会街切坡为例,融合边坡失稳和滑动面入滑点与出滑点的大致位置这两个现场观测信息,概率反分析得到边坡不排水抗剪强度参数的后验统计特征。结果表明:本文提出方法可以有效地解决考虑参数空间变异性的低概率水平边坡参数概率反分析问题,具有较高的计算效率。子集模拟中每层随机样本数目对计算结果具有重要的影响,常用的500组样本点难以获得满意的计算结果。此外,土体参数空间变异性对概率反分析计算结果具有重要的影响,考虑参数空间变异性边坡参数由平稳随机场更新为非平稳随机场,与工程实际相符,然而忽略参数空间变异性更新后的参数仍服从平稳分布。     

考虑不均质地基影响时单层球面网壳地震反应分析

本文采用一维波理论对地震波在不均质地基中传播时产生的空间变动进行分析,得出具有不同振幅变化倍数和相位的地面运动,利用此结果对质量分布均匀、土跨度单层球面网壳进行多点精凡的地震反应分析。同时为突出场地土的不均质性,拳文竹对场地效果(site—response)产生的空问变动,考察了它对单层球面网壳地震反应的影响。     

考虑岩土参数空间变异性的盾构隧道地表沉降分析

现有随机场理论能够较好地描述单一岩土参数的天然随机性、空间结构性和局部奇异性。当前面临的挑战是如何考虑多个土层、多元及统计相关的岩土参数空间变异性对岩土工程的影响。考虑岩土参数如黏聚力、内摩擦角和压缩模量等具有明显的空间变异性,将随机场理论引入盾构隧道地表沉降可靠指标分析。主要研究工作包括:(1)采用局部均值方法将多个非平稳土层同一岩土参数转化为平稳各向异性随机场变量,并给出随机场的统计特征;(2)简化岩土参数的空间变异性为一般变异性,直接采用响应面方法计算盾构隧道地表沉降可靠指标;(3)提出协同序贯高斯离散算法,在空间网格上实现多元岩土参数随机场的同步离散化,并基于经典Monte-Carlo随机模拟原理和盾构隧道数值计算,直接统计地表沉降的可靠指标;(4)引入子集Monte-Carlo随机模拟加速算法。将以上方法应用于天津~#5、~#6地铁环湖西路站—宾馆西路站区间盾构隧道四线交叠工程,结果表明,采用经典随机理论描述岩土参数的变异性,所得到的盾构隧道地表沉降可靠指标小于基于随机场理论的对应值。该结论为复杂盾构隧道的施工控制与设计优化提供了理论依据。     

On the combination of non-stationary rectangular wave renewal processes

Stationary rectangular wave renewal processes are frequently used to model structural loads. Their combination can be performed by making use of the outcrossing approach and FORM/SORM concepts. The existing theory is extended to non-stationary problems which occur in transient loading situations and whenever structural resistances experience some deterioration in time. Special computation schemes are proposed for the case when simple random variables are present including an importance sampling scheme.     

考虑参数空间变异性的隧道结构变形分析简化方法

土体参数具有空间变异性是被广泛接受的,而这种变异性对岩土中结构性能有着重要的影响.随机场理论是一种常用的用来模拟土体参数空间变异性的方法.基于随机场理论,以土体弹性模量的空间变异性为切入点,采用蒙特卡罗方法和有限差分模拟计算相结合的方法,开展隧道水平收敛的随机分析.在大量蒙特卡罗计算基础上,提出了3种简单易用的简化考虑...     

基于Hilbert-Huang变换理论的非平稳数据处理

详细介绍了Hilbert-Huang变换这一全新的处理非平稳信号数据的方法,将其用于分析土木工程中常用的El Centro地震波南北向记录。将该记录分解成9个固有模态函数分量和1个残余量,进而得到相应的瞬时频率图、瞬时能量图和振幅-频率-时间三维分布图谱,并将其边际谱与Fourier谱作了比较。结果表明,波的能量主要集中在低频分量10 Hz以下,并且Fourier谱在高频分量处高估波谱能量,在低频分量处低估波谱能量。根据此三维分布而定义的平稳度,对其频域和时域的平稳性进行了分析,得到该记录随频率及时间变化的平稳度曲线。     

Stochastic wave models for stationary and homogeneous seismic ground motion

A fundamental theory of stationary, homogeneous stochastic waves is developed and a technique for digitally generating samples of such waves is introduced as a further extension of the spectral representation method. This is done primarily for the purpose of developing an analytical model for propagating seismic waves that can account for their stochastic characteristics in the time and space domain. From this model, the corresponding sample seismic waves can be digitally generated with great computational efficiency. The efficacy of this technique is demonstrated with the aid of a numerical example in which a sample of a stationary, homogeneous, two-dimensional, dispersive Rayleigh wave consistent, in its analytical form of spatial variability, with Lotung, Taiwan dense-array data is digitally generated. Although the stochastic wave model considered in this work is stationary and homogeneous, it is a straightforward task to extend the methodology introduced to nonstationary and / or non-homogeneous stochastic waves characterized by an evolutionary power spectrum.