基于改进差分进化算法的设计反应谱高稳定性标定方法研究

设计反应谱是抗震设计的重要依据,由设计谱的特征参数表征。利用差分进化算法标定设计反应谱,可给出拐点周期、特征周期、平台值和衰减指数等特征参数。但标准的差分进化算法易造成优化结果的早熟或停滞,在设计反应谱的标定中导致标定结果不稳定。为实现设计谱标定结果的最优化,该文从PEER数据库中选取60条不同类型的地震加速度反应谱,比较多种改进的差分进化算法的稳定性和适用性,以期为设计反应谱的标定提供优质的方法。通过对比分析多种方法给出的特征参数和评价指标,论证了方法的精确性和稳定性。分析结果表明,GLDE算法在标定设计反应谱的工程问题中能有效地避免标定结果不稳定的现象,获得比其他方法更精确的特征参数,因此推荐GLDE算法标定设计反应谱和研究设计谱的特征参数。     

基于汶川地震记录及遗传算法的加速度设计反应谱

现行加速度反应谱的长周期段太短且其取值出现需要抬高和降低两种大相径庭的研究结论;反应谱的特征周期(T_g)与动力放大系数(b)取值也存在争议。该文从中国国家强震动台网中心（CSMNC）数据库中筛选汶川地震主震记录421条,根据地面运动峰值加速度、场地和地震分组对地震记录进行分类,计算常规地震记录与长周期地震动记录的反应谱,与规范反应谱对比。同时,基于遗传算法和a_max-T_g四阶段拟合模型,利用得到的地震记录进行设计反应谱拟合,并对设计反应谱拟合模型的各种参数进行标定和校验,对规范设计谱的主要特征参数给出修正建议。研究结果表明：常规地震动计算得到的反应谱长周期段的值比规范设计反应谱要低,而长周期地震动反应谱的长周期段的值比规范设计谱要高,揭示了两种不同研究结论的根源;拟合得到的加速度设计谱与实际反应谱吻合程度要好于规范设计谱;说明了补充长周期地震动设计反应谱的必要性,为规范设计反应谱的修订提供参考。      

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。     

综合考虑场地特征周期和结构基本周期影响的地震动选择方法研究

结构时程分析中选择合适的地震动记录至关重要。以地震动反应谱与规范设计反应谱相匹配为原则,重点考虑场地特征周期和结构基本周期的影响,全周期控制地震动反应谱与设计反应谱的一致性,提出新的地震动选择方法;将选出的地震动记录带入结构时程分析,以我国抗规时程分析基底剪力要求为评价原则,分析结构时程基底剪力结果,验证本方法的可行性,并与另外两种方法选择地震动记录的时程结果对比分析,验证本方法的优越性。本研究旨在为建筑结构时程分析找到一种操作简单、计算效率高且适用性较强的地震动记录选择方法。     

用时变功率谱拟合地震动

Kameda利用多重滤波技术计算地震动的时变功率谱 ,建立了合成地震加速度模型 ,Sugito发展了此模型预测岩石场地地震动。本文作者以他们的工作为基础所建议的模型 ,适用于给定设计谱的各类场地的非平稳地震动的合成 ,且所预测的地震动的反应谱能近似于场址设计谱。     

长周期地震动参数拟合研究

对集集地震长周期地震动的选取标准和长周期地震动设计反应谱形状进行了分析,从场地分类和记录分组方面进行了论述,提出了用遗传算法解决拟合过程参数太多的方法,解决了长周期地震设计反应谱拟合过程中参数太多的问题。     

基于小波函数的地震动反应谱拟合方法

提出一种改进的基于小波函数的地震动反应谱拟合方法,该方法通过调整给定地震动加速度时程,使其反应谱以一定精度拟合目标谱。首先,构造一种用于校正的增量加速度小波函数,该函数具有两个特点:①在反应谱的某个固定控制周期点处,对该函数进行时移和线性调幅处理后,将其叠加在初始地震动时程上,所得地震动时程在该控制周期点处的反应谱值与目标值精确相等;②由该函数积分得到的增量速度和增量位移曲线不出现基线漂移,从而保证将其叠加在初始地震动上不会产生附加的基线漂移。其次,基于该小波函数,提出迭代调整方法,以消除反应谱不同控制周期点之间的耦合效应,实现对整个目标谱的拟合。数值算例表明,该方法合成的地震动时程不仅能够以较高的精度拟合目标谱,而且能够保留初始天然地震动的基本特征,从而能够确保结构地震反应分析结果的合理性与可靠性。此外,该方法具有较快的收敛速度,能够通过有限几步迭代调整实现较高的拟合精度。     

完全非平稳地震动演化功率谱模型及其工程应用

基于平稳地震动过程的过滤白谱功率谱模型,提出一种能够实现时变谱能量描述的完全非平稳时变功率谱参数化模型,并通过参数识别获得具有工程意义的模型参数。采用基岩滤波器对K-T谱进行修正,使得时变谱参数具有明确的物理意义,并更加符合基岩地震动的物理特性;基于广义谐和小波变换得到地震波的时频分布,并通过Spanos-Tratskas方法估计出实际地震动的目标时变功率谱,引入遗传算法及二次优化技术,拟合时变参数的数学表达式,建立完全非平稳的地震动时变功率谱模型,模型参数识别过程采用了日本KIK-net强震数据库,并将其按照我国场地类别重新分类,最后验证该模型的有效性与适用性。该文提出的地震动随机模型为更加准确地描述地震动提供了参考,并为完全非平稳地震波的生成提供了依据。     

基于物理随机地震动模型的汶川地震参数统计与检验

利用工程地震动物理随机函数模型,对汶川地震实测数据进行了随机参数统计分析,给出了相应的地震动模型参数的概率分布。采用等分布序列选点方法对基本随机参数的概率空间进行剖分选出代表点集,并采用波群叠加方法生成了地震动时程样本集合,计算了反应谱样本集合。进而,比较了实测地震记录反应谱和反应谱样本集合的统计特征量,对地震动的物理随机函数模型进行了验证。     

中国大陆地区建筑结构一致倒塌风险的设计地震动研究

基于一致倒塌风险的抗震设计可使不同地区的建筑物在一定时期内达到倒塌风险一致。为了对中国大陆地区建筑结构基于一致倒塌风险的设计地震动的确定进行研究，介绍了一致风险地震动的基本概念及通过设计因子法获取一致风险地震动的原理，并对中国大陆地区一般建筑结构基于一致倒塌风险的地震动计算时采用的结构易损性标准差、目标倒塌风险和设计地震动对应的倒塌概率的合理取值进行分析，结果表明，以一致危险性地震动设防的中国大陆不同地区的一般建筑结构不能达到一致倒塌风险。基于给定的输入参数，使用设计因子法得到了中国大陆基于一致倒塌风险的地震动与当前地震动参数区划图中50年超越概率10%地震动的比值(称为设计因子)的分布，并对不同的输入参数对设计因子的影响进行了分析，发现设计因子与地震动参数有很强的相关性，进而给出了适用于中国大陆的地震反应谱设计因子与地震动参数的拟合式。通过对全国不同烈度分区的算例表明，使用该拟合式得到的一致风险反应谱可以使不同地区和不同周期的结构获得一致的倒塌概率。     

基于中国规范的近断层区抗震设计谱研究

采用211条脉冲型地震动计算得到了保证率分别为50%(平均谱)和84%(平均谱+1倍标准差谱)的近断层地震动反应谱,将得到的反应谱与GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中推荐的近断层区设计谱进行了比较。结果表明,我国抗震规范中针对近断层区给出的设计谱幅值调整方法不能保证近断层区的结构具有足够的安全性,表现为调整后的设计谱值在某些周期段上仍小于实际的近断层地震动反应谱值。根据比较结果,提出了基于我国抗震规范设计谱形式的近断层区抗震设计谱修正方法,通过提高设计谱幅值和限制特征周期最小值来实现修正,将我国抗震规范中的设计谱幅值增大1.5倍、特征周期下限取0.75s(多遇地震)和0.80s(罕遇地震),所提的近断层区抗震设计谱,保证率可达到84%。所提出的抗震设计谱及变形验算的设计建议简单且易于在工程中使用,研究结果可为近断层区的结构抗震设计提供参考。     

Probe into several important concepts in Chinese current seismic response spectra

在使用规范反应谱时常将绝对加速度谱、拟加速度谱、伪加速度谱概念等同或者混乱使用,尤其对于大阻尼比且长周期的结构,采用“拟谱关系”能够获得相应谱的谱值却换算不了相应谱的频谱特性。也有认为利用“拟谱关系” 所导出的相对位移谱不符合结构动力学原理及强震反应谱统计特征。基于此,对我国现行抗震规范地震反应谱所涉及到的绝对加速度反应谱、伪加速度反应谱和拟反应谱等作了较为详细的对比,重点阐明了伪谱与拟谱,绝对加速度谱与伪加速度谱在概念上的区别与联系。鉴于我国现行《建筑抗震设计规范》反应谱是由绝对加速度反应谱标定,利用“拟谱关系”仅是一种数值近似手段,并不具有频谱特性的转换功能,分析了绝对加速度反应谱和伪加速度反应谱在抗震设计过程中的差异。基于绝对加速度反应谱进行标定的规范反应谱,总结了其在目前建筑结构抗震设计中所存在的问题,尤其是在针对超高层结构消能减震结构分析中存在不足：长周期且大阻尼比结构所受设计地震作用与其弹性内力相比明显偏大,设计偏保守;用“拟谱关系”所得换算谱的频谱特性混乱且用于设计缺乏可靠性验证。为此,提出了应分类构建反应谱的建议。     

场地特征周期与抗震设计反应谱的连续化方法

首先,分析场地土分类的模糊性特征,给出四类标准场地二维隶属函数的空间分布,实现场地的模糊化分类;然后,给出场地特征周期连续化方法及其空间分布图,该方法所确定的特征周期分布与建筑抗震规范给出的特征周期等值图吻合较好;最后,以二维隶属函数及其相应的标准设计反应谱为基础,给出四类标准设计反应谱的模糊化方法,建立基于标准场地二维隶属函数和连续化特征周期的两种设计反应谱的连续化方法,给出其空间分布,探讨连续化设计反应谱的工程应用。实践表明:所建立的连续化设计反应谱实现四类标准场地所对应设计反应谱的中间过渡,能更客观反映具有复杂不确定性、模糊性和变异性特征的工程场地的现实情况,为更合理地考虑场地实际特征影响,更客观科学地确定抗震设计反应谱和地震作用提供新的思路和方法。     

长周期抗震设计反应谱衰减指数与阻尼修正系数研究

对基于地震惯性力的绝对加速度谱和基于滞回恢复力的拟加速度谱进行差异解析,分析了长周期地震动拟加速度谱的衰减指数及其阻尼修正系数谱的变化规律。筛选长周期分量丰富的破坏性浅源强震数字化记录,通过弹性反应谱分析研究拟加速度动力放大系数谱的特征周期、两个下降段的衰减指数以及阻尼修正系数。分析结果表明：基于结构承载力的抗震设计谱应以基于滞回恢复力的拟加速度谱进行标定,以基于惯性力的绝对加速度谱标定对大阻尼比长周期结构的抗震设计偏于保守。拟加速度谱与绝对加速度谱在长周期段的衰减规律不同,大阻尼比长周期段拟加速度谱衰减速度较快。阻尼比0.05的标准抗震设计谱在第一和第二下降段采用形式简单的1/T和1/T²的规律衰减是合理可行的,无需通过修正衰减指数获得基于拟加速度的大阻尼比抗震设计谱。长周期地震反应谱的动力放大系数有显著的场地效应,以Ⅱ类场地为参考,Ⅰ~Ⅳ类场地效应系数分别取0.9、1.0、1.1和1.2较合适。地震动长周期分量对结构阻尼修正系数有很大的影响,基于拟加速度谱与绝对加速度谱的阻尼修正系数在长周期段有显著的差异。结构算例验证了长周期结构建议设计谱的衰减指数与阻尼修正系数取值的合理性。     

A numerical procedure for simulating the multi-support seismic response of submerged floating tunnels anchored by cables

The modeling and seismic analysis of submerged floating tunnels moored by cables is addressed with particular attention to spatial variability of the excitation. Dissipation modeling issues and cables discretization are also discussed.A uniformly modulated random process, whose spatial variability is governed by a single coherency function, is deemed adequate to model the multi-support seismic input for a given structure of large dimension undergoing limited plastic deformation, as the one considered here. A novel method to obtain response spectrum compatible accelerograms is proposed, based on the explicit expression of the median pseudo-acceleration response spectrum induced by the adopted power density function (PSD). This expression is used to identify the parameters of the PSD function that minimize the difference with the elastic response spectrum prescribed by EN 1998; the minimization process is discussed and parameters for the PSD spectra are obtained. Samples of the free-field motion are then generated using a proved and theoretically sound approach and reach a satisfactory agreement with the prescribed response spectra.To model the cables, a 3 node isoparametric cable element is enriched by including hydrodynamic loading, within a numerical procedure for the dynamic time domain step-by-step analysis of non-linear discretized systems.An example of application is shown that makes reference to the bed profile of Qiandao Lake (People’s Republic of China), where a plan exists to build the first SFT prototype.     

双层索系支承玻璃幕墙结构的抗震设计反应谱研究

广泛应用于大型公共建筑中的双层索系支承玻璃幕墙结构是一种新型结构形式。针对这种结构的研究,以往大多侧重于其抗风性能,而对于其抗震性能的研究较少。针对双层索系支承幕墙结构的特点,构造非线性单质点体系,利用多条最不利地震动记录,采用时程分析法计算该类结构在小震、中震和大震下的加速度反应谱。在此基础上,经过统计、平滑处理,得到适用于双层索系支承玻璃幕墙结构抗震设计的设计地震反应谱和地震影响系数。算例分析表明,采用该反应谱所得到的结构地震响应值与时程分析结果较为接近。     

兆瓦级风力发电结构地震作用研究

近年来,国内外的风力发电发展迅速,位于地震高烈度区的风电场越来越多,风电结构的抗震设计日趋重要。然而,目前国内外还没有针对风力发电结构抗震设计的成熟标准。虽然IEC等规范给出了简略的风电结构抗震计算方法,但这些简化对于这种特殊的高耸结构是否准确合理还需要验证。为了论证IEC简化方法、底部剪力法、振型分解反应谱法等国内外的规范方法对风力发电机构地震作用评估的合理性,文中采用这些规范方法对风电结构的地震作用做了分析。选取了一组实际地震波,使它们的反应谱与规范反应谱相接近,用这一组实际地震波的反应谱对风电结构进行振型分解反应谱法计算。计算结果与规范反应谱方法很接近,说明这组地震波能够反映规范反应谱的特性。以这组地震波作为输入,用有限元方法对风电结构进行了地震作用计算。通过对规范方法和有限元方法的结果进行比较,发现规范方法在风电结构的抗震设计中是偏于保守的。     

基于总输入能量谱与瞬时输入能量谱的设计谱修正

地震动中的长周期成分对长周期结构的影响不容忽视,现行的设计反应谱为了保证长周期结构抗震设计具备保守性,人为增大了特定频段和特定场地条件的谱值。针对目前设计谱的不足,依据线性单自由度体系的地震动总输入能量谱和瞬时输入能量谱,对规范反应谱5Tg～6s直线下降段提出调整方法。从具有速度 脉冲特征的长周期地震记录中选出能量谱值最大的地震记录加以说明,得到修正后的加速度谱与相应的拟速度谱和位移谱。建议的反应谱修正方法综合体现了总输入能量与瞬时输入能量的特征,对于工程结构设计具有重要的理论意义和实用价值。