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。     

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。     

地震动统一时频谱特性及其在人工合成中的应用

传统地震动时域或频域理论模型不能充分反映地震动时频域的非平稳性。利用现代信号分析方法可以获得非平稳时变功率谱及演变谱,但缺乏精度评价标准。在理论和计算分析的基础上,确认小波包分解方法是建立时变功率谱的有效工具,并依据时频边缘条件提出时频谱分析精度评价标准。在地震动时频特征统计分析的基础上,认为地震动时频谱由多峰平滑谱和非平稳噪声谱两部分构成。分别建立由多峰平滑功率谱和非高斯频域噪声谱构成的地震动频域谱模型以及由多峰平滑时域能量谱模型和非高斯时域噪声谱模型构成的地震动时域谱模型。由此形成的时频谱模型在时频特性表征、函数表达、精度及多维分析等方面均有较强的统一性。依据统一时频谱进行调整或人工合成的地震动具有良好的精度和强非平稳性。     

与指定地震记录相关的非平稳地震动场的模拟

地震动的非平稳特性主要是由其相位差谱决定的,相位差谱与相位导数之间存在线性倍数关系。根据相位导数的计算公式,从能量的角度解释了相位导数的均值决定了时程峰值的大致发生时刻,相位导数的方差决定了强震段的持续时间。本文改进了均匀调制非平稳过程的相位导数概率密度函数计算公式中强度谱矩的计算方法,使之能够适用于一般非平稳时程。在模拟与指定地震记录相关的非平稳地震动场方法中,计算指定地震记录相位导数的概率密度函数,并按照这一概率密度函数生成其他各点的相位导数,得到其他各点的随机相位谱;然后采用基于功率谱表示的地震动场合成方法,利用快速傅立叶变换技术生成地震动时程。     

地震动全非平稳时频谱统计模型及其在结构分析中的应用

针对传统的时域强度包络函数没有充分考虑地震动统计特性的不足，提出基于能量持时的地震动强度统计模型建立方法，获得不同场地类型的地震动强度包络统计模型及典型地震波。针对过滤白噪声型单峰型功率谱不能充分体现真实的地震动功率谱多峰性和强非平稳性的不足，采用更精准的多峰功率谱模型。在此基础上，基于小波包变换提出时变功率谱（演变谱）的统计模型和等效函数模型，二者均满足时频域的边缘条件及非负性，且可精准而细致地表征时频非平稳性。通过算例证明按照时变功率谱统计模型及其等效函数模型在结构进行随机响应分析时相比于传统的功率谱函数模型具有更高的精度。     

地震动加加速度反应谱的概念及特性研究

加加速度是加速度关于时间的变化率,反映了结构受力变化情况。地震动加加速度及其反应谱的研究可以加强人们对地震动非平稳性的认识。阐述了加加速度的力学意义及研究价值,探讨了计算DriDri速度的动力学方法并对其优缺点进行了比较。建立了地震动下弹性及弹塑性加加速度反应谱的求解方法。根据场地类型、放大系数、延性系数及折减系数等影...     

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。     

基于小波理论的地震动合成方法研究

基于小波模拟信号的基本原理，在借鉴反应谱拟合法的基础上，提出一种采用频带能量控制为主的地震动合成方法，推导了其合成公式。并以合成的地震样本为例，对其频谱特性进行了分析研究。研究结果表明，该方法合成的地震样本函数能准确地反映出地震动的基本特性，特别是地震动的时频非平稳性，具有较高的工程实际应用价值。     

地铁地下车站在非一致性地震输入下的动力响应

由于近年来城市地下空间的开发,修建了一大批地铁车站,这些大尺度地下结构的出现,为工程抗震提出了新的课题。首先详细阐述了基于设计反应谱合成空间相关多点地震波的方法,合成的地震波不仅具有地震动的空间相关性,同时还具有强度和频率含量的双重非平稳性;再分别建立了位于三种场地中的地铁车站三维有限元模型,用无限单元来模拟无限域的影响,在此基础上分析了一致与非一致地震动输入情况下该地铁车站的地震响应特征。结果表明：在软土场地中,地震动的非一致性使车站轴向各中柱位移产生了较大的相位差,同时对侧墙的动应力影响较大;在中等和硬土场地中,地震动的非一致性对结构的动力响应影响较小,一般可以忽略。建议在对软土场地中的大尺度车站结构进行地震反应分析时,应考虑地震动的非一致性影响。     

与已知场点相关的地震动场模拟研究

提出了一种与已知场点相关地震动场模型。将工程频段(0~25 Hz)分成若干个互不重叠的子段,在每个子频段内将地震动看作面波和体波的叠加;其次在每个子频段内确定影响合成地震动幅值谱的关键因素并将其引入模型中,使每个子频段的合成地震动幅值谱、功率谱和已知幅值谱、功率谱一致;再次由相位差谱频数分布与地震动强度包络的相似性,将决定地震动强度非平稳的关键因素即相位差谱引入到模型中,使合成地震动和已知地震动波形相似;最后,由模型中的频散曲线和距离参数描述不同场点之间的相干性,将合成地震动扩展到地震动场模型。El Centro地震波场点地震动场算例表明,模型不仅可以实现合成地震动场功率谱和已知场点完全一致,而且相干性合理,可以用于工程分析。     

地震动频谱对小湾拱坝非线性响应的影响

将时间信号时—频联合分析的自适应谱方法用于研究地震地面运动的频率非平稳特征、提取频率非平稳信息，统计得到各个频段地震动成分的强度变化过程。在此基础上，应用均匀调制随机过程模型和演变随机过程模型合成人工地震波，以此为输入对高拱坝进行了考虑地震动时—频非平稳性的动力响应分析。结果表明，在地震力作用较小时，影响不大，但对地震力作用较大的高拱坝，地震动的非平稳性对拱坝非线性地震响应的影响不可忽略。     

考虑震源和场地特征的近断层地区竖向地震动合成研究

近断层高风险条件下的结构安全性日渐受到重视,该文建立了一种考虑震源特性的近断层竖向地震动人工合成方法。建立了以断层类型、震级、断层破裂顶部埋深、断层距、场地剪切波速为参量的地震动预测模型,考虑模型参数相关性并保留其变异性,使模拟的地震动可反映实际近断层地震动的最不利效应(强度与频率非平稳、模型参数的变异性);绘制残差图分析了统计效果,验证了回归所得参数的显著性;对比分析了所提模型与前人成果的模型参数差异,以及人工合成地震动与实际地震动时程、反应谱的吻合程度,验证了所建立的方法的准确性、合理性。该文所提方法参数少(仅7个参数,可考虑强度和频率非平稳性);与乘系数法相比,该文方法模拟的地震动特性更符合竖向记录统计规律;可与目前已有的水平分量地震动模拟方法联合构成三维近断层地震动模拟方法,用于地震风险等级高的结构抗震设防分析与设计,也可在匮乏实际地震动记录的地震风险相近地段替代使用。     

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。     

基于数字滤波技术拟合规范反应谱的地震动研究EI北大核心CSCD

在重要结构的抗震设计与分析中,常需要输入拟合设计反应谱的地震动时程。该研究提出一种基于数字滤波技术调整天然地震动记录拟合规范反应谱的方法,以设计谱频率控制点为中心确定频带数目与范围,针对各个频带利用无限冲激响应数字滤波器对强震动记录时程开展带通滤波,并以滤波所得频带分量为基函数重构地震动时程;以重构时程为种子时程,引入影响矩阵方法开展迭代计算逐步调整频带分量的幅值向量,直至时程反应谱与目标谱的拟合精度满足要求为止。选取3个不同类型设计谱为目标谱分别开展拟合计算,结果表明:该方法分解并重构的地震动时程与天然强震动记录在时域和频域的重合度均较高;可与不同设计谱实现高精度拟合,时程反应谱迭代收敛性好,且能较好地保留时程非平稳性,可为工程结构抗震设计与分析提供合适的地震输入。     

钢筋混凝土框架结构非平稳随机地震反应分析

本文考虑地震动过程的非平稳性和钢筋混凝土框架结构的动力非线性,将线性结构非平稳反应分析的时域模态综合技术与非线性结构平稳反应分析的等价线性化法相结合,构造了一种计算结构非平稳反应的离散时域等价线性化法.通过对剪切型钢筋混凝土框架结构的实例计算,探讨了地震动的非平稳性和结构反应的非平稳性对最终结果的影响,给出了有关的结论.     

地震动广义动力放大系数谱及其特性研究

传统地震动力放大系数谱是根据地震动最大加速度和结构最大加速度而确定的,没有充分虑及时域非平稳性。通过比较不同周期结构最大反应出现时刻和地震动峰值出现时刻,验证极大峰值对结构反应同样有重要的作用。提出考虑若干极大峰值作用的等效动力放大系数谱的概念,计算不同场地类型下的统计谱并验证其保守性。鉴于考虑频域非平稳性的动力放大系数标准差谱的合理性,计算相关统计谱并确认其在长周期段谱值较高。综合考虑传统谱、等效谱和标准差谱的特点,基于三种谱外包络提出具有足够的保守性的广义动力放大系数谱的概念。建立广义动力放大系数谱与传统谱的比值拟合公式。通过算例验证按广义动力放大系数谱进行结构抗震设计或验算具有更高的安全性。     

用1(1/2)维谱结合小波包能量提取地震动信号特征

针对车辆（轮式车、履带式车）引起的地震动信号中,具有非平稳、非高斯性特征相互重叠的实际情况,研究了地面活动目标产生的地震动信号特性;从理论上说明了1(1/2)维谱可消除车辆引起的地震动信号中的高斯白噪声或有色噪声,在将[112]维谱分析和小波包能量谱相结合的基础上,提出一种特征提取方法,以便区分不同的车辆目标。在时频域构建以[112]维谱和小波包能量谱作为地震动信号的联合特征向量,建立以训练误差为目标的BP神经网络模式分类器;然后对两类车辆信号进行识别。地震动信号的车辆实测数据表明,该方法能够准确和有效地识别车辆引起的地震动信号。     

大跨度空间结构多维多点非平稳随机地震反应分析

对大跨度空间结构进行三向正交地震动多点激励下的非平稳随机地震反应分析。建立了多维多点随机非平稳地震动激励下的地震反应分析方法,并针对大跨度空间结构引入了波前法进行简化计算。数值仿真分析了天津奥林匹克中心体育场屋盖结构分别在一维随机地震动或三维随机地震动的一致激励、行波激励以及考虑部分相干效应和地震非平稳性的多点激励下的地震反应,结果表明:考虑地震动空间效应会使结构控制杆件内力增大约30%;考虑部分相干效应会使结构杆件内力变化约10%;考虑多维地震输入会使结构控制内力增大约15%;考虑地震动的非平稳性会使结构杆件内力减小约35%。由此可以得出结论,对于大跨度空间结构的地震反应分析,必须考虑地震动的多维输入和多点激励;然而不考虑地震动的非平稳性,其抗震设计偏于安全。     

特大型桥梁桩基完全非平稳随机地震反应分析

考虑地震动的随机性及频率和强度非平稳性,利用作者所提出的基于强度和能量控制的随机地震动模型,建立了非平稳随机地震反应分析方法。以某特大型桥梁群桩基础为研究对象,将群桩-土-桥墩结构体系作为一个整体进行了特大型桥梁桩基非平稳随机地震反应分析。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息确定了作为输入的加速度时-频演变功率谱密度;其次,分析了非平稳随机过程激励下自由场和桥梁桩基相互作用体系的地震反应,探讨了非平稳随机过程激励下的群桩-土-桥墩结构动力相互作用;最后,通过比较强度非平稳随机过程和完全非平稳随机过程激励下桥梁桩基相互作用体系的地震反应,探讨了频率非平稳性对相互作用体系地震反应的影响。     

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。