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。     

海域地震动水平加速度反应谱阻尼修正系数

为估算不同阻尼比海域工程结构的反应谱,研究了海域工程反应谱的阻尼修正系数(D_MF)模型。基于S-net台网的5 680条海底水平向地震动记录,分析了矩震级、断层深度和震源类别等震源参数,以及震源距和沉积层厚度对D_MF的影响,提出了考虑阻尼比和谱周期的海域地震动水平加速度反应谱D_MF模型,并与陆域模型进行了对比。研究表明:矩震级和震源距对D_MF影响显著,低阻尼D_MF随矩震级和震源距增大而增加,高阻尼D_MF随之增大而降低,而D_MF受断层深度和沉积层厚度的影响不显著;与陆域研究不同,在低阻尼中长周期时海域地震动的浅地壳和上地幔地震的D_MF略大;谱周期大于0.1 s时和小于0.1 s时,可分别用三次和二次对数多项式模拟阻尼比对D_MF的影响,谱周期的影响可分别用四次和三次多项式表示;海域D_MF模型与陆域模型差异显著,海域D_MF模型更能合理预测不同阻尼比的海域地震动反应谱,提出的海域地震动反应谱D_MF模型为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。     

海域和陆域地震动输入能量与强度指标相关性

为给概率地震危险性分析提供依据,研究了海域和陆域地震动弹性输入能量与其他地震动强度指标的相关性及海陆差异。基于日本K-NET台网的271次地震事件,包含1 784条海域地震动记录和4 480条陆域地震动记录,通过相关性分析选取了7个代表性强度指标。首先,计算了不同震中距下强度指标与绝对和相对输入能量的相关性,并从不同周期段及震中距的角度分析了结果;其次,对不同阻尼比下强度指标与绝对和相对输入能量进行相关性分析;最后,对比了海陆强度指标与输入能量的相关性差异。结果表明：在不同周期段,海域和陆域地震动与输入能量相关性最好的强度指标多数相同,但在不同震中距下,强度指标与输入能量相关系数的极值存在海陆差异;在不同阻尼比下,同一强度指标与输入能量的相关性存在海陆差异,初步分析发现该差异可能是海域地震动低频成分丰富造成的。因此在研究输入能量与强度指标相关性时,需考虑阻尼比、震中距的影响。相关结论可为海陆概率地震危险性分析相关研究提供参考。     

考虑海域衰减特性的日本相模湾海底场地放大研究

为研究海底场地放大特征，选取日本相模湾地区6个海底强震台站和附近23个陆地台站，共188次地震的8199条地震动记录；采用广义反演法研究了海域与陆域数据反演震源位移谱的一致性；借助非参数广义反演法不受传统衰减函数形式限制的优势，分析了衰减函数的特征，反演了日本相模湾地区海域品质因子；最后分离并研究了海底台站的场地放大效应。相模湾地区海域与陆域地下介质存在明显不同，在震源、传播路径和场地条件三种效应解耦过程中，海域与陆域采用相同的衰减函数，会影响海底场地放大效应的估计精度。该文在海底场地放大的研究中区分考虑了陆域与海域的衰减函数，结果表明：日本相模湾地区海域品质因子在高频处对几何衰减模型十分敏感，且小于陆地上的品质因子，即水平方向的地震动在海域衰减速度高于陆域；考虑海域衰减特性进一步提高了海底强震动台站的场地放大估计精度。     

海底与陆地地震动反应谱比定量分析

为了研究海底地震动与陆地地震动反应谱统计特性的差异,选取日本相模湾地区K-net的922组海底地震动记录和KiK-net的4599组陆地地震动记录,通过对海底与陆地地震动标准化弹性加速度反应谱以及弹塑性反应谱的对比分析表明:弹性反应谱的海陆谱比变异较小,平均值可作为定量对比关系;当周期小于0.5 s时海域与陆地地震动的差异较小,当周期0.5 s以上时海域与陆地地震动反应谱的差异明显,海域地震动的竖向分量显著较小;对于等强度延性谱,当震级或震中距较小时,有必要考虑1.5 s及以上周期的水平方向海底与陆地地震动的差别;而对于竖向地震动,则需更加关注0.5 s以下短周期地震动的海底与陆地地震动的差异。     

海域地震动长周期特性及其强度指标研究

为了分析海域地震动的长周期特性。选取893条三分量海域地震动记录,识别出其中长周期特性明显的水平和竖向海域地震动,比较了海域长周期地震动的动力放大系数谱和抗震设计规范谱的差异,研究了海域地震动强度指标PGA(Peak Ground Acceleration),PGV(Peak Ground Velocity),PGD(Peak Ground Displacement)与不同强度折减系数下的弹塑性单自由度体系的最大变形需求间的相关性。分析结果表明:由浅源远场强震(震源深度小于45 km,震中距大于120 km,且矩震级大于6.2)产生的海域地震动的长周期特性十分突出,其动力放大系数谱在长周期段(2~10 s)明显超过了抗震设计规范谱的取值,且竖向地震动的长周期特性比水平向地震动更显著;PGD和单自由度体系的最大变形需求的相关性在长周期段最好,因此建议选用PGD作为海域远场长周期地震动的抗震分析强度指标。     

海域地震动竖向加速度反应谱阻尼修正系数

该文提出了一个用于调整5%阻尼比海域地震动竖向加速度反应谱的阻尼修正系数(Damping modification factor, DMF)模型。基于S-net台网的5680条海底竖向地震动记录，利用DMF比值和Z检验分析了地震类型对DMF的影响，提出了考虑阻尼比和谱周期的DMF模型，与陆域DMF模型进行了对比，并获取了不同阻尼比下的竖向加速度反应谱，最后对残差及标准差进行分析。研究表明：地震类型对DMF的影响可以忽略；可用三次多项式模拟阻尼比对DMF的影响；由于海域地震动特性导致海陆DMF模型之间差异显著；阻尼比能够影响5%阻尼比反应谱1倍标准差的谱值；残差分析表明可引入矩震级、断层深度和震源距改善DMF模型的拟合度。该文提出的海域地震动加速度谱竖向DMF模型，为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。