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。     

一种时频非平稳人造地震动的生成及反应谱拟合方法

本文从数学角度介绍了相位差谱影响地震动非平稳性的机理,及结合大量实际地震波的统计数据,得到了相位差民地震特性参数之间的统计关系（只限其岩情况）,同时给出了基于相位差谱的地震动人工生成及反应谱拟合的方法与步骤。最后,通过对计算实例的分析,证实了此方法能够反映模拟实际地震动的时－频非平稳性。     

人造地震动反应谱拟合的窄带时程叠加法

提出了一种在时域内叠加窄带时程的方法以提高人造地震动时程对目标反应谱的拟合精度。该方法首先利用传统的在频域内调整傅立叶幅值谱的方法合成以给定峰值加速度、反应谱和强度包线为目标的初始加速度时程;然后基于线性单自由度体系的地震输入反演公式,利用在时域内叠加窄带时程的方法继续调整该初始时程以进一步提高其对目标反应谱的拟合精度。算例分析结果表明,该算法所得到的人造地震动时程对目标谱具有较高的拟合精度。     

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。     

空间地震动场的相干性研究

摘 要 地震动的空间变化受震源破裂过程、传播途径和场地条件等因素影响,目前地震动场的相干性研究大多是用台阵实测数据,不具有普适性。本文采用震源位错模型,利用数值方法模拟均匀单一介质随机地震动场的理论地震图,通过对大量计算数据的分析,研究地表地震动场的空间相干性。分析结果表明：本文数值模拟结果所反应的地震动空间相干性规律与实测数据所反应的规律基本吻合,表明本文分析方法和模型的合理性。同时空间地震动场相干性随地震波的传播方向存在各向异性,断层走向是空间地震动场相干性的重要影响因素。本文方法是对地震动场相干性具有普适性的一个尝试。     

典型铁路梁桥抗震设计地震动破坏势排序

输入地震动的选取是桥梁抗震分析中的重要环节,不同的输入地震动引起的桥梁结构反应有显著差异。为了对铁路桥梁抗震设计地震动的选择提供定量依据,将"最不利设计地震动"的概念拓展并应用到桥梁抗震领域,研究典型铁路梁桥在不同地震动作用下的结构响应,得到基于结构相应参数的输入地震动破坏能力排序。首先确定了桥梁地震动输入以及评价指标,使用OpenSees对桥墩模型输入大量地震动记录进行有限元分析,通过调幅手段研究幅值与单一参数的关系,并引入颜色映射理论研究幅值与多参数的关系。研究表明:(1)当较低幅值地震动作用在结构上时,结构的地震响应与第一周期反应谱值相关性最好;(2)随着幅值的增加,结构周期增长,地震响应与更长周期反应谱值以及速度、位移参数、持时参数等的相关性会逐步提高;(3)通过动力时程计算并对墩顶位移进行比较,给出了模型在设定地震作用下的排序,结果可为相关桥梁结构的输入地震动选取提供参考。     

近断层长周期脉冲型地震动对竖向反应谱影响研究

长周期大幅值脉冲运动是近断层地震动的重要特征,也是引起结构震害的重要因素。在既有的地震动数据库基础上,筛选建立了长周期脉冲型记录的统计样本库,并构建了地震动特征参数的回归关系式。针对竖向反应谱,深入分析了竖向分量与水平向分量的加速度反应谱比值随脉冲周期和结构自振周期的变化规律,结果表明反应谱比值显著大于现行规范取值,进而采用分段线性化方法,建立了竖向反应谱比值随脉冲周期、自振周期变化的简化关系式,并对影响竖向反应谱曲线各拐点周期的特征比值进行统计分析,拟合得到了其随震级和断层距的衰减模型。     

简谐波地震动反应谱研究

简谐荷载作用下单自由度体系的动力反应是典型的结构动力学问题,也是地震工程中研究结构地震反应的基础.对简谐地震动反应谱特性的研究有利于认识地震动、尤其是近场地震动的特性以及它对结构地震反应的影响.基于结构动力学的基本理论,推导了简谐地震动作用下,单自由度体系的理论解、瞬态解和稳态解.分析了简谐地震动全解反应谱、稳态解反应谱和瞬态解反应谱的特性并讨论了它们之间的关系.研究结果表明:在简谐地面加速度作用下,高频地震动也可以引起长周期结构产生很大的位移反应,且最大位移反应出现在结构的瞬态自由振动阶段.这不仅揭示了近场地震动对结构反应的重要影响,也从另一个侧面揭示了近场地震动的潜在破坏作用,而且提出了在近场情况下结构抗震不可忽略结构的瞬态自由振动影响的观点.     

典型地震动作用下长周期单自由度体系地震反应分析

通过单自由度体系典型地震反应分析探讨长周期结构的类共振及瞬态效应问题。远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动是导致长周期结构发生类共振的两类长周期地震动,而目前对此两类地震动特性以及地震反应的对比分析尚不多见。首先,通过卓越频率与能量时间分布系数对比分析,研究了长周期地震动能量时频分布特性,结果表明：两类长周期地震动的能量均集中在较低频段,且远场类谐和地震动的能量集中频段略低于近断层脉冲型地震动;近断层脉冲型地震动与普通地震动的能量在时域内分布较远场类谐和地震动集中。然后,进行了弹性反应谱对比分析,结果表明：在长周期段,远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动的加速度反应、速度反应、位移反应和输入能量均大于普通地震动,且速度反应、位移反应与输入能量的放大程度明显高于加速度反应;远场类谐和地震动的各反应明显大于近断层脉冲型地震动,且衰减更为缓慢。最后,提出瞬态效应的概念,并进行了实际地震动作用下的瞬态效应分析,结果表明：瞬态效应是地震动高频成分的固有属性,但不足以引起长周期结构的瞬态位移破坏。建议在对长周期结构进行抗震设计时,需要重点考虑两类长周期地震动引起的类共振问题,而不需要考虑瞬态效应。     

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...     

Conditional random fields containing non-stationary stochastic processes

The objective of our study is to develop a theoretical framework for conditional random fields (CRFs) which consist on non-stationary stochastic processes, using probability density functions of Fourier amplitudes and phases in the frequency domain. The problem area of CRFs in this study is limited to the estimation of stochastic processes conditioned by realized values of time series at one site.

To represent the properties of non-stationary processes, we will introduce group delay time spectra, which are gradient of phase spectra with respect to frequency. Using the style of likelihood method, the conditional probability density functions of Fourier phases are updated by information of group delay time. Then, a method to generate numerically the conditional random fields containing non-stationary processes is developed and it is verified through the numerical examples that the method can give reasonable results.     

基于GA－RS的规则钢筋混凝土桥梁圆形单柱桥墩延性抗震优化设计

提出抗震结构集成优化设计的新方法,将多目标遗传优化算法与反应谱分析很好地结合起来,建立规则钢筋混凝土圆形单柱桥墩多目标抗震优化设计的通用框架,以圆形单柱桥墩的截面半径、纵向钢筋配筋率和横向箍筋配筋率为设计变量,以结构的初始材料造价、抗震强度需求能力比、抗震延性需求能力比为优化目标函数。通过把延性抗震设计问题转化为多目标优化问题,从而使设计者可以很好地平衡抗震设计的各种关键因素,并以可控的方式处理多个优化目标而获得Pareto意义上的最优设计参数。     

非平稳地震作用下MSCSS动力可靠度分析及优化

基于巨子型有控结构体系(Mega-sub controlled structure system,即MSCSS)的组装原理,从抗震设防的角度提出了"有区别的等可靠度优化准则"。采用Hilbert-Huang变换(HHT)法合成非平稳人工地震波,将基于概率密度演化理论的动力可靠度分析方法用于MSCSS,编制了MATLAB与SAP2000的接口程序,以所提出的优化准则对非平稳地震作用下MSCSS进行了尺寸优化,并比较了优化前后的结果。研究表明:对MSCSS进行优化是有必要的,MSCSS优化后的可靠度分布比优化前更为合理,且响应控制能力也得到了提高。     

Establishing the relationship between damage measure,seismic hazard,structural ductility and period for PBSD

Abstract

The goal of this research is to establish a relationship between design level and performance level. Designers can take advantage of this relationship to determine the annual probability of exceeding the seismic hazard safety level and the performance of a building subjected to a certain intensity of earthquake loading. In this research, the design level is defined by annual probability of occurrence and the performance level is presented by Park & Ang's damage index which includes both hysteretic energy and deformation of structural response. The γ spectrum, which considers the inelastic hysteretic energy of a nonlinear SDOF system, was developed from Taiwan ground motion data and added to the damage index. The damage spectrum, representing the design level versus annual probability of the index tolerance being exceeded, is provided in this research. Engineers can refer to these diagrams and spectra to assess if the proposed design and performance level are acceptable. An example is also made showing how to use this approach at the end of this study.     

考虑结构损伤的消能减震结构能量设计方法

RC框架结构在地震作用下多出现局部楼层损伤明显或抗力不足问题,通过对抗侧力构件性能的合理优化可实现各楼层损伤程度相近的设计效果,消除薄弱层,达到更为理想的均匀损伤分布模式。提出RC框架结构的均匀损伤设计方法,以各楼层损伤指数相等或相近为优化目标,各层框架柱配筋率为优化变量,通过智能算法与有限元平台协同计算技术,实现RC框架结构均匀损伤优化设计,并采用弹塑性时程分析和IDA方法对优化效果进行验证分析。结果表明,通过智能算法优化框架柱配筋方案可以有效调控结构各层损伤程度,不同地震波作用下结构最优配筋率分布是不完全相同的,并且框架柱的最优配筋率分布也未呈现明显的统计规律,但将不同地震波下优化结果的均值作为框架柱配筋方案可以提高结构抗震能力,该优化方法合理有效。

     

Empirical formula for strength reduction factor based on artificial ground accelerations compatible with design spectra in Taiwan

In the seismic design of structural systems, an elastic design spectrum is reduced to an inelastic one by the strength reduction factor, which depends on the ductility capacity. All 1062 artificial ground accelerograms compatible with the design spectra provided in the Taiwan seismic design code are generated in order to acquire an empirical formula for predicting the strength reduction factor based on the ductility capacity and the natural vibration period. For a given ductility capacity, the variation of the mean strength reduction factor on the natural vibration period is minimal despite the differences in epicentral distances, site conditions, and return periods. Such a variation tends to be trilinear, where the two points of transition locate exactly at both ends of the platform in the target response spectra. On the basis of the mean strength reduction factors, an empirical formula is proposed. This empirical formula generally overestimates the strength reduction factors in the long-period region for a large ductility capacity, but offers conservative estimates elsewhere.     

多失效模式机械系统可靠性稳健设计方法研究

将机械系统可靠性设计理论和稳健设计方法相结合,讨论了多失效模式机械系统可靠性稳健设计问题,提出了多失效模式机械系统可靠性稳健设计的计算方法．把可靠性灵敏度融入可靠性优化设计模型之中,将机械系统可靠性稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化问题．在基本随机参数的前二阶矩已知的情况下,可以迅速准确地得到机械系统可靠性稳健设计信息．     

Micrograting design to retrieve IR spectra in the long wavelength region

To design microgratings, which can be used for correlation spectroscopy in the 725–1450 cm^?1 range, a gradient searching Davidon–Fletcher–Powell (DFP) algorithm was successfully applied to retrieve target spectra of SF₆, ethylene, SO₂, and NH₃. Owing to a unique fit parameter treatment, the DFP algorithm produced stable convergence for the minimization and provided superior matches between the diffraction spectrum and the target spectrum to those provided by the phase retrieval algorithm (PRA) or the extended PRA. In addition, the diffraction efficiencies for the micrograting line profiles obtained from the DFP algorithm were at least an order of magnitude greater than those from the PRA or the extended PRA. We also evaluated the effects of number of line element reduction or the dimensional errors in the line elements on the spectrum shape. The line depth error would not change the main spectral features but increase noise features. However, the line width error affects more sensitively the spectrum shape and the diffraction efficiency.     

The elastic stress fields of elliptic and tapered cracks with predefined shapes

The shape of a tapered crack is more alike cracks in brittle materials than an elliptical crack. The deformation and stress fields for a tapered crack are therefore estimated for hydrostatic pressure and tensional stress by applying the method of complex potentials. The stress fields for the tapered and elliptical cracks are quite similar, which suggests that the elliptical crack can be used as a model for the stress fields for cracks in general. However, the tapered crack has a larger tensional stress at the crack tip, which show that fracture propagation occur at lower applied stresses than for the elliptical crack. A tapered shape of fluid filled fractures can account for their discontinuous propagation. The discontinuous fracture propagation is observed in a large scale by volcanic eruptions where the fracture propagation generates seismic activity.