地震波时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型的建立

利用谐小波变换对实际强震记录的时变谱进行估计,并统计分析了远场3类不同场地上地震波的时变谱特征,分析发现对于硬场地上的远场地震波在时域内平稳段较短,下降段衰减较快,而在频域内则具有较大的中心频率和较宽的频带.利用均匀调制非平稳模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳模型模拟地震波的时变谱,把非线性函数的参数识别问题转化成求解无约束优化问题,利用拟牛顿迭代法求得最优解,得到3类不同场地上这两种模型的参数具体取值以及参数函数集的具体表达式.为了定量地确定模拟模型的精度,定义了误差函数,验证了所提时变谱参数识别方法的精度,给出了与建筑抗震规范相对应的不同场地不同烈度下多遇和罕遇地震的谱强度因子的大小.最后提出了利用求解时变线性微分方程组来合成非平稳地震波的方法.     

时变功率谱空间变化性分析

基于我国台湾地区SMART-1密集台阵强震记录资料和Kameda的时变功率谱模型,利用多重滤波技术和非线性最小二乘法拟合得到每条记录的Kameda模型参数值;通过分析模型参数随频率变化的散点图分布规律,建立了时变功率谱模型参数随频率变化的随机模型。采用随机振动理论和多元统计分析方法,分析了沿波传播方向距离、垂直于波传播方向距离及测点所在位置土层厚度等局部空间位置变化对时变功率谱模型参数的影响规律,探讨了时变功率谱模型参数的空间分布形式,建立了各模型参数随空间坐标变化的随机预测模型,从而为重大工程多点输入地震动参数的确定和多点输入加速度时程的合成提供实用模型。     

基于新《电力设施抗震设计规范》的地震动随机模型参数研究

根据新《电力设施抗震设计规范》(GB50260-2013)对随机地震动功率谱参数的取值进行分析。介绍新《电力设施抗震设计规范》中设计反应谱,推导设计谱到功率谱的转换过程。选取常用的Clough-Penzien修正过滤白噪声模型作为拟合函数,通过功率谱参数拟合,得到不同场地类别、不同抗震设防烈度下的地震动模型参数。该研究成果可为电力工程抗震设计分析提供参考。     

非平稳地震动过程模拟方法(Ⅱ)

在总结回顾具有同一统计特征非平稳地震动过程模拟的研究基础上, 提出了一个模拟产生与某个给定地震动记录具有同一统计特征[CD2]时变功率谱的非平稳地震动过程的方法. 方法具有如下一些特点: 模拟产生的样本过程在幅值上和频率上均是非平稳的, 幅值和频率的非平稳性均取决于目标时变功率谱; 任意一个样本过程的时变功率谱未必符合目标谱, 但在统计意义上却严格符合目标谱. 最后, 论文以Landers地震的一个加速度记录为例对方法进行了验证.      

长输管道在多点输入下的地震响应分析

引入反应谱和功率谱的转换关系,采用功率谱修正迭代方法,改进了基于设计反应谱的空间多点相关非平稳地震动的合成方法。建立了考虑管-土相互作用的长输管道有限元模型,并考虑地震波传播的空间效应和行波效应,开展了均一场地条件下埋地管道的时程地震反应分析。     

基于《电力设施抗震设计规范》的地震动随机模型参数研究

依据《电力设施抗震设计规范》（GB50260-96）中的设计反应谱,对随机地震动功率谱参数的取值进行了具体研究。首先,采用时间包络函数考虑地震的非平稳特性,给出了地震动持时的取值;然后,根据加速度峰值等效原则,迭代计算得到地面的加速度功率谱密度曲线;最后,选定Clough-Penzien修正过滤白噪声模型作为拟合函数,通过非线性拟合技术拟合了与《规范》中的地震烈度、场地类别相对应的谱参数。研究结果表明,Clough-Penzien修正过滤白噪声模型能较好地拟合其曲线形状。本文给出了相对于规范中的地面加速度功率谱参数值,可供这种模型作为地震地面运动输入时选用。     

全非平稳地震作用的结构随机反应与可靠度分析

在平稳地震动过程的Clough-Penzien功率谱基础上,采用林家浩非均匀调制函数建立全非平稳地震动过程的演变功率谱。根据我国现行的《建筑抗震设计规范》进行全非平稳地震动演变功率谱的参数识别研究。应用非平稳随机过程模拟的谱表示-随机函数方法,生成建筑结构抗震设计所用地震动的代表性样本集合。通过代表性样本集合的二阶统计值及地震反应谱与目标值的拟合比较,验证本文方法的有效性。最后结合概率密度演化方法,进行以层间位移角为控制准则的结构随机地震反应分析与抗震可靠度计算。     

时变地震谱估计的非参数方法评价及应用

针对工程中常见的非平稳地震动激励,进一步建立了时变功率谱估计的理论框架。首先,在多个样本情形下,采用信号处理中的时频分析方法对非平稳激励的时变谱估计理论进行了讨论。当激励样本数量有限时,对Priestley提出的估计方法进行了介绍。其次,以地震工程中常用的Kanai-Tajimi谱模型为目标,分别对均匀调制与一般调制谱的估计结果以及不同估计方法的精度与收敛性进行评价后,提出了能够方便工程应用的建议。最后,针对SMART-Ⅰ(Strong Motion Array in Taiwan,Phase Ⅰ)密集台阵第45次地震记录的多组三维样本,揭示了EW、NS、UD三个方向时变谱的典型特征以及各方向间的时变相干性。结果表明:与短时Fourier变换相比,复Morlet小波与广义谐和小波估计谱具有较好的精度与收敛性,Priestley方法估计单个样本具有优势;SMART-Ⅰ台阵地震动具有强度和频率的双重非平稳性,三个方向具有弱相干性。研究结论可为拓展谱估计理论的工程应用以及后续大跨结构多维多点非平稳地震响应的分析提供参考。     

识别和处理地震讯号的新方法

本文就地震讯号的识别和处理提出一些新的计算方法和计算机应用软件设计技术,主要包括:1.地震动反应谱和谱频的快速计算方法o2.实时地震汛号识别方法及程序流图;3.修正周期图方法的讯号功率谱估计;4.用于仪器误差修正的新型数字微分滤波器;5.进行记录零线修正时,根据不同的背景噪音特性,由计算机软件自动选定最佳滤波器带宽。     

工程随机地震动物理模型的参数统计与检验

利用PEER强震记录数据库,确定了一类实用的随机地震动模型的参数概率分布。依据GB50011-2010规定的场地类别,对4438条实测地震动记录进行分组。引用系统识别方法对不同场地上的地震动记录进行参数识别,据此结果,对工程地震动物理随机函数模型的基本参数进行了统计分析,给出了随机地震动模型参数的概率分布密度。对基本随机参数的概率空间进行剖分,结合波群叠加方法生成地震动时程,计算获得了随机地震动反应谱。通过比较随机反应谱和实测地震动反应谱的统计特征量,验证了地震动物理随机函数模型及基本随机参数统计结果的正确性。     

Stochastic model of seismic torsional ground motion: Application to Lotung soft site

The purpose of this paper is to present a stochastical approach, which analyse the torsional ground motion, induced by the spatial variability of seismic motions. For this purpose, a torsional ground motion analytical model is proposed and a normalised differential motion parameter is introduced. The approach regards the seismic motion as the combination of a travelling wave on the site (coherent component) and a zero mean randomizing factor that introduces a loss of correlation effect. The soil parameters as fundamental frequency and damping coefficient are integrating by modeling the coherent component with the commonly used Kanai-Tajimi power spectral density. The parametric analysis of the model shows an increase of the induced torsion with both the soil frequency and the motion scattering parameter, and a decrease with the separation distance, the apparent wave velocity and the correlation length. Finally, in order to test the proposed torsional ground motion model prediction, it is compared to the experimental results recorded by the EPRI LSST array in Lotung, Taiwan (Laouami and Labbé, 2002). The comparison leads to the identification of the model parameters for the Lotung soft site.     

基于强度和能量控制的随机地震动模型

考虑地震动的随机性和频率与强度非平稳性,通过理论分析,提出了一般随机地震动模型,并给出了确定模型参数的原则和方法。该模型以地震动强度、地震动能量以及地震动持时等宏观指标作为控制随机地震动模型参数的指标,而对其内在的频谱组成等指标只要求满足一般地震动的特征。该模型可以用于描述平稳随机过程、强度非平稳随机过程以及强度和频率完全非平稳随机过程。通过与常用功率谱模型的比较,验证了该模型的合理性。     

An evolutionary stochastic ground-motion model defined by a seismological scenario and local site conditions

This paper is concerned with modeling earthquake-induced ground accelerations and the simulation of the dynamic response of linear structures through the principles of stochastic dynamics. A fully evolutionary approach, with nonstationarity both in amplitude and in frequency content, is proposed in order to define the seismic action, based on seismological information in the form of a small number of input parameters commonly available in deterministic or probabilistic seismic design situations. The signal is obtained by filtering a Gaussian white-noise. The finite duration and time-varying amplitude properties are obtained by using a suitable envelope function. By utilizing a subset of the records from the PEER-NGA strong-motion database, and time-series analysis tools extended to nonstationary processes, the key transfer-function properties, in terms of circular frequency, damping ratio and spectral intensity factor, are identified. A regression analysis is conducted for practical and flexible application of this model, in order to empirically relate the identified time-varying parameters of the filter to the characteristics defining earthquake scenarios such as magnitude, rupture distance and soil type. A validation study and a parametric investigation using elastic response spectra is also included. Results show that the final seismic model can reproduce, with satisfactory accuracy, the characteristics of acceleration records in a region, over a broad range of response periods.     

Local site effects on a high-pier railway bridge under tridirectional spatial excitations: Nonstationary stochastic analysis

This paper presents a theoretical nonstationary stochastic analysis scheme using pseudo-excitation method (PEM) for seismic analysis of long-span structures under tridirectional spatially varying ground motions, based on which the local site effects on structural seismic response are studied for a high-pier railway bridge. An absolute-response-oriented scheme of PEM in nonstationary stochastic analysis of structure under tridirectional spatial seismic motions, in conjunction with the derived mathematical scheme in modeling tridirectional nonstationary spatially correlated ground motions, is proposed to resolve the drawbacks of conventional indirect approach. To apply the proposed theoretical approach readily in stochastic seismic analysis of complex and significant structures, this scheme is implemented and verified in a general finite element platform, and is then applied to a high-pier railway bridge under spatially varying ground motions considering the local site effect and the effect of ground motion nonstationarity. Conclusions are drawn and can be applied in the actual seismic design and analysis of high-pier railway bridges under tridirectional nonstationary multiple excitations.     

基于工程特性的主余震型地震动降维模拟

余震是由主震孕育而来,两者之间存在着一定的关联性,如何构造主余震型地震动模型,是工程结构抗震分析的基础。着眼于地震动的工程特性,根据主余震之间的峰值加速度、强震持时、场地卓越频率等要素,分别建立主震和余震自身的演变功率谱模型,基于非平稳随机过程的谱表示,通过引入随机函数降维模拟方法,实现仅用三个基本随机变量即可精确模拟主余震型地震动过程。研究表明,采用该降维模拟方法的效率和精度均满足工程需求,且与实测主余震型地震动记录的反应谱和幅值谱拟合一致,验证该模型与方法的优越性,为工程结构在主余震型随机地震作用下的抗震分析提供有效途径。     

A stochastic ground motion model with separable temporal and spectral nonstationarities

A fully nonstationary stochastic model for strong earthquake ground motion is developed. The model employs filtering of a discretized white‐noise process. Nonstationarity is achieved by modulating the intensity and varying the filter properties in time. The formulation has the important advantage of separating the temporal and spectral nonstationary characteristics of the process, thereby allowing flexibility and ease in modeling and parameter estimation. The model is fitted to target ground motions by matching a set of statistical characteristics, including the mean‐square intensity, the cumulative mean number of zero‐level up‐crossings and a measure of the bandwidth, all expressed as functions of time. Post‐processing by a second filter assures zero residual velocity and displacement, and improves the match to response spectral ordinates for long periods. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

结构平稳随机地震反应时域分析:方法

给出了三种常用的随机地震地面运动过程模型,即理想白噪声模型、金井清模型、改进金井清模型的相关函数表达式.引入状态向量,在状态空间中建立地震地面运动激励下的结构振动方程,并求解出结构的复模态特性和复模态反应.利用复模态叠加法推导出线性时不变多自由度体系在这三种随机地震动激励下的平稳协方差反应的解析式,可在时域内直接计算结构随机反应的统计特征.该方法物理概念清晰,结论简便明确,可作为实际工程结构平稳随机地震反应的实用分析方法.