近断层脉冲型地震动的模拟方法

近断层地震动的向前方向性效应和永久地面位移效应导致其速度时程表现为长周期、大峰值的速度脉冲，其位移时程表现为阶跃型脉冲. 针对这些特点，同时考虑向前方向性效应和永久地面位移效应，提出了一种简单的、连续函数形式表达的等效速度脉冲模型. 在该模型中，包含描述速度脉冲周期、峰值和形状的5个待定参数，方便了实际脉冲型地震记录的拟合及模拟. 等效速度脉冲模型只包含单一的频率成分，不能反映脉冲型地震记录的高频成分. 根据对11次地震28条地震记录的分析， 速度脉冲的频率一般小于1Hz. 因此， 在模拟脉冲型地震记录的方法中，分别模拟低频脉冲成分和高频成分，并将两者叠加生成近断层脉冲型地震动的模拟时程.      

近断层地震动作用下LRB隔震储罐地震反应特征研究

采用Bouc-Wen模型模拟铅芯橡胶支座(LRB)非线性力学性能,建立LRB基础隔震储罐地震反应的数值模型.利用叠加原理得到人工合成近断层脉冲型地震动,从实际典型近断层地震动和人工近断层脉冲地震动输入两个角度出发,以远场地震反应为参照,系统探讨了近断层地震动作用下LRB隔震储罐地震反应特点以及近断层地震动运动特征的影响规律.研究发现,近断层地震动作用下LRB隔震储罐地震反应明显大于远场地震反应值,显著的近断层脉冲效应是隔震储罐设计不容忽视的问题.近断层地震动的PGV/PGA值是决定隔震储罐地震反应的综合指标,PGV/PGA值较大时,隔震储罐地震反应脉冲效应突出.另外,脉冲周期、脉冲参与系数以及脉冲类型也是影响LRB隔震储罐地震反应的重要因素.在脉冲参与系数越大、含有脉冲数量越多的近断层地震动作用下,隔震储罐地震反应越强烈.当脉冲周期接近储罐晃动周期时,晃动波高会出现峰值.     

近断层地震动等效速度脉冲研究

近断层地震动对地表结构物造成严重的破坏，它具有明显的方向性和脉冲型特征. 在速度时程中含有大幅值、长周期的脉冲波，对结构响应影响很大. 为简化计算和分析的需要，在既有的等效速度脉冲模型的基础上，建议了较为合理等效速度脉冲模型. 在充分收集脉冲型近断层地震记录的基础上，对等效速度脉冲模型的脉冲周期、脉冲强度及卓越脉冲数等参数进行了研究，并与以往研究者的结果进行比较，以利于近断层区结构的抗震设计.      

遥感图象自动识别城市震害房屋-以2001年印度库奇地震和1976年唐山地震为例

近断层地震动对地表结构物造成严重的破坏，它具有明显的方向性和脉冲型特征. 在速度时程中含有大幅值、长周期的脉冲波，对结构响应影响很大. 为简化计算和分析的需要，在既有的等效速度脉冲模型的基础上，建议了较为合理等效速度脉冲模型. 在充分收集脉冲型近断层地震记录的基础上，对等效速度脉冲模型的脉冲周期、脉冲强度及卓越脉冲数等参数进行了研究，并与以往研究者的结果进行比较，以利于近断层区结构的抗震设计.      

汶川地震动弹性和弹塑性反应谱分析

利用汶川地震获得的数字强震记录研究了汶川近场无速度脉冲、近场含速度脉冲和远场(盆地效应)地震动的弹性和弹塑性反应谱,后者包括等延性强度折减系数谱Rμ、等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR.与相同场地条件PEER近场无速度脉冲、集集近场含速度脉冲地震动的谱进行了比较.汶川近场含速度脉冲地震动的弹性反应谱在0.2～0.8s周期内明显偏小,而它的弹塑性反应谱在短周期段(0.1 ～0.4 s)与汶川近场无速度脉冲地震动谱差别不大,但等延性强度折减系数谱Ru要大于集集地震含速度脉冲地震动的谱,而等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR则小于集集地震动情况,此后随周期增长(至0.6 ～1.Os后)它们都逐渐过渡至与集集地震动的谱相当.汶川远场(盆地效应)地震动的弹性反应谱具有较宽并随周期缓慢增长的平台值和较长的特征周期,可达1.7s及以上.提出了远场(盆地效应)与近场地震动的弹性反应比谱和弹塑性位移比谱的概念.     

近断层地震动和单自由度体系地震反应的分形特征分析

从分形几何的新视角出发,分析近断层地震动的不规则性和复杂性.利用盒维数法计算了来自台湾集集地震和美国北岭地震的30条近断层地震动加速度时程的分形维数.计算结果表明,这些地震动加速度时程具有统计分形特征.近断层地震动运动特征对其分维数影响明显,滑冲效应脉冲地震动的分维数平均值最小,向前方向性效应脉冲地震动的分维数平均值居中,无脉冲地震动的分维数平均值最大,其波形不规则程度也最高.而且,地震动时程的分维数反映了其频谱特性,可作为频谱周期的表征参数.地震动的分维数D与特征周期Tc具有较强的负相关关系.最后,对于近断层地震动作用下单自由度(SDOF)体系的弹性和非弹性动力反应时程,应用盒维数法计算了其分形维数,考察了其分形性质.     

基于多尺度分析方法的近断层地震动特性分析

近断层长周期地震动是一类较特殊的破坏性地震动.为了深入探讨近断层地震动的低频分量组成及其脉冲特性,基于小波理论中的多尺度分析方法提出了一种地震动分量分解方法,据此可将一条地震动分解成频率各不相同的多条分量.首先从频域、时域以及动态响应三个方面阐述了该分解方法的有效性和精确性.进而采用这种方法对近期12次大地震中的53条典型近断层地震动进行了分解,共获得266条地震动分量.分析了近断层地震动中的长周期分量随场地、断层距等影响因素的变化特征;再以卓越分量作为最大脉冲的简化模型,探讨了速度幅值和脉冲周期随震级、断层距的变化关系.结果表明：近断层长周期地震动主要由周期为0.2~2 s的分量组成;近断层土层场地地震动中的长周期分量比岩石场地多;在0~15 km的近断层区域,随断层距的增加,地震动中长周期分量的比重明显减小;卓越分量的速度幅值PGV_p约为原始地震动速度幅值PGV的0.6倍,且两者之间具有明显的线性关系;PGV_p随断层距的增大而减小,随震级的增大而增大;卓越分量周期T_p随震级的增大呈对数线性增大趋势.     

近断层脉冲型地震动的降维模拟

提出一种近断层脉冲型地震动模拟的降维方法,将近断层脉冲型地震动分解为高频和低频2个部分:采用谱表示与随机函数方法生成高频加速度时程,并转化为相应的速度时程;采用Gabor小波模拟低频速度脉冲时程,将高低频的速度时程叠加得到合成的地震动速度时程,并转化得近断层脉冲型地震动的加速度和位移时程。结果表明:用3个基本随机变量模拟的近断层脉冲型地震动时程,可以反映近断层脉冲型地震动的方向性效应、速度大脉冲等特征,进而可为近断层区域工程结构的随机地震反应和抗震可靠度分析提供合理的输入。     

近断层地震动的基本特征

本文对近断层地震动的基本特征作了详细分析,这些基本特征主要包括近断层强地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破裂的方向性效应、近断层速度大脉冲和上盘效应。这些特征虽然在一次地震中不一定同时出现,但它们是已经被强震观测资料和数值模拟证实了的,在模拟和预测近断层地震动时,必须充分考虑这些特点,合理的近断层地震动模拟或预测模型和方法应当在结果中再现这些特点。     

近断层速度脉冲型地震动特征周期的估计与调整

基于美国NGA数据库,在断层投影距小于25 km范围内挑选了1387条地震加速度记录,分别按照断层距和场地条件进行分组,对近断层速度脉冲型地震动的频谱特性、特征周期,及其与断层距、震级的相关性予以分析。结果显示:① 出现速度脉冲型地震动的比例与断层投影距之间存在明显的线性相关关系,但其与震级的变化不相关;② 地震动速度脉冲周期与震级之间存在强相关;③ 对于近断层速度脉冲型地震动,采用动态变化的加速度和速度反应谱峰值周期进行特征周期的计算,更加符合真实情况;④ 地震动速度脉冲有放大地震动特征周期的作用,水平向放大的比例与竖向相当,且放大作用与场地条件相关,在较硬场地上放大较多。本文基于上述近断层地震动的统计分析结果,对现行抗震设计规范中定义的特征周期提出了适合于工程应用的调整系数,并建立了速度脉冲周期与震级之间的关系模型,分析结果显示二者的拟合效果较好。      

Study on equivalent velocity pulse of nearfault ground motions

Introduction By analyzing earthquake motions, we could find that earthquake motions near the causativefault have two characteristics. One is the remarkable directivity effect. The amplitude of thefault-normal component is larger than that of the fault-parallel one; the other is obvious pulse mo-tions. Bertero, et al (1977) studied the earthquake records of the 1971 San Fernando earthquake.They first pointed out that some ground motions recorded near the causative fault is characterizedb…     

Simulation method of near-fault pulse-type ground motion

Introduction With the development of the economy of China, it is possible to build large-span bridges, pipelines, dams and other lifeline structures in the seismically active regions or through the active faults. In addition, some isolated and energy diss…     

汶川地震近断层地震动作用下 结构地震响应特征分析

研究了具有不同自振特性的建筑结构在近断层速度脉冲型及非速度脉冲型地震动作用下的结构层间变形分布,揭示了近断层速度脉冲对工程结构地震响应的特殊影响. 从汶川M_S8.0地震近断层强震记录中选取两组典型速度脉冲型记录和非脉冲型记录, 根据确定的目标地震动强度水平,利用时域叠加小波函数法对选择的强震记录进行调整, 使之与目标地震动水平对应的加速度反应谱保持一致, 以此作为结构地震反应分析的地震动输入. 选取具有不同自振特征的3层、11层和20层典型钢筋混凝土框架结构, 建立有限元分析模型, 分别计算在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下这些结构层间变形分布. 研究表明,速度脉冲型记录与非速度脉冲型记录作用下结构层间变形有明显差异, 且与结构自振特征有关.就低层结构的层间变形而言, 非速度脉冲型记录的影响较速度脉冲型记录的影响大. 随着结构自振周期的增加, 高阶振型的影响更加明显. 与非速度脉冲型记录相比,速度脉冲型记录的结构层间位移反应中值及离散程度较大. 速度脉冲型记录更容易激发高层结构的高阶振型, 产生较大的层间位移反应. 非速度脉冲型记录对中低层结构层间变形影响较大.因此, 在开展近断层结构地震影响评价时, 应考虑近断层速度脉冲的影响.      

基于分解方法的脉冲型地震动非弹性反应谱分析

本文旨在分析脉冲型地震动中不同频率的地震动分量对于原始地震动幅值及其非弹性反应谱的影响.首先以近期12次大地震的53条典型脉冲型地震动为数据基础,基于多尺度分解方法获取脉冲型地震动中的高频分量和低频分量.为与传统方法对比,本文获取了能够表征地震动脉冲特性的卓越分量及滤除卓越分量的剩余分量.然后对比分析原始地震动和4种地震动分量的幅值特征和非弹性反应谱的特性,以讨论地震动分量对原始地震动幅值参数及其非弹性反应谱的影响.最后结合简谐地震动模型和地震动分量的性质,讨论脉冲型地震动非弹性反应谱诸多特征的产生原因.分析发现,低频分量不仅是控制脉冲型地震动速度和位移幅值的主要因素,其对原始地震动的加速度幅值也具有不可忽略的影响.低频分量也是导致脉冲型地震动非弹性位移比谱偏大以及强度折减系数谱偏小的直接原因,从而造成结构在脉冲型地震动作用下需要具有更大的非弹性位移以及更高的强度需求.     

Study on elastic response of structures to near-fault ground motions through record decomposition

Accelerograms recorded near active faults have some important characteristics that make them different from those recorded in far-fault regions. High-frequency components in acceleration records and long-period velocity pulses are among notable specifications of such ground motions. In this paper, a moving average filtering with appropriate cut-off frequency has been used to decompose the near-fault ground motions into two components having different frequency contents: first, Pulse-Type Record (PTR) that possesses long-period pulses; second, the relatively high-frequency BackGround Record (BGR), which does not include large velocity pulses. Comparing the results with those extracted through wavelet analysis shows that moving average filter is an appropriate and efficient tool for near-fault records decomposition. The method is applied to decompose a suite of 91 selected near-fault records and the elastic response of structures is examined through their response to the decomposed parts. The results emphasizes that in contrast with ordinary far-fault earthquake records, response spectra of near-fault ground motions typically have two distinct local peaks, which are representatives of the high- and low-frequency components, i.e., BGR and PTR, respectively. Moreover, a threshold period is identified below which the response of structures is dominated by BGR while PTR controls the response of structures with periods longer than this period.     

Multi-step prediction of strong earthquake ground motions and seismic responses of SDOF systems based on EMD-ELM method

This paper proposes a new multi-step prediction method of EMD-ELM (empirical mode decomposition-extreme learning machine) to achieve the short-term prediction of strong earthquake ground motions. Firstly, the acceleration time histories of near-fault ground motions with nonstationary property are decomposed into several components of intrinsic mode functions (IMFs) with different characteristic scales by the technique of EMD. Subsequently, the ELM method is utilized to predict the IMF components. Moreover, the predicted values of each IMF component are superimposed, and the short-term prediction of ground motions is attained with low error. The predicted results of near-fault acceleration records demonstrate that the EMD-ELM method can realize multi-step prediction of acceleration records with relatively high accuracy. Finally, the elastic and inelastic acceleration, velocity and displacement responses of single degree of freedom (SDOF) systems are also predicted with satisfactory accuracy by EMD-ELM method.     

Directivity pulses in near-fault ground motions—I: Identification,extraction and modeling

In ensuring structural safety against near-fault pulse-type ground motions it is of critical importance that sufficient recorded motions of this type are available and that suitable synthetic motions can be simulated for those situations where the recorded motions are insufficient or non-existent. To this end, an objective criterion is developed for the directivity pulse-type motions, to identify such motions from the available suite of recorded ground motions. This criterion is based on the value of maximum fractional signal energy contribution by any half-cycle of the velocity time-history. For the simulation of directivity pulse-type motions, it is proposed to estimate and superimpose directivity pulse(s) on a non-pulse type motion. An algorithm is developed to extract the directivity pulse features from a pulse-type accelerogram via its repetitive smoothening, and based on the pulses extracted from a database of 91 records two mathematical functions are proposed to model the directivity pulses. It is found that the amplitude and dominant Fourier period of the expected velocity pulse may be sufficient to generate the shapes of the expected acceleration and velocity pulses.     

An alternative construction of normalized seismic design spectra for near-fault regions

This paper presents a methodology for constructing seismic design spectra in near-fault regions.By analyzing the characteristics of near-fault pulse-type ground motions,an equivalent pulse model is proposed,which can well represent the characteristics of the near-fault forward-directivity and fling-step pulse-type ground motions.The normalized horizontal seismic design spectra for near-fault regions are presented using recorded near-fault pulse-type ground motions and equivalent pulse-type ground motions,which are derived based on the equivalent pulse model coupled with ground motion parameter attenuation relations.The normalized vertical seismic design spectra for near-fault regions are obtained by scaling the corresponding horizontal spectra with the vertical-to-horizontal acceleration spectral ratios of near-fault pulse-type ground motions.The proposed seismic design spectra appear to have relatively small dispersion in a statistical sense.The seismic design spectra for both horizontal and vertical directions can provide alternative spectral shapes for seismic design codes.