土木工程中的物理参数时域识别及地震动反演研究

本文对工程结构、场地水平土层参数识别及地震动反演进行了如下6个方面研究:(1)输入已知、输出不完备条件下,基于经典最小二乘算法的工程结构物理参数时域识别;(2)输入未知、输出不完备条件下,基于复合反演算法的工程结构物理参数时域识别及地震动反演;(3)输入已知、输出不完备条件下,基于渐消记忆的扩展卡尔曼滤波算法的工程结构物理参数时域识别;(4)输入未知、有限测点条件下,基于广义复合反演算法的工程结构物理     

基于复合反演算法的结构损伤识别及地震动反演研究

针对输入激励信息未知、输出响应信息非完备的情况,进行了结构损伤识别算法研究。基于物理参数时域识别的复合反演算法,定义单元刚度参数变化率为损伤因子,并引入矩形窗方法剔除噪声异常数据,给出了时域内结构损伤识别复合反演算法(损伤识别和地震动反演)。以一个5层框架结构为例进行了数值仿真识别损伤,针对矩形窗长度、噪声水平不同等情况对比了识别结果(损伤识别精度、损伤位置确定)和收敛速度,并比较了反演的地震动与真实地震动时程曲线。研究表明,所提基于复合反演算法建立的结构损伤识别复合反演算法是非常有效的。     

结构物理参数时域识别的振动台试验研究

在输入未知条件下,为了识别非线性参数系统,并消除噪声异常点的影响,引入修正Levenberg-Marquardt法和矩形窗法,建立SVD-mLM法,改进了复合反演算法。为了验证改进算法,设计一个五层单跨钢框架模型进行振动台试验,测试获得含有真实噪声的动力响应,采用改进的复合反演算法,研究了结构物理参数时域识别和输入反演问题。振动台试验研究表明结构物理参数识别和输入反演结果是可信的,验证了SVD-mLM法、矩形窗法和改进的复合反演算法在识别结构物理参数和反演输入时的可行性和有效性。     

基于改进广义卡尔曼滤波的结构损伤识别方法

针对传统的广义卡尔曼滤波算法不能有效地追踪结构刚度的变化情况,本文以传统卡尔曼滤波理论为基础,得到了基于衰减记忆的广义卡尔曼滤波算法公式,利用该算法对所得到的地震响应信号进行分析,提取结构的特性,辨识结构的参数,并从中判断结构损伤发生的时刻、位置及程度,改善了广义卡尔曼滤波的效果。衰减记忆的广义卡尔曼滤波算法只能够判断出结构参数变化的时间并且容易出现振荡,因此采用了一种新的自适应追踪技术,用一个自适应因子矩阵代替了原有的遗忘因子,这种技术可以有效追踪结构参数变化的时间、位置和大小,从而能够在线识别出结构的损伤。     

结构参数未知条件下的地震动反演研究

本文运用复合反演的观点研究结构参数未知条件下的地震动反演问题。根据地震作用的力学特性，将其具体化为估计输入的修正条件，文中给出了一类反演算法。理论分析及算例表明，该算法具有稳定的收敛特性以及良好的反演效果。     

隔震层的滤波效应分析

从隔震层改变地震动输入特性的角度出发,采用有限元分析软件Etabs9.7.2对某隔震建筑进行弹性时程分析,对原输入地震动及经过隔震层后的衰减地震动时程进行分析对比得出:经过隔震层的过滤作用后,衰减地震动时程的峰值加速度减小到原输入地震动峰值的1/4~1/3;衰减地震动时程的反应谱及傅立叶谱幅值均显著减小;经过隔震层后衰减地震动时程的反应谱平台段显著缩短,并且衰减地震动时程的中、高频成分含量显著减少,在隔离地震作用效果上,隔震层滤波作用与延长结构周期的反应谱原理是等效。     

起伏地形条件下二维声波频率域全波形反演（英文）

频率域全波形反演充分利用全波场的振幅、相位以及频率信息,采用较少的频率便能反演得到精度很高的速度模型。本文以有限单元法为基础,对起伏地形条件下二维声波频率域全波形反演进行了研究。在正演算法中,针对截断边界问题,并考虑多频率联合反演中计算区域采用同一套剖分网格的需求,提出了一种适用于起伏地形的衰减边界条件算法。该算法的核心思想是在控制方程波数项中引入衰减因子,通过一定方式调节衰减因子使得声波在衰减层中充分衰减,达到压制截断边界影响的目的。根据指数衰减规律,文中推导出了一种新的衰减因子计算公式,并给出了不同频率条件下衰减层厚度计算公式;在反演算法中,采用共轭梯度法求解高斯牛顿反演迭代方程组,避免直接求解雅克比矩阵和HeSSian矩阵带来的巨额计算量,并采用相同的反演模型,对比分析了不同初始模型和频率组合对全波形反演结果的影响。起伏地形模型数值模拟和全波形反演数值试验表明,本文提出的指数衰减边界条件算法和基于该算法的全波形反演算法具有很好的应用效果。     

关于结构系统地震输入模式问题的讨论

通过具有不同自振频率的单自由度系统地震响应的数值计算,讨论了基于运动学和动力学关系所形成的不同地震动时程输入模式对计算结构地震响应的影响.数值结果表明,不同地震输入模式对计算结构地震响应是有较大的影响,要慎重应用地震位移输入模式.     

基于时域叠加的反应谱拟合的新方法

本文研究了反应谱拟合的时域叠加法,发现时域叠加法保留了实际加速度记录的全部相位特性和时变频谱特性,对原始地震动修改最小,在大多数情况下,可保留输入记录的非平稳特性和保持原始地震动的自然积分关系,是一种比较精确的方法。在此基础上本文提出了基于时域叠加的反应谱拟合的窄带时程反演构造法。该方法通过单自由度体系的稳态反应推导出窄带时程与反演输入时程之间的关系式,无需进行复杂的傅里叶逆变换,计算量小且精确简便,可非常方便地求出反演输入时程。通过本文方法可对任意时程波进行调整改造,改造后的地震动加速度时程既能与设计目标反应谱相符,又能保持原地震动加速度在时域上的特性,改造前后的时程波具有高度相似性。算例分析结果表明,本文方法合理可行,且拟合精度较高。     

基于褶积原理和改进广义S变换的震动波衰减补偿试验研究

为了恢复震动波能量在传播过程中产生的衰减损耗,提出基于褶积原理求取品质因子Q的方法与改进广义S变换相结合的反Q滤波法。通过震动波衰减补偿模型试验,对试验数据进行改进广义S变换的时频特性分析,得出了信号的能量分布情况以及时间频率对应关系;采用基于褶积原理求取品质因子的方法,得到时变Q值;对试验数据进行反Q滤波处理,使震动波能量得到了补偿。结果表明本文提出的反Q滤波法提高了对震动波能量衰减补偿的效果,拓宽了地震资料的频带,提高了地震资料分辨率,有利于进行高分辨率地震勘探、深部信号增强和油气藏预测工作的开展。     

倾子资料三维共轭梯度反演研究

在对倾子响应和共轭梯度算法深入分析的基础上,我们实现了倾子资料三维共轭梯度反演算法.基于倾子资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了利用倾子资料进行三维反演定量解释的方法.通过对理论模型合成数据 进行反演试算,验证了所实现的倾子资料三维共轭梯度反演算法的有效性和稳定性.该反演算法可用于对大地电磁测深和地磁测深(地震地磁台站进...     

基于精确Zoeppritz方程三变量柯西分布先验约束的广义线性AVO反演

常规AVO三参数反演是通过Zoeppritz方程的近似公式来建立AVO正演模拟的过程,然而在P波入射角过临界角和弹性参数在纵向上变化剧烈的情况下,Zoeppritz方程近似公式精度有限.针对这种情况,可以使用精确的Zoeppritz方程来构建反演目标函数,由于精确Zoeppritz方程中P波反射系数和弹性参数之间是一种复杂的非线性关系,通常解决途径是利用非线性的优化算法来进行数值计算,但是非线性优化算法的缺点是计算量过大;另外一种途径是利用广义线性反演的方法,通过泰勒一阶展开式将P波反射振幅展开后,用线性关系近似表达非线性关系,经过几次迭代后,在理论上可以达到很高的精度,但是广义线性反演算法的核心部分--Jacobian矩阵由于矩阵条件数过大,往往会造成反演算法的不稳定,其应用范围得到了限制.贝叶斯反演方法是通过引入模型参数的先验分布结合噪声的似然函数,生成模型参数的后验分布,通过求取模型参数的最大后验概率分布来得到模型参数的反演解,由于引入模型参数的先验分布信息,可以有效的降低反演的不适定问题.本文将两种反演算法的思想相结合,利用广义线性反演算法的思想,构建AVO正演模拟的过程来提高大角度地震数据反演的精度,同时结合贝叶斯理论,通过引入模型参数的先验分布信息构建反演目标函数的正则化项,可以有效降低由于Jacob矩阵条件数过大带来的反演不适定问题,该算法假设模型参数服从三变量柯西分布.     

航空瞬变电磁法一维正反演研究

优化了航空瞬变电磁法一维正演算法,采用新的汉克尔变换系数,理论上提高了正演的精度.提出了航空瞬变电磁法一维反演算法——模型交替调整反演算法,阐述了该算法的原理和计算方法,编写出反演程序,以已知模型正演响应作为实测数据,对若干典型模型进行了反演计算,取得了较理想的反演效果,与Zohdy法相比,该方法有更高的精度.     

大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演研究(英文)

在对张量阻抗数据、倾子数据和共轭梯度算法深入分析的基础上,我们实现了大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法。基于全信息资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了同时利用五个电磁场分量整理得到的大地电磁资料进行三维反演定量解释的方法以及全信息数据在三维反演中的作用。理论模型合成数据的反演结果表明,在三维反演中使用张量阻抗和倾子数据结合的全信息数据的反演结果优于只使用张量阻抗数据(或只使用倾子数据)的反演结果,提高了反演结果的分辨率和可信度。合成数据的反演算例也验证了所实现的大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法的正确性和稳定性。     

基于不同稳定泛函约束的大地电磁极值边界反演研究及其在高放废物处置库选址中的应用（英文）

通常基于不同稳定泛函的反演对目标体边界的刻画存在着差异,尤其对复杂地质构造。为此,本文提出了面向电性边界识别的基于不同稳定泛函的极值边界反演算法。首先选择最平滑、最小支撑两种稳定泛函研究自适应正则化反演算法对不同稳定泛函的适用性,然后通过引入极值边界反演算法,研发基于不同稳定泛函的电性边界识别技术。研究结果表明:自适应正则化反演方法适用于不同的稳定泛函,而且对初始模型的依赖性较低;极值边界反演算法得到的光滑和聚焦上下界并集的比值可以作为划分电性界面的有效依据。在此基础上,本文以内蒙古塔木素地区高放废物粘土岩处置库场址预选为例,将本文提出的反演算法应用于该区的大地电磁测深(MT)数据反演,利用光滑反演了解区域构造,利用聚焦反演了解局部细节,并结合地表地质和钻孔资料,基于地下地质体的电性边界的识别,圈定了目标层的厚度,得到的目标层的厚度满足高放废物处置库选址的要求。     

ZTEM三维数据空间OCCAM反演研究

Z轴倾子电磁法(ZTEM)是一种极具前景的新型天然源频率域航空电磁法,具有勘探深度较大,工作效率高的特点.本文基于大地电磁法(MT)三维数据空间OCCAM反演算法,实现了三维ZTEM倾子资料的数据空间反演算法.将该算法应用到理论合成算例中进行反演,反映出ZTEM倾子反演对模型横向边界的约束优于垂向的特性,并且与MT阻抗反演结果进行对比,验证了所实现的倾子资料三维数据空间反演算法的有效性,表明ZTEM倾子反演在约束电阻率模型横向位置能力上更具优越性.该反演算法可用于ZTEM所整理得到的倾子数据进行三维定量反演,实现大区域的地质构造三维成像,获得地下地质模型的电阻率结构信息.     

HTI介质PS波叠前偏移及各向异性校正方法应用研究（英文）

在对张量阻抗数据、倾子数据和共轭梯度算法深人分析的基础上,我们实现了大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法。基于全信息资料的三维共轭梯度反演研究,探讨了同时利用五个电磁场分量整理得到的大地电磁资料进行三维反演定量解释的方法以及全信息数据在三维反演中的作用。理论模型合成数据的反演结果表明,在三维反演中使用张量阻抗和倾子数据结合的全信息数据的反演结果优于只使用张量阻抗数据(或只使用倾子数据)的反演结果,提高了反演结果的分辨率和可信度。合成数据的反演算例也验证了所实现的大地电磁全信息资料三维共轭梯度反演算法的正确性和稳定性。     

地震动反应谱与RC框架结构地震响应相关性分析

弹塑性时程分析一般用来评估和验算结构抗震性能,如何选取合适的输入地震动是其中关键工作之一。为给结构弹塑性时程分析选取地震动提供合理的参考参数,本文讨论了地震动反应谱参数与结构地震响应之间的相关性。首先建立了6层和7层两个钢筋混凝土(RC)框架结构数值模型,分别对两个结构进行了大量地震动作用下的时程反应分析,并考察了地震反应特点;然后将结构地震响应与地震动反应谱参数建立关系并进行了相关性分析。结果表明:对RC框架而言,结构地震响应与弹性谱参数相关性较小,与等强度反应谱相关性随标准屈服强度降低而增大,与等延性反应谱相关性随延性增大而增大,而与地震动输入能量谱在标准屈服强度较小时相关性最大。建议RC框架结构在进行地震反应时程分析时,可以参考地震动的弹塑性输入能量谱、等强度速度谱和等延性加速度或位移谱,以选取引起结构不同地震反应水平的输入地震动。本文结果和结论可供结构弹塑性时程分析选取合适的输入地震动参考。     

地震作用下大型地下洞室群应力传播特征研究

选用攀枝花-会理地震波,通过基线校正和高频滤波,作为实际地震动输入,利用FLAC3D软件对某水电站大型地下洞室群进行了地震作用下应力传播特性的研究。数值分析结果表明,洞室群周围应力时程的变化趋势与输入加速度时程的变化趋势相似,但由于地震波的传播需要一定的时间,因此存在一定的滞后效应。洞室边墙出现了一定面积的拉应力区,随着输入加速度的增大,拉应力区的范围有所扩展,但是扩展的范围不大。所得结果对大型地下洞室群地震动传播特征问题的研究具有一定的参考意义。     

结构系统地震动输入模式与相关问题的几点讨论

针对单自由度结构系统,定性讨论了一致地震动输入模式之间的关系、对体系响应的影响及相关问题.主要结论为:一致地震动输入的位移与加速度之间必须较好地满足运动学关系;宜采用位移输入模式计算长周期体系的地震响应;宜采用加速度输入模式计算短周期体系的地震响应.