以反应谱和功率谱密度函数表征的强震运动的统计特性

文中利用我国海城和唐山地震１９０条强震记录和美国西部１３８条强震记录研究了以反应谱和功率谱密度函数表征的强震运动的统计特性。反应谱用最大地面加速度归一化，即表为谱放大系数，功率谱密度函数用金井清谱描述。文中研究了参数的统计值和依赖性，以及谱放大系数和金井清谱参数与场地条件、震源和震中距等之间的相关性，分析比较了中美两国强震运动谱的统计特性，并对我国地震工程应用的强震运动谱的统计参数值的选取提出了建议。     

地震波双模态时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型的改进及参数识别

在Vlachos等提出的双模态时变修正Kanai-Tajimi功率谱模型及其参数识别方法的基础上,利用杜修力等提出的Kanai-Tajimi功率谱滤波方法并引进遗传算法及二次优化识别技术进行改进,建立地震动时变功率谱的参数模型化方法。通过集集地震波的时变功率谱模型参数识别及模拟地震动算例,验证改进后的双模态时变修正Kanai-Tajimi功率谱模型的可行性和有效性,其方法可运用到重大工程结构抗震分析的设计地震动输入中。     

CHARACTERISTICS OF TORSIONAL GROUND MOTIONS

Due to the inherent difficulty in directly recording the rotational ground motions, torsional ground motions have to be estimated from the recorded spatially varying translational motions. In this paper, an empirical coherency function, which is based on the recorded motions at the SMART-1 array, is suggested to model the spatial variation of translational motions. Then, the torsional ground motion power spectral density function is derived. It depends on the translational motion power spectral density function and the coherency function. Both the empirical coherency function and the torsional motion power spectral density function are verified by the recorded motions at the SMART-1 array. The response spectra of the torsional motions are also estimated. Discussion on the relations between the torsional motion response spectrum and the corresponding translational motion response spectrum is made. Numerical results presented can be used to estimate the torsional ground motion power spectral density function and response spectrum.     

有关Kanai-Tajimi模型的统计特征分析

选择金井清过滤白噪声模型,采用留数定理推导出K-T谱激励的自相关函数表达式,并在此基础上利用相关函数法分析出K-T谱激励下的平稳反应,并采用功率谱方法加以验证。这些结果可为结构随机地震反应时域分析和抗震可靠性评估提供基础。     

Stochastic characterization of earthquakes through their response spectrum

If earthquakes are modelled by a stochastic process, it is possible to interpret the associated response spectrum in terms of the statistics of extreme values of oscillator response to the process. For a stationary earthquake model this interpretation leads to a relationship between the power spectral density function of the process and the response spectrum. This relationship is examined in this paper and forms the basis for two methods presented to obtain the power spectrum of the earthquake process from its response spectrum. One of these methods is approximate but leads to an explicit representation of the power spectral density function in terms of the response spectrum. The other method is exact wherein an iterative scheme for the solution of the problem is established. An example problem is solved to illustrate the use of the two methods and it is shown that for small values of damping, the approximate derivation yields a fairly accurate solution.     

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。     

Sensitivity analysis of site effects on response spectra of pipelines

In this paper, a numerical sensitivity analysis of the site effect on dynamic response of pipelines embedded in some idealised soil deposits resting on a halfspace covering a wide range of soil profiles encountered in practice and subjected to vertically propagating shear waves, is presented. The power spectrum of the lateral differential displacement between two distant points due to the site effect is formulated analytically by using an analytical amplification function of a viscoelastic inhomogenous soil profile overlying either a compliant halfspace or a bedrock, represented by a more realistic continuous model. Also, Kanai-Tajimi spectrum parameters are estimated and expressed analytically from the soil profile model. Finally, results in the form of stochastic response spectrum of pipelines, for different key soil and pipeline parameters, are given and discussed.     

平稳随机地震地面运动过程模型及其统计特征

地震地面运动过程具有强烈的随机性,应用随机理论对实际工程结构进行地震可靠性分析和抗震设计与加固时都需要建立合理的随机地震地面运动模型,本文选择3种典型的随机地震动模型,即理想白噪声模型、金井清模型和改进的金井消模型,分析了它们的物理概念、频域特征以及适用范围。引入状态向量,建立状态方程．通过复振型叠加法分析了地震地面运动过程的时域统计特性,推导出3种随机地震动模型的相关函数的解析表达式．这些结果可为结构随机地震反应时域分析和抗震可靠性评估提供基础。     

对应地震反应谱的当量功率谱密度函数的数值算法

提出根据地震反应谱曲线求解当量功率谱密度函数曲线的一种数值算法,为结构随机地震反应分析中确定和计算地面运动功率谱密度提供依据。在相对位移谱与结构相对位移响应峰值的均值之间建立联系;在现有迭代方法的基础上,对算法公式作进一步的推导和整理,将迭代计算转变为线性方程组的求解计算,进而避免迭代方法的不收敛。通过对数值计算结果的分析发现,由于规范反应谱曲线存在斜率突变,采用本文算法计算出的功率谱密度曲线在规范反应谱曲线的两端和分段转折点处会出现倍周期分岔甚至混沌现象。为此建议适当增加低频范围内离散频率点的数目,且采取整体光滑的反应谱曲线,从而提高计算结果的稳定性。     

基于目标功率谱和包线的地震动合成

本文给出了以目标功率谱和目标包线函数为双目标函数的人工地震动合成方法,使人工地震动不仅符合目标功率谱,还基本符合目标包线函数,并对加速度基线进行了调整,使速度时程和位移时程更为合理。作者认为如果用反应谱作为目标谱,生成的人工地震动时程可能会弱化地震动的随机特性,用这样的人工地震动时程作为输入来分析建筑结构的非线性动力反应,不是理想的选择。对建筑结构进行非线性时程分析时,用基于功率谱的人工地震动作为输入,应当是一种更为合理的方法。作者认为平方和具有明确的物理意义,是随机信号的总能量参数,并通过理论分析和数值计算,对于一定持时的随机平稳信号样本,平方和(持时×平方平均值)对振幅起重要控制作用。平方和、归一化功率谱、时域包线函数是基于功率谱模型的地震动三要素。     

A new model for spectral velocity ordinates at long periods

The estimation of peak linear response via elastic design (response) spectra continues to form the basis of earthquake‐resistant design of structural systems in various codes of practice all over the world. Many response spectrum‐based formulations of peak linear response require an additional input of the spectral velocity (SV) ordinates consistent with the specified seismic hazard. SV ordinates have been conventionally approximated by pseudo spectral velocity (PSV) ordinates, which are close to the SV ordinates only over the intermediate frequency range coinciding with the velocity‐sensitive region. At long periods, PSV ordinates underestimate the SV ordinates, and this study proposes a formulation of a correction factor (>1) that needs to be multiplied by the PSV ordinates in order to close the gap between the two sets of ordinates. A simple model is proposed in the form of a power function in oscillator period to estimate this factor in terms of two governing parameters which are in turn estimated from two single‐parameter scaling equations. The parameters considered for the scaling equations are (1) the period at which the PSV spectrum is maximized and (2) the rate of decay of the pseudo spectral acceleration (PSA) amplitudes at long periods. For a given damping ratio, four regression coefficients are determined for the scaling equations with the help of 205 ground motions recorded in western USA. A numerical study undertaken with the help of several design PSA spectra and ensembles of spectrum‐compatible ground motions illustrates the effectiveness of the proposed correction factor, together with the proposed scaling models, in comparison with the PSV approximation in a variety of design situations. Both the input parameters mentioned above can be easily obtained from the specified design spectrum, and thus the proposed model is convenient to use.     

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.     

不同类型俯冲带地震水平向地震动阻尼修正系数对比研究

基于日本KiK-Net、K-Net地震台网和太平洋地震工程中心（PEER）的14 713条地震动记录,比较了俯冲带地区浅壳上地幔地震、板内地震和板间地震的水平向地震动加速度反应谱阻尼修正系数（DMF）和位移反应谱阻尼修正系数（DMF）的差异,并进行了5%置信水平下的假设检验,探究了俯冲带地区不同地震类型对DMF的影响。结果显示:在大多数谱周期,不同地震类型的DMF存在统计意义上的显著差异;在低阻尼比中短周期时,加速度谱DMF和位移谱DMF基本相同;在高阻尼比长周期时,不同地震类型的加速度谱DMF差异大于位移谱DMF差异。研究表明:俯冲带地震水平向地震动DMF需要考虑不同地震类型的影响。     

福建地区中小地震加速度与仿真加速度记录的反应谱特征分析

利用福建省区域数字强震动和数字地震台网历年的地震记录,通过资料选取、数据处理,计算了其地震反应谱,并分析了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地反应谱谱形参数的统计关系及反应谱特征．有关研究结果对合理地利用福建地区现有台网观测资料具有实际意义。     

俯冲带板间地震竖向加速度谱的阻尼修正系数模型

我国台湾省和南海东部地区处于地质构造复杂和地震频发的俯冲带区域,这一地区的结构抗震设计影响着该地区的开发建设进程。为建立适用于该地区的俯冲带板间地震竖向加速度谱的阻尼修正系数模型,本文选用日本K-NET与KiK-net台网的3 552条俯冲带板间地震记录,分四类场地建立以阻尼比和谱周期为参数的阻尼修正系数模型,并分析其它未纳入模型的参数对误差的影响。结果表明：采用阻尼比对数的三次多项式表达式即可实现良好拟合;模型在短周期内的误差主要受场地效应与路径效应影响,在长周期和高阻尼比时误差主要受震源效应影响;分场地建立阻尼修正系数模型可有效降低场地效应产生的误差。本文的研究成果可用于求解俯冲带地区无震源效应与路径效应的竖向设计反应谱。     

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。     

与建筑抗震设计规范相对应的地面地震动随机模型参数研究

根据《建筑抗震设计规范(GB50011—2001)》的反应谱曲线,确定了基于Clough-Penzien修正过滤白噪声模型的参数取值。采用时间包络函数考虑地震的非平稳特性,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,然后通过曲线拟合得到与规范各种地震烈度、场地类别和设计地震分组相对应的谱参数。计算结果表明,与规范相对应的加速度功率谱密度曲线呈双峰型,Clough-Penzien谱能较好地拟合其曲线形状。最后给出了规范各种工况下的地面加速度功率谱参数值,为随机抗震计算分析提供了依据。     

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。     

地震反应分析中输入界面的选取对地表地震动参数的影响

地震反应分析中输入界面选取合理与否对设计地震动参数有重要影响。基于唐山地区钻孔剖面,分别选取剪切波速为500m/s的硬黏土和800m/s的岩石顶面作为基岩输入界面,采用一维等效线性化方法讨论中硬场地输入界面的选取对地表地震动参数的影响,结果表明:(1)地表峰值加速度放大倍数及地表加速度反应谱特征周期都随输入界面深度的增加而递增,且这种递增与输入地震动的强度及频谱特性都有密切联系;(2)随着输入界面深度的增加,地表加速度反应谱几乎全频段内增大,仅在短周期内出现减小的情况,但幅度十分有限;(3)中硬场地地震反应分析中基岩输入界面宜取剪切波速为800m/s的土层顶面。     

设计反应谱长周期区段的研究

本文利用近20年国内外大地震时获得的数字强震仪记录分析强震动的长周期分量特性,给出了不同场地上的平均加速度反应谱及其拟合曲线。结果表明,现行抗震设计规范中设计谱的特征周期和长周期谱值明显偏小。在此基础上提出了长周期设计反应谱的修正建议。文中还根据统计分析提出了不同阻尼比的反应谱修正公式。