强震地面运动的超随机特性研究

简述了几种常用的地震动平稳随机模型，这几种地震动平稳随机模型的功率谱是一组光滑的函数，相应的自相关函数基本上是指数衰减的振荡函数，且很快衰减到零；但是真实地震动的归一化自相关函数则有一较显著的随机噪声项，这个随机噪声的幅值为0．15左右，这就是本文中所说的超随机特性。目前常用的地震动平稳随机模型没有考虑这个随机噪声项及其对结构反应的影响。本文将真实地震动的自相关函数分解为一确定性函数和一随机噪声的叠加，并对自相关函数中的噪声部分进行了分析，得出两条重要性质。本文的研究结果表明地震动加速度时程的平方和(SS)比峰值加速度(PGA)更好地量度了地震地面运动强度。由于归一化自相关函数的随机噪声部分所对应的功率谱的随机波动成分对频率的积分为零，即归一化自相关函数的噪声部分对地震动总功率或平方和的贡献为零，因此自相关函数的随机噪声项对地震动的幅值影响不大，但自相关函数的随机噪声项明显改变了地震动功率谱在频域上的分布特征，因此会对结构反应产生一定的影响。由于篇幅所限详细内容将在下一篇文章中作进一步探讨。     

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。     

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。     

强震地面运动超随机特性的几点注记

本文详细论述了功率谱与功率谱密度、平方和SS与平方平均值MS的适用范围及物理意义,比较深入地分析了平稳和非平稳加速度时间历程的统计特征,通过引入时域包线获取特定相位的方法,考虑了非平稳特性。本文基于非平稳时间历程,在不考虑频率非平稳性的基础上,提出了设计地震动三要素:(1)平方和SS;(2)归一化自相关函数或其对应的功率谱;(3)地震动时域包线.本文提出了在设计地震动合成中考虑超随机特性的实用方法,并指出地震动的超随机特性(即归一化功率谱的锯齿状波动部分,或归一化自相关函数的随机噪声部分)与相位的随机性是地震动随机特性的两个重要方面。本文将地震动的统计分析直接建立在非平稳时间历程的基础之上,从而避开了要对地震动进行平稳化处理的困难。这样提取出的地震动统计特征完全是以真实地震动记录为基础的。应用这些统计特征,可模拟出符合统计要求的基于非平稳时间历程的设计地震动。最后本文还讨论了工程上常用的将反应谱近似转换为功率谱的转换式的一些缺陷。     

平稳地震动过程具分段布随机频率的谱拟合模型

本文首先针对平稳随机地震动谱拟合问题建立了一个统一的谱拟合模型，在此基础上，提出了一新的具有分段均布随机频率的拟合模型，并与几类常用的谱拟合模型进行了比较研究，指出拟合模型的频率牧场生对拟合功率谱与反谱具有显著的影响，算例表明，当结构的自振频率与拟合模型的分量频率接近时，计算的响应值明显偏大，对于小阻尼情况，这一现象更为明显。     

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。     

平稳地震动过程具分段均布随机频率的谱拟合模型

本文首先针对平稳随机地震动谱拟合问题建立了一个统一的谱拟合模型,在此基础上,提出了一新的具分段均布随机频率的拟合模型,并与几类常用的谱拟合模型进行了比较研究,指出拟合模型的频率特性对拟合功率谱与反应谱具有显著的影响。算例表明,当结构的自振频率与拟合模型的分量频率接近时,计算的响应值明显偏大,对于小阻尼情况,这一现象更为明显。     

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.     

空间相关地震动场模拟的研究

空间相关地震动场模拟的研究李小军赵凤新胡聿贤（中国北京１０００８１国家地震局地球物理研究所）主题词场地条件生命线系统地震动场相位差谱重要性极高的生命线系统工程具有一个共同的特点是其空间分布与延伸性．在同一次地震下，这类结构各部分受到的地震荷载将不同．...     

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。     

非平稳地震动过程模拟方法(Ⅰ)

直接由Priestley渐进谱理论导出了非平稳地震动过程模拟的一个谱表示方法. 按照该方法, 样本过程可直接由一余弦级数公式计算产生. 可以证明, 当级数项数足够大时, 模拟的样本过程可准确地反映渐进功率谱规定的性质; 当模拟的样本过程足够多时, 其总体均值和总体自相关函数均趋于相应目标函数; 模拟的样本过程随着级数项数趋于无穷而渐近呈正态分布. 最后对模拟公式的几种特例情况进行了讨论, 其中一种情况得到非平稳白噪声过程模拟公式, 另一种情况退化为平稳随机过程模拟公式.     

地震动随机函数模型研究(Ⅰ)——模型建立

基于随机过程的随机函数解释,发展了一种随机地震动模型.模型包括两个部分,分别是基于理论物理关系的Fourier幅值谱模型和基于经验关系的Fourier相位谱模型.基于拟加速度谱概念建立的幅值谱模型能够反映强震记录的幅值特性,而Fourier相位谱模型则利用累积相位谱的单值连续特性,以线性多项式与三角级数组合的形式给出.模拟记录与实测记录对比结果显示两者不仅在波形结构上相似性良好,而且反应谱层次亦吻合良好.     

平稳地震动过程功率谱拟合及收敛性分析

研究了平稳随机地震动过程的功率谱拟合问题，分析比较了4类常用拟事模型，发现其中3类模型存在谱收敛性方面的问题，对此进行了全面的阐述，并提出了一类新的满足谱收敛性的拟合三角角数模型，该模型利用分段功率谱密度函数生成各频段的随机频率，反映了功率谱对不同频段内频率随机性的影响，并且便于控制拟合三角级数中的频率成份。由于人造地震动在工程抗震研究上的重要性，本文研究成果对于正确生成地震加速度时程具有实际意义。     

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。     

地震动反应谱与相位差谱的关系

研究了地震动相位差谱与反应谱的关系,从中发现相位差谱通过影响单自由度体系反应时程的形状来影响地震动反应谱．在相位差谱均值一定的前提下,减小其方差将使反应谱增大,反之将使反应谱减小．在相位差谱方差固定时,增大其均值的斜率将使反应谱值减小,反之将加大反应谱．相位差谱作用于反应谱时阻尼在其中起着重要作用,随着阻尼的增大,相位差谱对反应谱影响越来越明显．阻尼的增大使得相位差谱对放大倍数谱的影响逐渐减小．     

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。     

基于随机Fourier谱的地震动合成研究

本文基于与物理随机模型相对应的随机Fourier谱,通过对地震动非平稳性及其所受影响机制的分析,建立了非平稳地震动合成的新方法。通过引入基本相位差谱,并将初始相角视为随机变量,以相位差谱的分布特性、随机地震动的统计特征以及对结构随机反应的影响为原则,利用计算机程序生成相位差谱,提出了基于随机Fourier谱的合成地震动方法。同时,利用快速FFT技术提高合成精度。根据本文提出的合成方法获得的地震动具有非平稳特性,将为后续研究工作提供合理的地震动加速度时程。     

用强震仪记录资料研究上海地表土层的地震动放大反应

地表软土覆盖层对地震波的放大效应是地震学家,尤其是工程地震学家颇为关注的研究课题．墨西哥地震(1985年9日19日,ＭS8.1)、日本阪神地震(1995年1月17日,ＭS7.4)造成的巨大伤亡和财产损失均与地表软土覆盖层密切相关．因为软土层引起地震动明显放大,经软土层放大后的地震动再作用于各类建筑,使振动频率落在地震动放大频段内的建筑物遭受的破坏比基岩处的要大许多． 在国外,地表软土的土动力特性和放大效应近些年来越来越受到工程地震学家的重视．例如,日本的神山和柳泽(安艺敬一,1989)用日本117份强地面运动中20 cm/s2以上的记录…     

地震动随机模拟及其参数确定方法

本文建议以地震动标准差函数的最大值和反映强度包络函数的回归常数作为描述随机地震动特性的基本参数。文中还提出了一种将地震学确定性低频模拟方法和工程学中高频随机模拟方法相结合的综合模型来反映地震动的频谱特性。本文提出的方法能方便地利用目前抗震设计所依据的基本参数来确定随机模型中的参数,并且有可能对地震动长周期特性进行较好的模拟。