空间相关的多点地震动合成(Ⅱ)合成实例

本文应用已提出的自功率谱、相干函数、视速度模型生成了空间相关的多点地震动时程。采用分段合成、乘强度包络函数的方法近似地考虑了地震动强度和频率尬发的非平稳性、生成的地震动符合空间相关性、传播性、随机性和非平稳性,可用于长结构多点输入地震反应分析。     

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。     

辽河特大桥项目空间相关多点地震动合成研究

本文针对辽河特大桥项目进行了空间相关多点地震动合成的研究。在单点地震动合成的基础上,引入相干函数反应空间各点的相干性,用视波速反应行波效应,并通过matlab来实现。对4个输入点,进行了地震动合成。合成地震动反应谱与目标反应谱误差在5％以内。     

空间相关的多点地震动合成(I)基本公式

本文给出了一套较为完善的多点地震动合成公式,用随机过程理论推导出了合成公式中的幅值、相位角与功率谱矩陈的关系,可在频域合成空间相关的多点地震动时程。     

大跨曲线桥多点激励下的地震响应分析

用相位谱表征地震动频率的非平稳特性,用相干函数表征地震动空间变化的不相干效应,采用随频率变化的等效相速度代替随意给定的视波速表征地震动的行波效应,生成了具有强度和频率非平稳特性的多点地震动。将这种考虑时间和空间变化的地震动在水平方向作用于5跨高墩连续刚构曲线桥桥墩基础处,计算了墩顶位移及墩底内力,分析了大跨曲线桥多点输入中不相干效应和行波效应对结构响应的影响。结果表明考虑地震动空间变化特性的墩顶位移峰值多数显著大于一致激励。相干性显著增大了激励方向墩底的动内力,但对拟静力位移差动产生的内力有时增大有时减小,两者叠加后的总内力峰值多数大于一致激励。     

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。     

考虑时间-空间变化的人工随机场模拟

采用随频率变化的视波速代替随意给定的视波速，并在随机场的模拟中引入相位差谱来考虑地震动的频率含量非平稳性．用谱表示法按不同的设计烈度生成了时间-空间变化的非平稳人工随机场，可用于大跨度空间结构多点激励的地震动输入．      

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。     

基于渐进谱的幅值和频率非平稳人造地震动拟合

在Priestley渐进谱和常用反应谱拟合技术基础上,提出一种拟合目标渐进谱生成幅值和频率非平稳地震动加速度时程的方法。由Nakayama方法获得目标渐进谱,定义[0,2π]的随机数作为初始相位。在迭代过程中考虑渐进谱和相位的影响,同时调整合成时程的渐进谱和相位,直到满足迭代的收敛要求。本文方法合成时程不仅保留目标渐进谱的时频非平稳特性,相位也具有与实际地震动相符合的时频非平稳性。时程的相关分析表明,输入不同初相位合成的时程在统计上互不相关。     

拟合反应谱峰加速度和峰速度的人造非平稳地震动

为满足重要工程对设计地震动的需要,文中研究了一种考虑场地附近天然地震记录数据相位非平稳特性、同时拟合S0A(T)、PGA和PGV的人造地震动技术,并以新疆玛纳斯县城区基岩场地为例,利用该区域强震记录提取的天然地震动非平稳相位,进行了非平稳人造地震动的合成。研究成果可为拟合反应谱人造地震动的工程应用提供参考。     

Enrichment of seismic ground motion databases using Karhunen–Loève expansion

Best estimate seismic analysis are generally based on time‐domain simulations of structural responses. The seismic load is then modeled by a stochastic process representing ground motion. For this purpose, the analyst can use recorded accelerograms or work with synthetically generated ones. The number of ground motion time‐histories available for a given scenario and site condition is limited and generally not sufficient for carrying out more advanced probabilistic structural response analysis. It is then necessary to have at our disposal methods that allow for generating synthetic accelerograms that realistically characterize earthquake ground motions. However, most of the methods proposed in literature for generating synthetic accelerograms do not accurately reproduce the natural variability of ground motion parameters (such as PGA, cumulative absolute velocity, and Arias intensity) observed for recorded time histories. In this paper, we introduce a new method for generating synthetic ground motion, based on Karhunen‐Loève decomposition and a non‐Gaussian stochastic model. The proposed method enables the structural analyst to simulate ground motion time histories featuring the properties mentioned above. To demonstrate its capability, we study the influence of the simulation method on different ground motion parameters and on soil response spectra. We finally compute fragility curves to illustrate the practical application of the proposed method. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

相交早第四纪断裂近断层地震动场预测——以枣庄市新城区为例

近断层地震动场的预测不仅可以为抗震结构设计提供更加丰富的地震动输入,也可以作为土地合理规划的参考依据。在一些地震活动相对较弱的地区,地震往往发生在两个早第四纪断裂相交的位置处。因此对于这种相交早第四纪断裂区的近断层地震动场预测具有实际的意义。本文以枣庄市新城区为例,预测了在设定地震发生时,相交早第四纪断裂近断层地震动场的分布情况。先分别计算了近断层区低频和高频的地震动,然后将低频和高频成分合成宽频带的地震动场。在计算低频地震动场时,建立了枣庄市新城区地下三维传播介质模型和震源模型。计算的过程是模拟震源发生破裂产生地震波后,地震波在地下介质中的传播过程。使用了三维显式有限元、快速拉格朗日有限元法等数值计算方法以及并行计算技术来提高计算的速度。由于地震动的频率成分是连续的,因此对于高频地震动使用了随机震动理论来进行合成。本文研究的预测结果具备断层附近地震动的一些最基本的特征,符合当前对断层附近地震动的基本认识。     

用改进的经验格林函数方法模拟唐山地震动

建筑物的抗震设防需要尽可能地掌握未来大地震强震动记录信息,但大地震强震动记录的匮乏阻碍了抗震设防实践的发展。经验格林函数方法作为模拟地震动的主要方法,可以提供可靠的大地震强震动记录,但也存在着许多问题,如缺乏对大地震断层滑动分布不均匀的描述、用经验确定小震数目、模拟方法受到大小地震相似条件的限制等。文中对上述经验格林函数方法存在的问题进行了研究,改进的经验格林函数方法,有效地解决了上述问题。并用其对唐山大地震进行了模拟,并把模拟的地震动时程和反应谱与实际记录相比较,发现用改进方法模拟的地震动加速度反应谱比用未改进方法模拟结果更接近实际的地震动记录加速度反应谱。由此说明改进的经验格林函数可更准确的模拟地震动。     

近断层地震动场预测——以长春市为例

断层带附近地震动场分布的研究,是当前地震工程领域研究的热点问题之一。近断层地震动场的分布对在断层附近进行抗震结构设计时,不仅是提供地震动输入,也是确定建设场地避让范围的重要依据之一。以区域地震构造背景分析、目标断层活动性鉴定、地震危险性评价为基础,结合断层探测结果,利用统计经验关系等最终确定发震断层,并建立相应的震源模型。采用显式有限元和并行计算技术计算目标区域场地的长周期地震动。利用有限断层随机合成的方法,计算高频地震动。将低频和高频地震动合成为目标区域内的宽频带地震动时程。对局部特殊场地条件地区,基于场地调查和勘探的数据,利用等效线性化等方法进行一维土层的非线性反应计算,给出这些特殊场地的宽频带地震动时程。最后,根据地震动时程获得设定地震发生时,目标区域的峰值加速度分布预测图和相应的反应谱。以长春市为例预测了在设定地震发生时,近断层地震动场的分布情况。当长春尖山子—卡伦断层发生6.0级地震时,潜在破坏性地震动的影响范围集中在附近,沿断层走向分布。加速度峰值沿断层垂直变化,主要为90 Gal～140 Gal。只是在长春市南部加速度峰值达到200 Gal。本研究的预测结果具备断层附近地震动的一些最基本的特征,符合当前对断层附近地震动的基本认识。     

基于希尔伯特变换的非平稳地震动模拟方法的验证

基于希尔伯特变换的非平稳地震动模拟方法能够生成一系列地震动样本,具有与给定天然地震动相似的非平稳特征. 该方法在模拟天然地震动时域波形的形态和能量的时频分布方面,效果非常显著且已得到验证. 本文以理想单自由度体系弹塑性地震反应为基础,深入验证该方法在模拟天然地震动对结构影响效应方面的效果. 研究结果表明,该方法能够较好地模拟天然地震动的工程特性,其生成的地震动样本的峰值特性及其引起的结构弹塑性地震响应具有与天然地震动相似的特征.      

A modified method for simulating non-stationary multi-point earthquake ground motion

A spectral-representation-based algorithm is proposed to simulate non-stationary and stochastic processes with evolutionary power,according to a prescribed non-stationary cross-spectral density matrix. Non-stationary multi-point seismic ground motions at different locations on the ground surface are generated for use in engineering applications. First,a modified iterative procedure is used to generate uniformly modulated non-stationary ground motion time histories which are compatible with the prescribed power spectrum. Then,ground motion time histories are modeled as a non-stationary stochastic process with amplitude and frequency modulation. The characteristic frequency and damping ratio of the Clough-Penzien acceleration spectrum are considered as a function of time in order to study the frequency time variation. Finally,two numerical examples are presented to validate the efficiency of the proposed method,and the results show that this method can be effectively applied to the dynamic seismic analysis of long and large scale structures.     

基于机器学习的地震动特征提取与模拟以2021年云南漾濞6.4级地震为例

随着地震动数据数量的增长和质量的提高,将基于数据驱动的机器学习方法应用到地震动模拟中有重要意义。以2021年5月21日云南漾濞M_S6.4地震为例,利用主成分析方法从前震及余震地震动记录中提取特征母波时程,将地震动三要素作为模拟误差约束,在求解母波的线性组合系数时使用多目标优化算法寻优,最终找到帕累托最优解作为模拟目标台站记录时的组合系数,得到模拟地震动时程。结果表明:主成分析法在对实际地震动记录进行特征提取后,得到的特征母波时程可以在一定程度上保留原始数据的主要信息;考虑幅值、频谱和持时这三要素的角度去控制模拟误差,可以使得模拟的地震动时程更加接近真实记录。提出的基于特征提取的地震动模拟方法可以为基于小震数据合成大震地震动提供参考。     

Conditional simulation of spatially variable seismic ground motions based on evolutionary spectra

This paper proposes a computational procedure for the conditional simulation of spatially variable seismic ground motions for long span bridges with multiple supports. The seismic ground motions, with part of their time histories measured at some supports, are regarded as zero‐mean nonstationary random processes characterized by predefined evolutionary power spectral density. To conditionally simulate unknown seismic ground motion time histories at other supports, the Kriging method is first described briefly for the conditional simulation of a random vector comprised of zero‐mean Gaussian variables. The multivariate oscillatory processes characterized by the evolutionary power spectral density matrix are then introduced, and the Fourier coefficients of the oscillatory processes and their covariance matrix are derived. By applying the Kriging method to the random vector of the Fourier coefficients and using the inverse Fourier transform, unknown nonstationary seismic ground motion time histories can be simulated. A numerical example is selected to demonstrate capabilities of the proposed simulation procedure, and the results show that the procedure can ensure unbiased time‐varying correlation functions, especially the cross correlation between known and unknown time histories. The procedure is finally applied to the Tsing Ma suspension bridge in Hong Kong to generate ground accelerations at its multiple supports using limited seismic records. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

A method for generating fully non-stationary and spectrum-compatible ground motion vector processes

Earthquake ground motion spatial variability can influence significantly the response of certain structures. In order to accurately evaluate probabilistic characteristics of the seismic response of structures, the Monte Carlo simulation technique is still the only universal method of analysis when strong nonlinearities and input uncertainties are involved. Consequently, realizations of ground motion time histories taking into account both time and spatial variability need to be generated. Furthermore, for some design applications, the generated time histories must also satisfy the provision imposed by certain seismic codes stating that they have to be also response-spectrum-compatible. For these purposes, a spectral-representation-based methodology for generating fully non-stationary and spectrum-compatible ground motion vector processes at a number of locations on the ground surface is proposed in this paper. The simulated time histories do not require any iterations on the individual generated sample functions so that Gaussianity and prescribed coherence are suitably preserved. The methodology has also the advantage of providing the fully non-stationary and spectrum-compatible cross-spectral density matrix of the ground motion time-histories that can be used for reliability studies in an analytic stochastic fashion.     

人造地震动反应谱的非线性拟合

为了进一步提高人造地震动时程对目标反应谱的拟合精度和效率,本文提出了一种人造地震动反应谱非线性拟合方法.在人造地震动反应谱非线性拟合过程中,认为Fouricr幅值谱与反应谱调整项之间满足非线性(幂指数)关系.通过比例拉伸和折叠等数值技巧以促使模拟加速度向目标加速度逼近.算例分析结果表明,人造地震动反应谱非线性拟合方法具...