Characterizing and quantifying earthquake-induced site nonlinearity

This study proposes a recording-based approach to characterize and quantify earthquake-induced site nonlinearity, exemplified as soil nonlinearity and/or liquefaction. Alternative to Fourier spectral analysis (FSA), the paper introduces time–frequency analysis of earthquake ground motion recordings with the aid of so-called Hilbert-Huang transform (HHT), and offers justification for the HHT in addressing the nonlinear features shown in the recordings. With the use of the 2001 Nisqually earthquake recordings, this study shows that the proposed approach is effective in characterizing site nonlinearity and quantifying the influences in seismic ground responses. Major results from this study are listed below.

1. HHT-based site amplification is defined as the ratio of marginal Hilbert amplitude spectra, similar to the Fourier-based one that is the ratio of Fourier amplitude spectra. The HHT-based site amplification can be used in effectively quantifying site nonlinearity in terms of frequency downshift in the low-frequency range and amplification-reduction factor in intermediate-frequency range in comparison with the Fourier-based one.

2. Instantaneous damping, and Hilbert and marginal Hilbert damping spectra are defined in ways similar to instantaneous frequency, and Hilbert and marginal Hilbert amplitude spectra, respectively. Consequently, the HHT-based site damping is found as the difference of marginal Hilbert damping spectra, which can be used as an alternative, complementary index to measure the influences of site nonlinearity in seismic ground responses.

辽河盆地东部凹陷含气孔、裂隙火成岩地层斯通利波响应特征

为了有效地识别和评价裂缝性地层,对辽河盆地东部凹陷地区含气孔、裂隙地层的单极子阵列声波测井数据进行了斯通利波波场分离（中值滤波）和希尔伯特黄变换（HHT）。研究表明：裂隙和油气通常会使斯通利波的能量衰减（主要发生在高频）、主频下降和到时滞后,这三者具有相关性;裂隙会使反射斯通利波能量增强,反射系数变大;高频和低频斯通利波的比值简称为能量比,能量比接近零时对应渗透性裂隙地层,能量比较小但有一定数值时可能对应渗透性孔隙地层;固有模态函数保留了原始数据固有的物理特性,HHT幅值谱从时间和频率两个方面突出了阵列声波的动力特性。实测数据的傅里叶变换和HHT均能对储层性质进行一定的评价,HHT放大了阵列声波信号对于地层性质的敏感程度,易于研究的分析对比。     

线性SDOF体系共振动力响应的Hilbert谱分析

利用HHT方法分析了线性SDOF体系在共振状态下的强迫动力响应,系统地研究了线性SDOF体系在简谐波、线性调频波与正弦调频波输入下处于共振状态时结构动力响应的H ilbert谱与本征模态函数的特征,并且将H ilbert谱、Morlet小波谱及Fourier幅值谱所蕴含的物理意义及分辨率特性进行了比较。研究结果表明,与Fourier幅值谱相比,H ilbert谱在刻画非平稳时程的某些时变特征方面更加直观,其物理意义更加明确,而与Morlet小波谱相比H ilbert谱则具有较高的分辨率。     

三种变换在强震记录分析方面的研究

在简要地介绍比较了傅立叶变换、小波变换、希尔伯特-黄变换理论的基础上,针对集集地震大量强震记录进行各种变换分析比较,以探求希尔伯特-黄变换在强震记录分析中应用的前景.通过对集集地震60条不同震中距和场地的强震纪录,分别作傅立叶频谱、希尔伯特-黄边际谱和能量密度谱分析,列表归纳对比显示希尔伯特-黄变换在强震记录处理中基本表现出和其他变换相同的趋势,并有其新特点,能体现出强地震动的瞬时特性,是对现有强震数据处理方法重要的补充.     

刚度突变MDOF体系动力损伤识别

在结构损伤识别中,损伤发生的时间、损伤定位及损伤程度是三个核心问题。本文利用HHT方法结合经验遗传-单纯形算法分析刚度突变MDOF体系在地震波输入下结构的动力损伤识别问题,并以刚度突变4DOF结构体系在ELCentro地震波输入下结构动力特性识别为例进行了讨论。通过Fourier变换得到了结构损伤后的自振频率,利用HHT方法识别出结构损伤发生的时间,在此基础上运用经验遗传-单纯形算法识别出结构损伤后的刚度,从而确定了损伤的程度。     

双线性单自由度体系强迫动力反应的Hilbert谱与本征振动模态:输入简谐波频率的影响

系统地研究了双线性单自由度体系在简谐波输入下表现出非线性力学行为时,输入简谐波频率对体系动力响应的Hilbert谱、Hilbert边缘谱及Fourier幅值谱的影响.研究结果表明,如果体系输入简谐波频率为f,那么体系动力响应Hilbert边缘谱的能量分布在f附近一个较宽的频带上,该频带的产生是体系动力响应Hilbert谱中所蕴含的波内调制的必然结果,它源自于体系某个本征振动模态瞬时频率的波动,而这种瞬时频率的波动描述了体系屈服与卸载的非线性力学行为;体系动力响应的Fourier幅值谱自3f起,每隔2f就会出现一个幅值明显高出周围其它分量的Fourier“伪”谐波分量,这也是体系非线性力学行为所造成的结果.     

2014-11-22康定MS6.3地震加速度记录的时频分析与震害特征

采用一种基于聚类经验模态分解（EEMD）的HHT方法提取康定M_S6.3地震强震记录的时频特性,通过对各台站获取的强震动加速度记录进行EEMD和Hilbert变换及谱分析,并与Fourier变换进行对比研究。结果表明,对于非线性的强震记录,采用EEMD能有效抑制EMD中存在的模态混叠问题。康定震区震害调查结果发现,“崩科”藏式建筑房屋表现出的震害特征较严重。通过Hilbert边际谱分析可以看出,震区台站主频集中在10 Hz左右,瞬时能量谱高频段信息较为丰富,而藏式建筑较差的抗震性也是造成震区“崩科”藏式结构房屋表现出震害偏重的重要原因。     

洞体形变短临异常HHT时频分析

利用HHT方法,对河津M_L 5.2地震前30天临汾盆地数字化洞体形变观测资料进行分析,计算不同观测手段、不同测向的瞬时振幅、时频谱及边际谱参数。结果表明,震前约14天,在水平摆和垂直摆边际谱上同步出现低频扰动波,且水平摆NS向时频谱伴随频带较宽的高频成分;震前2天侯马水管倾斜仪EW向瞬时振幅出现连续高值异常,时频谱表现为高频成分增多。分析认为,洞体形变观测数据的时频谱变化,可能显示了各阶段震源体激发的不同频段信息。     

基于HHT提取重力固体潮的地震前兆信息

Hilbert-Huang Transformation(HHT)是一种新的非线性信号处理方法(Huang,1998).通过HHT对信号进行经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD),能有效地把各种频率成分以本征模态函数(intrinsic mode function,简称IMF)形式从中分离出来.再对IMF序列进行Hilbert变换,可得到包含时间、频率、振幅的三维离散时频谱.它提供了非常清晰的局部细节时频特征,适合于描述具非线性非平稳性变化特征的信号.     

基于希尔伯特-黄变换的汶川地震记录分析

利用HHT方法对6个台站的汶川8.0级地震加速度记录进行EMD分解,进而对地震波输入结构的总能量进行分解,得到地震动能量在IMF分量之间的分布关系。同时通过对各分量边际能量谱的分析,可以从另一方面得到地震波的频谱特性,边际能量谱峰值频率与地震波傅立叶谱的卓越频率相同,边际能量谱也可以作为一种估算震动卓越周期的方法。