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小波分析方法模拟地震动的研究

小波分析方法模拟地震动的研究

作者：蔡宏红西安建筑科技大学

学位级别：硕士

地震动输入需要有与场地设计反应谱相一致的地震波。目前,强震资料有限,因此,人造地震动就成为结构抗震的重要组成部分。当前,人造地震动的模拟方法,主要有地震学方法和工程学方法。近二十年发展起来的小波分析方法及其在地震工程中的应... 详细信息

地震动输入需要有与场地设计反应谱相一致的地震波。目前,强震资料有限,因此,人造地震动就成为结构抗震的重要组成部分。当前,人造地震动的模拟方法,主要有地震学方法和工程学方法。近二十年发展起来的小波分析方法及其在地震工程中的应用,为地震动的模拟提供了新的思路。小波分析方法弥补了传统Fourier分析的不足,具有时域和频域的良好局部化性质。本文对小波分析方法模拟地震动进行了进一步的研究。本文的主要研究工作如下: 1)介绍了地震动输入的现状,总结了选择地震动输入的主要方法及小波分析方法在地震动模拟中的应用,探讨了选定基数B样条小波模拟地震动的原因。 2)采用四阶基数B—样条函数,应用四阶拟插值算子Q计算尺度展开系数,进行了地震动加速度过程的模拟,给出了地震动加速度过程的解析表达式。 3)通过实例分析证明了应用小波分析方法模拟地震动是可行的,并且对模拟结果产生的误差进行了分析。研究结果表明,小波分析方法模拟地震动是行之有效的,采用四阶拟插值算子Q计算尺度展开系数,提高了地震动模拟的精度,而且使应用小波分析方法建立结构地震反应的精确解法成为可能,同时为地震动加速度过程的小波模拟及调整等后续工作提供了研究的基础。

关键词：小波分析地震动地震动模拟基数B—样条小波

目标谱符合给定反应谱的非平稳地震动过程模拟

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目标谱符合给定反应谱的非平稳地震动过程模拟

作者：何颖天津大学

学位级别：硕士

本文对目标谱符合给定反应谱的地震动模拟方法进行了研究,从真实地震动特征出发,基于Hilbert-Huang变换(HHT)提出了一种新的非平稳地震动过程模拟方法。通过与国内外本领域研究情况的比较,本文的研究工作能够更精确地模拟实际地震动的... 详细信息

本文对目标谱符合给定反应谱的地震动模拟方法进行了研究,从真实地震动特征出发,基于Hilbert-Huang变换(HHT)提出了一种新的非平稳地震动过程模拟方法。通过与国内外本领域研究情况的比较,本文的研究工作能够更精确地模拟实际地震动的非平稳特征。首先回顾了具有统一统计特征的非平稳地震动过程模拟的研究状况,阐明了传统方法仅考虑了场地地震动幅值的非平稳性的不足之处。接着引用了一种模拟产生目标谱符合给定功率谱的新方法,该方法产生的模拟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取决于目标时变功率谱。这是作者进行研究的理论基础之一。随后对Hilbert-Huang变换作了简要介绍,并与傅立叶变换和小波变换进行比较。HHT方法由经验模态分解(EMD)与经典的Hilbert变换结合而成。由HHT方法得到的Hilbert功率谱能清晰地显示随时间变化的频率特征,因而能更精确的表达地震动时程频域内非平稳的特性。本文在此基础上进行研究拓展,详细推导阐述了一种模拟非平稳地震动过程的有效方法。该方法以幅值谱修正方法为基础,结合HHT变换,引入Hilbert谱,保留了原始地震记录在幅值和频率上的非平稳特性。最后,论文以El Centro地震波的Hilbert功率谱为出发点,给定目标谱为第一类场地反应谱,对此方法进行了验证。验证结果表明,本文方法能够精确的反映实际地震动频率幅值的非平稳特征,值得进一步的研究应用。

关键词：非平稳随机过程地震动模拟场地反应谱 Hilbert谱谱表示 Hilbert-Huang变换

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基于小波包方法的模拟地震动工程应用研究

基于小波包方法的模拟地震动工程应用研究

作者：杨佳辰大连理工大学

学位级别：硕士

地震动模拟可以为实际工程项目提供大量的结构抗震设计所需的地震动时程数据。本文从实际地震记录出发,基于不同台阵记录到的四组实际地震动数据研究了地震动相干性随频率和距离的变化规律以及框架结构的地震响应情况。随后,利用地震动... 详细信息

地震动模拟可以为实际工程项目提供大量的结构抗震设计所需的地震动时程数据。本文从实际地震记录出发,基于不同台阵记录到的四组实际地震动数据研究了地震动相干性随频率和距离的变化规律以及框架结构的地震响应情况。随后,利用地震动模拟软件Sim GM针对不同地震实际记录各自模拟了三组不同的地震动加速度时程数据,计算了它们的地震动相干函数,并从PGA、加速度反应谱等方面与实际地震记录数据进行了对比。最后,将实际地震动数据以及模拟地震动时程作为地震动作用输入至Open SEES有限元框架模型中,对比分析了实际组与模拟组地震作用下结构响应的差异,从而来验证模拟组地震动的工程实际应用性。主要研究内容如下:选取了台湾SMART-1台阵（Strong Motion Array in Taiwan,phaseⅠ）三次地震实际记录及美国UPSAR台阵记录到的Parkfiled地震动数据,来作为地震动相干性分析以及利用Open SEES进行地震结构响应分析的地震动时程数据。分别计算了SMART台阵的中心台站C00处记录的地震动与内圈、中圈和外圈上的台站记录到的地震动数据之间的相干函数值,以及UPSAR台阵中P01与P02、P05等台站记录到的地震动之间的相干函数值。然后对计算所得的相干函数值进行了拟合,分析了相干系数曲线随着距离和频率的变化规律。拟合时所选用的函数模型为Loh相干函数模型。分析比较了不同地震事件中水平地震动相干函数的变化情况和规律,发现频率和距离对地震动相干性的影响较大,且地震动相干函数的拟合曲线随频率的增加均呈现逐渐下降的趋势,但下降的幅度存在差异。计算了不同台阵实际记录地震作用下框架模型的顶点最大位移,最大层间位移角以及梁柱Kunnath损伤指数等结构响应内容,分析了框架结构在地震作用下的主要损伤部位以及梁柱构件的损伤情况。介绍了本文中所使用的地震动模拟软件Sim GM,利用此软件模拟了相应地震事件下几组不同的地震动加速度时程,计算了它们之间的地震动相干性。并从地面峰值加速度、加速度反应谱、框架结构地震响应等诸多方面将模拟组地震动与实际地震动数据进行了对比,验证了模拟组地震动的工程实际应用性。

关键词： SMART-1 UPSAR 相干函数结构地震响应地震动模拟

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经验格林函数方法模拟近场小震地震动研究

经验格林函数方法模拟近场小震地震动研究

作者：吴玉川云南大学

学位级别：硕士

近场地震动的研究是近十多年来地震学和地震工程学中非常活跃的研究领域,其目的是通过已发生的地震,不断改进、完善近场强地面运动模拟计算的理论和方法,从而实现对未来破坏性大地震所产生的地面运动进行科学可靠的分析和预测。论文首... 详细信息

近场地震动的研究是近十多年来地震学和地震工程学中非常活跃的研究领域,其目的是通过已发生的地震,不断改进、完善近场强地面运动模拟计算的理论和方法,从而实现对未来破坏性大地震所产生的地面运动进行科学可靠的分析和预测。论文首先对经验格林函数方法的基本思想、理论依据和数学表述进行了阐述;其次简单介绍了震源参数及使用定标律确定震源参数的方法,最后详细的介绍了地震动反应谱及其求解方法。经验格林函数法是本文研究的主要方法。本文先用经验格林函数法粗略地估计了研究所用的震源破裂模型,在此基础上,利用经验格林函数法模拟了2000年姚安地震和2001年永胜地震的近场小震地震动,分别模拟了48组姚安地震数据和24组永胜地震数据,通过模拟结果和修正结果及其傅里叶振幅谱和速度反应谱与观测记录及其傅里叶振幅谱和速度反应谱的对比分析得出用经验格林函数法模拟近场小震地震动是可行的;此外,本文分别选取了震中距相同而方位不同的三个台站共同记录到的1组余震记录和方位相同而震中距不同的三个台站共同记录到的1组余震记录研究了震源破裂方位和震中距对模拟近场小震地震动的影响,研究结果表明震源破裂方位和震中距对模拟近场小震地震动有轻微的影响,但这些影响基本可以忽略不计。针对近场强地震记录缺乏和小震记录丰富的情况,本文提出了分阶段模拟地震动时程的设想,期待可以利用丰富的小震记录去合成大震,以此来丰富大震记录,为对未来破坏性大地震所产生的地面运动进行科学可靠的分析和预测提供依据。为了验证这一设想的可行性选取了姚安地震两组数据进行了一次分级的初步研究,研究结果表明分阶段模拟地震动是可行的。最后总结了本文的研究成果和存在的问题,并对未来可能进一步研究做出了展望。

关键词：经验格林函数法地震动模拟近场小震速度反应谱震源破裂模型

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基于经验公式的随机有限断层模型模拟地震动

基于经验公式的随机有限断层模型模拟地震动

作者：苑树鹏辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

大量的震害调查和统计数据表明,建筑结构的破坏和倒塌是导致人员伤亡和经济损失的主要原因,而这些破坏往往是由强烈地震所致。地震危险性分析可以为指定地区建筑结构抗震设计提供理论依据,从而减少地震造成的损失。尽管地震动数据积累迅... 详细信息

大量的震害调查和统计数据表明,建筑结构的破坏和倒塌是导致人员伤亡和经济损失的主要原因,而这些破坏往往是由强烈地震所致。地震危险性分析可以为指定地区建筑结构抗震设计提供理论依据,从而减少地震造成的损失。尽管地震动数据积累迅速,但强地震动数据仍然很少。因此,在对结构抗震进行分析时,目前常用的方式是通过搭建完善的模型来对地震动进行模拟与分析。而怎样才能对未来大地震发生前数据和相关参数进行获取,依然是目前的主要困难。本文的主要工作和结论如下:(1)根据地震学理论,研究了地震断层破裂长度、破裂宽度与矩震级之间关系,断层面上平均滑动和地震矩之间的关系,面波震级和地震矩之间关系,推导出其理论关系式,并把上述理论关系式归纳、简化成统一的简单形式。参考了基于大量地震事件观测数据和地震理论分析,并利用统计分析方法得出的地震破裂过程中关键参数之间的半经验关系式。基于上述的关系式,进一步选取了适合研究区域的经验关系式,建立了一套可实用的地震震源参数关系式。(2)改进了随机有限断层模型中的部分参数的获取方法,建立了基于经验公式的随机有限断层模型。以2018年1月23日在Gulf of Alaska发生的M7.9级地震为例,选取震中的12个基岩地震台的两个不同方位角的地面运动的加速度时程,用本文设定的随机有限断层模型模拟了12个基岩地震台地震动时程和反应谱。结果显示12个地震台站模拟误差在1.08～0.92之间,周期变化处在95%置信区间未呈现出明显的关系,且每个周期模拟所得的误差标准均满足比标准差1小的要求。表明模拟具有较高的平均精度,反映了地面运动的平均效应,证明了本文经验公式获取部分震源参数的有效性。(3)未来的大地震将发生在活动断层上,但地震发生前断层平面上确切的破裂点和滑移分布尚不清楚。假设断层平面的初始破裂点和准随机滑移分布,再次计算12个地震台站在某一时段的模拟误差平均值,得到与初次模拟相似的结论,证明了本文这种方法的有效性。因此提出在发震构造已知,断层平面上初始破裂点和滑移分布未知的情况下,通过本文选取的经验关系式确定未来大地震断层的长度、宽度、断层滑移分布等信息,进而通过随机有限断层模型实现对未来地面运动的预测。该论文有图25幅,表3个,参考文献67篇。

关键词：随机方法有限断层震源参数近场地震动预测地震动模拟

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跨断层地震动及其对桥梁结构影响研究进展

中国公路学报 2023年第1期36卷 80-96页

作者：宗周红林元铮林津黎雅乐东南大学爆炸安全防护教育部工程研究中心江苏南京211189 东南大学土木工程学院江苏南京211189 江苏开放大学建筑工程学院江苏南京210036

与常规地震动激励的情况相比,跨断层地震动作用下桥梁结构具有更复杂的动力响应、更大的地震需求以及更严重的地震损伤。伴随着川藏铁路等超级基础工程的开工建设,越来越多的桥梁具有跨越潜在断层的风险,相关研究亟待开展。从跨断层桥... 详细信息

与常规地震动激励的情况相比,跨断层地震动作用下桥梁结构具有更复杂的动力响应、更大的地震需求以及更严重的地震损伤。伴随着川藏铁路等超级基础工程的开工建设,越来越多的桥梁具有跨越潜在断层的风险,相关研究亟待开展。从跨断层桥梁震害出发,首先阐述了近/跨断层地震动的基本特性并介绍了相关模拟方法,然后综述了跨断层桥梁抗震分析理论、数值模拟和模型试验等研究的相关进展,进而归纳了考虑跨断层地震动作用的应对策略。结果表明:现有的跨断层地震动模拟方法合理可行,但存在一定的应用条件和改进空间;跨断层桥梁研究对象大多为中小跨径梁桥,其地震响应和损伤破坏模式受断层类型、跨越位置、跨越角度、永久位移等多因素影响;针对跨断层桥梁的减隔震和防落梁限位措施等技术得到初步发展。最后展望了未来跨断层桥梁抗震研究的发展方向,主要包括:发展更为精确、高效的跨断层地震动模拟技术;开展大跨径桥梁的跨断层振动台台阵试验及倒塌数值模拟研究;突破跨断层桥梁振动台台阵试验技术瓶颈;明确跨断层地震动参数对不同类型桥梁结构地震损伤机理的影响规律;进一步发展相应的减隔震技术、防落梁措施以及韧性防控技术,并进行试验验证等。

关键词：桥梁工程抗震性能综述跨断层地震动模拟地震响应地震损伤应对策略

基于随机有限断层法的坝址地震动参数综合评价方法

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土木工程学报 2020年第7期53卷 1-11,27页

作者：俞瑞芳时洪涛孙吉泽张冬锋俞言祥中国地震局地球物理研究所北京100081 中国三峡建设管理有限公司四川成都610000

对于受多条发震构造影响的大坝场址,合理估计坝址地震动输入是实现近场地震作用下不溃坝目标的前提条件。文章主要目标是对地震地质环境复杂的场址建立适合于工程应用的地震动参数评价方法。首先对随机有限断层法模拟近场大震的适用性... 详细信息

对于受多条发震构造影响的大坝场址,合理估计坝址地震动输入是实现近场地震作用下不溃坝目标的前提条件。文章主要目标是对地震地质环境复杂的场址建立适合于工程应用的地震动参数评价方法。首先对随机有限断层法模拟近场大震的适用性进行分析,结果表明该方法不仅可以描述断层破裂源,考虑地震波路径、场地衰减等因素,而且计算效率高,能够解决地震动模拟中复杂震源设置与计算效率的问题,可用于大坝场址地震动参数估计;然后基于对随机有限断层法参数的不确定性分析,建立一套能够考虑多个发震构造对坝址影响的地震动参数综合评价体系,包括设置震源、路径及场地条件参数的取值范围及水平、设计多方案(多权重)地震动模拟方案、各参数取值的权重系数计算原则与方法;最后获得能够表征不同地震危险性的参数估计方法。该文建立的方法能够考虑坝址发震构造的复杂性,给出多层次、多风险水平的评价结果,为近场大震作用下大坝抗震安全评价提供合理的地震动参数。

关键词：随机有限断层法地震动模拟地震危险性参数不确定性

基于随机模拟一致危险性谱的核电厂抗震性能分析

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原子能科学技术 2018年第8期52卷 1459-1467页

作者：张学明闫维明何浩祥孙运轮宋林琳陈适才北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室北京100124 中核能源科技有限公司北京100193

为改善概率地震危险性分析对震源传播特性考虑的不足,提出采用随机模拟与概率地震危险性分析结合的方法,充分考虑反应谱生成中震源机制、传播路径和场地效应等影响,生成更为精确的一致危险性谱。结合核电厂具体场地条件对场地近两千年... 详细信息

为改善概率地震危险性分析对震源传播特性考虑的不足,提出采用随机模拟与概率地震危险性分析结合的方法,充分考虑反应谱生成中震源机制、传播路径和场地效应等影响,生成更为精确的一致危险性谱。结合核电厂具体场地条件对场地近两千年的历史地震进行模拟,并生成同一超越概率下的一致危险性谱(UHS)。为了比较已有的厂址谱(SL-2)和安评报告中的UHS及美国RG1.60谱所生成的地震动对结构抗震性能的影响,以某核电结构为例,建立三维有限元模型,进行动力时程分析。结果表明:不同反应谱对结构的动力响应差别较大,UHS与SL-2对结构的响应较为接近,且略大于SL-2,但小于美国RG1.60谱。基于随机模拟方法生成的一致危险性谱可为核电厂抗震设计提供参考。

关键词：地震动模拟一致危险性谱概率地震危险性分析核电厂抗震

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跨倾滑正断层桥梁地震响应数值模拟

建筑结构学报 2022年第5期43卷 205-216页

作者：张凡李帅王景全东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室江苏南京211189 东南大学土木工程学院江苏南京211189

为揭示跨倾滑正断层桥梁的地震响应规律,以海文大桥跨断层引桥为研究对象,根据地震震级和断层参数间的关系构建了铺前-清澜断层的物理模型,并基于空间随机场模型生成该断层滑动的空间非均匀分布;采用基于断层破裂物理过程的地震动混合... 详细信息

为揭示跨倾滑正断层桥梁的地震响应规律,以海文大桥跨断层引桥为研究对象,根据地震震级和断层参数间的关系构建了铺前-清澜断层的物理模型,并基于空间随机场模型生成该断层滑动的空间非均匀分布;采用基于断层破裂物理过程的地震动混合模拟方法生成断层两侧可能发生的最大永久位移地震动;同时,采用OpenSees建立了全桥三维动力有限元模型,分析了永久位移地震动频带、桥梁与断层相对位置、竖向地震动及减隔震方法对该桥地震响应的影响规律。研究结果表明:所采用的地震动模拟方法可以合理考虑断层断裂的复杂性,生成地震动的反应谱在短周期段和设计反应谱吻合良好,在长周期段具有显著的滑冲效应特征,可有效模拟断层两侧的永久位移地震动;在跨断层桥梁地震响应分析方面,断层错位和高频带地震动对跨断层桥梁地震响应均有较大的贡献,跨断层桥梁地震响应分析须采用具有永久位移的宽频带地震动作为地震动输入,仅采用高频带地震动或者采用断层错位进行静力分析均会低估桥墩的地震响应;而位于断层同侧的桥梁主要受高频地震动的影响,跨断层桥梁的地震响应远大于断层同侧桥梁的响应;不考虑竖向地震动会低估跨倾滑断层桥梁纵桥向的地震响应,且跨径越小竖向地震动的影响越大,在进行跨倾滑断层桥梁抗震设计时,应选取较大跨径的简支梁桥来减轻竖向地震动的影响。同时,合理的限位拉索设计可利用桥墩的抗震能力明显改善跨断层桥梁的支座变形,减小因断层错位引起的桥梁损伤。

关键词：跨断层桥梁倾滑正断层有限断层法地震动模拟有限元分析地面永久位移限位拉索