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完全非平稳多点地震动模拟研究

陈辉国  
【摘要】:强地面运动是一个极其复杂的过程,受震源机制、传播路径、场地特性等因素的影响,观测得到的地震动通常表现为强非平稳特性。寻找一种非平稳地震动模型化方法,使模拟地震动特性与实际地震动时频分布特性一致,一直是地震动模拟的研究热点。而对于大型桥梁等空间延展结构而言,由于其结构不同支撑点位置和场地条件的不同,常常导致结构各点地震输入在时频非平稳的分布特性上出现差别,开展多点地震动时频非平稳特性分析与模拟方法研究,是重大工程结构抗震分析对地震动输入研究提出的迫切需求。为此,本文对多点地震动的非平稳特性以及时频完全非平稳多点地震动的实现问题进行了研究,主要工作和取得的成果可归纳为以下四个方面:(1)空间多点地震动场的非平稳特性描述研究通过引入非平稳度的概念,采用非线性交叉预测法以及希尔伯特-黄变换方法分别对地震动时域和频域的非平稳度进行了分析。与强度包线与穿零率方法对比,非平稳度方法描述地震动时频非平稳特性不仅更为直观、而且便于不同地震动横向对比。利用非平稳度直观描述地震动时频非平稳特性的优势,对SMART1-45台阵记录各测点地震动的时频非平稳特性差异进行了定量分析,揭示了实际空间多点地震时频非平稳特性随距离和场地特征变化的规律。(2)基于传统傅立叶分析的多点地震动非平稳特性分析与模拟研究采用直接定量分析多点地震动场各点之间傅立叶幅值和相位差异的手段来建立时频非平稳多点地震动模拟方法。在对多空间多点地震动场各点傅立叶幅值与相位存在一个共同基本量认识的基础上,研究了空间多点地震动场各测点傅立叶幅值和相位与共同幅值和共同相位之间的波动特征,建立了定量表述多点地震动幅值与相位波动的参数化模型,并结合SMART1-45台阵记录研究了空间多点地震动幅值谱与相位差谱波动量随距离及土层厚度变化的规律。同时,还基于传统傅立叶分析模拟地震动方法,利用现有反应谱与傅立叶幅值谱之间的转换关系、以及相位差谱对数正态分布模型相关研究成果,建立了可考虑幅值与相位空间变化规律,并能同时满足时频非平稳特性与规范反应谱要求的多点地震动场模拟方法。(3)基于演变谱法的多点地震动非平稳特性分析与模拟研究采用对地震动时变功率谱进行参数化建模的方式来实现多点地震动模拟的时频非平稳。通过非均匀调制函数以及直接对地震动时变功率谱进行建模两种方式来实现地震动时变功率谱的模型化,并将其应用于多点地震动场的空间效应分析,基于SMART1-45台阵记录系统分析了局部场地空间位置变化对非均匀调制函数模型和Kameda时变功率谱模型参数的影响显著程度,建立了可考虑多点坐标位置和场地土层厚度变化的完全非平稳空间随机地震动模拟方法。(4)基于分频带子波瞬时谱模型的多点地震动非平稳特性分析与模拟研究采用直接对地震动时频分布建模的方法来实现多点地震动模拟的时频非平稳。通过小波变换多分辨率分析,将地震动信号分解为固定频带下的地震动子波,提出了基于分频带子波实现地震动瞬时谱模型化的改进方法。同时,利用SMART1-45实际台阵记录,分析了地震动分频带子波瞬时谱参数的空间变化特性,建立了基于子波瞬时谱模型的完全非平稳多点地震动模拟方法,为瞬时谱方法在多点地震动场分析中的应用提供了新的思路。论文以空间多点地震动的非平稳特性模拟为主线,在研究实际台阵记录空间时频非平稳特性变化效应的基础上,通过三种不同的方法对非平稳多点地震动模拟进行了研究,是对目前非平稳多点地震动模拟的最新发展,研究成果不仅有利于对空间多点地震动非平稳特性的全面认识,而且可为工程抗震设计提供实用的人工多点地震动模拟方法。最后,论文还分析了目前研究的不足,并对今后进一步开展更加深入的研究给出了建议。


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