非平穩(wěn)地震動時程的漸進(jìn)譜研究

1、年 月水 利 學(xué) 報第 卷 第 期收稿日期基金項目 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目作者簡介 張翠然 女 河南洛陽人 博士生 工程師 主要從事水工結(jié)構(gòu)抗震研究文章編號非平穩(wěn)地震動時程的漸進(jìn)譜研究張翠然 陳厚群中國水利水電科學(xué)研究院 工程抗震研究中心 北京摘要 分別采用窗口滑移 多重濾波和 窄帶濾波方法得到 地震記錄的漸進(jìn)譜 經(jīng)比較選擇 方法用于本文的漸進(jìn)譜研究 分析了有限帶寬白噪聲 強(qiáng)度非平穩(wěn)時程與實(shí)際地震記錄的漸近譜發(fā)現(xiàn)可從漸進(jìn)譜分布規(guī)律的角

2、度解釋這些時程的特性差異 在 方法基礎(chǔ)上建立了一個地震動合成模型指出地震動時程的幅值和頻率非平穩(wěn)應(yīng)同時與漸進(jìn)譜和時頻非平穩(wěn)的相位相關(guān) 由本文和 模型合成時程與實(shí)際地震動記錄的漸進(jìn)譜和相位的對比分析表明 依照本文模型合成時程的漸進(jìn)譜和相位同時表現(xiàn)為時頻非平穩(wěn) 這與實(shí)際地震記錄的特性完全相符關(guān)鍵詞 地震動時程 漸進(jìn)功率譜 方法 幅值和頻率非平穩(wěn)中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼研究背景隨著我國西部水能資源的開發(fā) 一批壩高 左右的巨型水電站正在逐步建設(shè)中

3、 如何在地震頻發(fā)的西部地區(qū)保證這些重大工程的抗震安全 是亟需解決的技術(shù)難題 水工抗震規(guī)范規(guī)定 重大水工結(jié)構(gòu)的動力計算 除采用振型分解反應(yīng)譜法外 還需補(bǔ)充時程分析計算地震作用效應(yīng) 眾所周知 土石壩具有強(qiáng)非線性 其它壩型在地震過程中也表現(xiàn)出不同程度的非線性 特別是當(dāng)前高壩抗震設(shè)計已大多采用非線性動力分析方法 基于迭代原理的振型分解反應(yīng)譜法不再適用 受歷史地震資料和認(rèn)識水平的制約 目前大壩工程抗震分析多采用幅值非平穩(wěn)的人造地震動輸入時程 實(shí)際

4、地震過程強(qiáng)隨機(jī)性兼具幅值和頻率非平穩(wěn)特性 忽略后者會直接影響到大壩非線性動力分析結(jié)果頻率非平穩(wěn)是合成地震動時程的難點(diǎn) 也是近年來研究的熱點(diǎn) 一方面 相位攜帶地震動時頻變化信息的理論得到肯定 特別是相位差 概念的提出 開拓了相位研究的新局面 相位差能夠反映地震動的幅值和頻率非平穩(wěn) 但不同學(xué)者對其分布形式的認(rèn)識并不一致 如何由相位差合成時程有待深化研究 另一方面 描述信號時頻域能量分布的時變譜受到重視 時變譜求解方法中應(yīng)用較廣的漸進(jìn)譜能反映

5、各時刻的局部功率 頻率分布 它與平穩(wěn)隨機(jī)信號譜具有相同的物理解釋 提出漸進(jìn)譜概念 等 將其引入地震動合成領(lǐng)域 漸進(jìn)譜物理意義清晰 但復(fù)雜的三維譜值求解困難 特別是復(fù)調(diào)制函數(shù)難以確定 早期學(xué)者用地震譜圖乘上移動窗 重復(fù)傅立葉變換生成漸進(jìn)譜 這樣做的缺點(diǎn)是窗函數(shù)單一 高頻分量的波動很難檢測出來 將平穩(wěn)和瞬態(tài)波譜估計的多重濾波技術(shù)拓展到漸進(jìn)譜估計 該方法能較準(zhǔn)確描述高頻分量的時域變化細(xì)節(jié) 但選取不同阻尼比會影響漸進(jìn)譜估計結(jié)果 等 利用窄帶和低

6、通濾波 直接生成復(fù)調(diào)制函數(shù)用于抗震可靠度分析本文比較窗口滑移 多重濾波和 方法對實(shí)際地震動漸進(jìn)譜的估計結(jié)果 分析實(shí)際地震記錄 擬合目標(biāo)反應(yīng)譜得到的強(qiáng)度非平穩(wěn)時程以及白噪聲隨機(jī)波的漸進(jìn)譜特性 在 方法基礎(chǔ)上推導(dǎo)出一個地震動時程合成模型 發(fā)現(xiàn)地震動時程的幅值和頻率非平穩(wěn)特性應(yīng)由漸進(jìn)譜和時頻非平穩(wěn)窄帶濾波方法估計其漸進(jìn)譜 另列出文獻(xiàn) 采用窗口滑移技術(shù)得到該波的漸進(jìn)譜密度 比較這 種方法生成漸進(jìn)譜的時頻域特性方法估計的二維漸進(jìn)譜見圖 三維漸進(jìn)譜

7、見圖 可以看出 漸進(jìn)譜隨時間變化共出現(xiàn) 次峰值 其劇烈程度和對應(yīng)時間都與圖 中時程的波動一致 說明 方法生成的漸進(jìn)譜能夠反映 地震波的非平穩(wěn)特性 由于圖 給出的是漸進(jìn)譜密度 且窗函數(shù)的參數(shù)未知 故該圖的絕對幅值不具可比性 除此外 圖 中各漸進(jìn)譜的變化規(guī)律 峰值位置和幅值大小非常接近 使種方法得到相互驗證 但圖 中窗口滑移技術(shù)生成的漸進(jìn)譜密度相對缺少細(xì)節(jié)變化 的多重濾波法假定漸進(jìn)譜相對于時間變化緩慢 為確保假設(shè)有效 需采用大阻尼降低瞬態(tài)響

8、應(yīng) 但從濾波器理論考慮 小阻尼是保證窄帶寬的關(guān)鍵 這兩點(diǎn)要求互相矛盾 表現(xiàn)在圖 就是阻尼變化對漸進(jìn)譜估計干擾較大 盡管如此 圖 和圖 出現(xiàn)的峰值 在圖 圖 中基本能夠得到體現(xiàn) 因此若選定合適的阻尼 方法生成的漸進(jìn)譜也可以反映地震動的非平穩(wěn)特性圖 地震波時程曲線 圖 方法估計漸進(jìn)譜沿時間軸變化圖 地震波的漸進(jìn)譜實(shí)際地震記錄與人工合成時程的漸進(jìn)譜比較 為研究現(xiàn)有方法合成時程與實(shí)際地震記錄的差異采用 方法合成模擬時程與實(shí)際記錄的漸進(jìn)譜 重點(diǎn)比