非平穩(wěn)地震動時程的漸進譜研究

1、年 月水 利 學 報第 卷 第 期收稿日期基金項目 國家自然科學基金重點項目作者簡介 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)地震動時程的漸進譜研究張翠然 陳厚群中國水利水電科學研究院 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 地震記錄的漸進譜 經(jīng)比較選擇 方法用于本文的漸進譜研究 分析了有限帶寬白噪聲 強度非平穩(wěn)時程與實際地震記錄的漸近譜發(fā)現(xiàn)可從漸進譜分布規(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)應同時與漸進譜和時頻非平穩(wěn)的相位相關 由本文和 模型合成時程與實際地震動記錄的漸進譜和相位的對比分析表明 依照本文模型合成時程的漸進譜和相位同時表現(xiàn)為時頻非平穩(wěn) 這與實際地震記錄的特性完全相符關鍵詞 地震動時程 漸進功率譜 方法 幅值和頻率非平穩(wěn)中圖分類號 文獻標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譜法外 還需補充時程分析計算地震作用效應 眾所周知 土石壩具有強非線性 其它壩型在地震過程中也表現(xiàn)出不同程度的非線性 特別是當前高壩抗震設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譜法不再適用 受歷史地震資料和認識水平的制約 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 實際

4、地震過程強隨機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 也是近年來研究的熱點 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) 但不同學者對其分布形式的認識并不一致 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用較廣的漸進譜能反映

5、各時刻的局部功率 頻率分布 它與平穩(wěn)隨機信號譜具有相同的物理解釋 提出漸進譜概念 等 將其引入地震動合成領域 漸進譜物理意義清晰 但復雜的三維譜值求解困難 特別是復調(diào)制函數(shù)難以確定 早期學者用地震譜圖乘上移動窗 重復傅立葉變換生成漸進譜 這樣做的缺點是窗函數(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)拓展到漸進譜估計 該方法能較準確描述高頻分量的時域變化細節(jié) 但選取不同阻尼比會影響漸進譜估計結(jié)果 等 利用窄帶和低

6、通濾波 直接生成復調(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 方法對實際地震動漸進譜的估計結(jié)果 分析實際地震記錄 擬合目標反應譜得到的強度非平穩(wěn)時程以及白噪聲隨機波的漸進譜特性 在 方法基礎上推導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)特性應由漸進譜和時頻非平穩(wěn)窄帶濾波方法估計其漸進譜 另列出文獻 采用窗口滑移技術(shù)得到該波的漸進譜密度 比較這 種方法生成漸進譜的時頻域特性方法估計的二維漸進譜見圖 三維漸進譜

7、見圖 可以看出 漸進譜隨時間變化共出現(xiàn) 次峰值 其劇烈程度和對應時間都與圖 中時程的波動一致 說明 方法生成的漸進譜能夠反映 地震波的非平穩(wěn)特性 由于圖 給出的是漸進譜密度 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)生成的漸進譜密度相對缺少細節(jié)變化 的多重濾波法假定漸進譜相對于時間變化緩慢 為確保假設有效 需采用大阻尼降低瞬態(tài)響

8、應 但從濾波器理論考慮 小阻尼是保證窄帶寬的關鍵 這兩點要求互相矛盾 表現(xiàn)在圖 就是阻尼變化對漸進譜估計干擾較大 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 方法估計漸進譜沿時間軸變化圖 地震波的漸進譜實際地震記錄與人工合成時程的漸進譜比較 為研究現(xiàn)有方法合成時程與實際地震記錄的差異采用 方法合成模擬時程與實際記錄的漸進譜 重點比