地震動時程合成方法

在重大工程抗震設計分析中,需要利用地震動時程作為地震輸入來進行結構地震反應分析計算,而所輸入的地震動時程的代表性和質量直接關乎抗震分析結果的準確性。地震動時程的代表性主要體現在其對應的參數要滿足一般性和一些特殊性的要求。基於人們對地震動特性的多方面要求去尋找對應的時程是一個非常有挑戰性的反問題。建立同時滿足大量特性且高精度要求的時程擬合方法成為人們關注的焦點。
在早期,匹配反應譜的地震動時程純粹從白噪聲中生成。在這類方法中,時程表示為傅立葉級數的疊加,然後通過疊代調整各傅立葉級數分量的幅值和相位來匹配設計譜。這個方法有如下幾個缺陷,生成的地震動與實際地震動記錄相比看上去缺乏真實性。其次,調整過程的收斂性較差,從而很難高精度匹配反應譜。另外,由加速度時程得到的速度時程和位移時程存在顯著漂移。現在實際地震動記錄越來越豐富,這就逐漸開始需要從實際地震動記錄出發進行調整來匹配反應譜。若對種子時程採用傅立葉變化來分解,其非平穩性可由相位譜來決定,要保留這個非平穩性,就需要保留其相位譜,然而如果只調整幅值譜,則很難得到滿意的精度,如果對相位譜進行隨機調整,其時程的非平穩特性的改變較大。基於小波的時域調整其本質也是調整了其相位譜,但其調整所疊加的時程函式有其局部性特徵,單次調整對時程所受影響的波段相對要小一些。
為得到滿足要求的地震動時程,首要的一步是根據設計地震的參數選擇種子時程。針對種子時程,有各種不同的方法來對其進行修正使其和設計譜相匹配。
這些方法可分為兩種類型,即通過信號分解進行調整和直接在時域上進行調整。
對於信號分解這類方法,小波變換和希爾伯特-黃變換是套用於地震動時程的強有力的工具。在這些方法中,種子時程分解為一組集函式的線性組合,組合係數通過最佳化與目標譜之間的差別來確定。這類方法的一個問題就在於調整後的加速度時程在幅值和頻率成分上與原始加速度時程有較大差別。
對於時域上進行調整的這類方法,調整的算法是使得反應譜收斂於目標譜的關鍵。很多方法調整的每一步都在於新疊加的函式使得當前反應譜與設計譜的最大誤差點得到修正。因此每一疊代步將使得某一特定頻率和阻尼比下的峰值回響得到修正。然而,這個調整過程又可能影響到其它頻率和阻尼比下的峰值回響,形成此消彼長的現象。對於調整函式的權重,Lilhanand提出解線性方程組的方法來得到每個調整函式的權重。由於不同頻率和阻尼比下的回響時程具有相關性,這種算法某些情形下並不收斂。為克服反應譜匹配的收斂性問題,工程地震學與城市減災(地震社會學)研究室李小軍研究團隊提出了時程最佳化調整的框架,通過最佳化的方法來獲得各調整函式的權重從而得到最佳的反應譜匹配結果。

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