《工程地震与结构抗震(05)-强地面运动合成》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程地震与结构抗震(05)-强地面运动合成（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五讲 地面运动的合成（人造地震动）Synthesis of Ground Motion (Generated Ground Motion)5.1 概述5.1 概述现有强震记录不能满足需要，特别当有目的进行研究，如结构非线性地震反应等。对地震动的要求：现有强震记录不能满足需要，特别当有目的进行研究，如结构非线性地震反应等。对地震动的要求： 脆性结构脆性结构，只需要地震动强度，例如加速度或速度峰值、或反应谱。，只需要地震动强度，例如加速度或速度峰值、或反应谱。 复杂结构复杂结构，往往要进行结构非线性时程分析，需要预测地震动时程。，往往要进行结构非线性时程分析，需要预测地震动时程。要求要求地震动输
2、入的地震动输入的频带频带也越来越宽，例如核电站的安全壳自振频率可到33 Hz、而长大桥梁的自振周期达十几秒。也越来越宽，例如核电站的安全壳自振频率可到33 Hz、而长大桥梁的自振周期达十几秒。 长大桥梁长大桥梁、大坝、输油输气管道等结构：地震动的空间分布，即预测地面的多点输入。 有、大坝、输油输气管道等结构：地震动的空间分布，即预测地面的多点输入。 有地下室地下室或埋深基础或桩基，需要提供沿深度分布的地震动。或埋深基础或桩基，需要提供沿深度分布的地震动。 不对称结构不对称结构或某些特殊结构，除平动分量外，还需要预测地震动的转动分量。或某些特殊结构，除平动分量外，还需要预测地震动的转动分量。5.
3、2 几种地震动合成方法几种地震动合成方法在工程地震学研究中，学者们采用多种方法来估计地震动。其中包括基于幅值和卓越周期调整的在工程地震学研究中，学者们采用多种方法来估计地震动。其中包括基于幅值和卓越周期调整的比例方法比例方法、拟合目标峰值和反应谱的、拟合目标峰值和反应谱的数值方法数值方法、选择实际地震动记录的地震记录、选择实际地震动记录的地震记录匹配方法匹配方法及及半经验半理论模拟方法半经验半理论模拟方法。一一. 比例方法比例方法是在选择地震环境条件及地震动参数尽量符合要求的一条地震动记录的基础上，按照需要调整实际记录的幅值，周期，持时，来获得更符合地震动参数要求的地震动时程的方法。这一方法无
4、法使得所确定的地震动时程满足反应谱或功率谱等方面的要求，这些要求只能通过实际地震动记录比例方法比例方法是在选择地震环境条件及地震动参数尽量符合要求的一条地震动记录的基础上，按照需要调整实际记录的幅值，周期，持时，来获得更符合地震动参数要求的地震动时程的方法。这一方法无法使得所确定的地震动时程满足反应谱或功率谱等方面的要求，这些要求只能通过实际地震动记录a(t)的选择来近似满足，因此，它并不能达到同一体系多次取样的要求。的选择来近似满足，因此，它并不能达到同一体系多次取样的要求。这种方法目前在工程应用中已经较少被使用这种方法目前在工程应用中已经较少被使用。二二. 地震动记录的匹配方法该方法严格上
5、讲不属于人工地震动合成方法，而应理解为确定与地震参数相匹配的地震动时程的方法。针对所要求的地震动参数寻找尽量符合要求的实际地震动加速度记录，以供工程设计使用。选择在地震环境、场地条件，强度、包络线、频率等相近的实际记录。地震动记录的匹配方法该方法严格上讲不属于人工地震动合成方法，而应理解为确定与地震参数相匹配的地震动时程的方法。针对所要求的地震动参数寻找尽量符合要求的实际地震动加速度记录，以供工程设计使用。选择在地震环境、场地条件，强度、包络线、频率等相近的实际记录。三. 数值方法（随机振动法）三. 数值方法（随机振动法）1、目的：目的：利用给定的条件和目标，人工合成地震动的时间过程（利用给定
6、的条件和目标，人工合成地震动的时间过程（a(t)）2、已知条件、已知条件：地震动峰值（振幅）、目标谱（频谱），持时峰值地震动峰值（振幅）、目标谱（频谱），持时峰值是指地震危险性分析中给出的一定超越概率的峰值加速度是指地震危险性分析中给出的一定超越概率的峰值加速度目标谱目标谱是地震危险性分析给出的一定超越概率的加速度反应谱是地震危险性分析给出的一定超越概率的加速度反应谱持时持时是危险性分析中给出的持时。是危险性分析中给出的持时。3、合成地震动的方法、合成地震动的方法基本思想：用一组三角级数之和构造一个近拟的平稳高斯过程，然后乘以强度包线，得到非平稳的地面运动加速度时程。基本思想：用一组三角级数之
7、和构造一个近拟的平稳高斯过程，然后乘以强度包线，得到非平稳的地面运动加速度时程。Time(s)036912151821-40-2002040Acceleration(gal)人工合成 加速度时程人工合成 加速度时程0 .0 10 .111 011 01 0 01 0 0 0目 标谱拟 合 谱Response spectrum(gal)P e rio d (s )加速度 反应谱加速度 反应谱f(t)强度包线函数强度包线函数 nkkkktAtfta0)cos()()( (1)式中：式中：)(tf为强度包线函数为强度包线函数 k为为)2 , 0(区间内均匀分布的随机相位角区间内均匀分布的随机相位角
8、kA和和k分别为第分别为第 k 个频率分量的幅值和频率。个频率分量的幅值和频率。 按照式按照式(1)的模型， 首先构造一个的模型， 首先构造一个平稳的高斯过程平稳的高斯过程 （即平稳的正态随即平稳的正态随 机过程） ：机过程） ： nkkkktAtx0)cos()( (2)(2) 式中三角级数各分量的幅值可以任意给定，式中三角级数各分量的幅值可以任意给定，也可以由功率谱密也可以由功率谱密 度函数求得：度函数求得： 2/1)(4kKsA (3)TkTk/2/2 上式中，上式中，T为随机过程为随机过程)(ta的总持时，可以证明的总持时，可以证明(2)式给出的式给出的过程为过程为 具有具有功率谱密度
9、函数功率谱密度函数)(S的零均值的平稳高斯过程。的零均值的平稳高斯过程。 常用的模型是常用的模型是(Scalan和和Sachs, 1974)。f(t)tt1t21.0当以加速度反应谱作为模拟的目标时， 可以利用已知的当以加速度反应谱作为模拟的目标时， 可以利用已知的反应谱与功 率谱的近似转换关系反应谱与功 率谱的近似转换关系： )1ln(ln1)()(2PTSST a (4)式中：式中：)(T aS为给定的目标加速度反应谱，为给定的目标加速度反应谱，)()(maxaST a 为阻尼比为阻尼比 P为反应不超过反应谱值的概率，一般为反应不超过反应谱值的概率，一般85. 0P ),)(1mT aTT
10、TtS,坐标点数坐标点数 m 国际上通用的是国际上通用的是 m=4080， 且， 且mTT,1应尽量在周期的对数坐标上均匀分布。一般取应尽量在周期的对数坐标上均匀分布。一般取 m=60。 强度包线可选取如下常用形式强度包线可选取如下常用形式 ttettttttttfttc 2)(2112 1210)/()( (5) 在数值计算中，通常采用在数值计算中，通常采用 FFT技术进行三角 级数求和，这时把技术进行三角 级数求和，这时把(2) 式写成付氏变换的形式：式写成付氏变换的形式：10)(nkti kkeAtx(6)式中式中kA为为)(tx 的傅氏谱，由的傅氏谱，由(3)式得：式得：ki kkeF
11、SA)()( (7) 式中式中)(kFS为幅值谱，为幅值谱，k为相位谱，并有：为相位谱，并有：1, 12)(*)(12, 0)(2, 0)(4 )(2/12/1 nhkAAhkShkS FSknkkkk (8)为了提高拟合精度，还需进行迭代调整，一般按下式进行调整：为了提高拟合精度，还需进行迭代调整，一般按下式进行调整： )()()()(1 kikakT a kiFSSSFS(9)式中：式中：)(kT aS为目标反应谱为目标反应谱 )(kaS为计算反应谱（利用合成的时程得到的谱）为计算反应谱（利用合成的时程得到的谱） )(kiFS和和)(1 kiFS为幅值谱为幅值谱 0 .0 10 .111
12、011 01 0 01 0 0 0目 标谱拟 合 谱Response spectrum(gal)P e rio d (s )地震学方法地震学方法地震学方法的理论基础是弹性位错理论，弹性位错理论指出，地面上任意一点的位移可以通过震源时空函数和格林函数在断层面上的卷积得到，只要知道了震源的时空函数和格林函数，就可以得到地面上任意一点的运动。地震学方法的理论基础是弹性位错理论，弹性位错理论指出，地面上任意一点的位移可以通过震源时空函数和格林函数在断层面上的卷积得到，只要知道了震源的时空函数和格林函数，就可以得到地面上任意一点的运动。 地震预测地震预测地震预测地震预测地震预测的三要素：时间、空间、强度
13、成功的地震预报：在可接受的误差范围内同时给出发震时间发震时间发震时间发震时间、发震地点发震地点和地震强度地震强度地震强度地震强度的预 测。尽管全世界很多科学家进行了长期不懈的 努力，地震预测至今仍是科学难题。国内外重要的有关地震预测的国内外重要的有关地震预测的国内外重要的有关地震预测的国内外重要的有关地震预测的 研研研研 究究究究 计计计计 划划划划 973计划：“大陆强震机理与预测” 一期： 地点预测 二期： 时间预测 美国的南加州地震研究中的“主模式”研究计划 （NSF连续资助10年）; ParkfieldParkfield 地震实验场研究计划; 日本的地震预测研究计划; 。所有这些研究计
14、划都离“在可接受的误差范围 内同时给出发震发震时间时间、发震地点和地震地震强度强度的预 测”这样的目标相距甚远。在可预见的未来，至少在现阶段， 地震预测地震预测地震预测地震预测很难成为可依赖的防震减灾的 有效手段。地震危险性、危害性 分析与评估是防御与减轻地震灾害的重要手段是防御与减轻地震灾害的重要手段地震危险性评估 历史地震资料（烈度）历史地震资料（烈度） 地质构造（地震地质）地质构造（地震地质） 地震发生的概率、统计规律地震发生的概率、统计规律 潜在震源（活动断层）资料潜在震源（活动断层）资料 地震动加速度衰减规律（资料统计）地震动加速度衰减规律（资料统计） 表层介质的地质属性（第四纪？）
15、表层介质的地质属性（第四纪？） 地貌特征地貌特征 这种地震危险性评估方法及其资料在 工程建设、基础设施建设的抗震设防等防 震减灾等方面发挥了重要作用。 影响一地区地震危险性的多因素性； 传统方法传统方法传统方法传统方法综合多因素的方式: 单一因素影响结果 的 “非物理”叠加 实际物理过程： 多因素在物理规律的控制下，以物理的方式 “相干”叠加（多因素相互耦合、产生新新新新结果） 合理的综合多因素影响的方式： 求解控制该物理过程的基本方程。传统地震危险性评估方法 局限性的根源局限性的根源局限性的根源局限性的根源合理综合多因素影响的合理综合多因素影响的合理综合多因素影响的合理综合多因素影响的 新方法新方法新方法新方法（求解控制该物理过程的基本方程）可可 行行 性性地震的物理过程地震的物理过程地震的物理过程地震的物理过程 “成核成核- -自然扩展自然扩展- -停止停止”震源动力学过程震源动力学过程 弹性动力学方程 描述断层滑动的本构关系（震源的破裂准则） 断层面的几何形态、地表的自由面条件 地震断层在破裂传播过程中辐射地震波地震断层在破裂传播过程中辐射地震波 弹性动力学方程
