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1、强震地面运动强震地面运动和结构地震响应的研究和结构地震响应的研究周锡元周锡元北京工业大学，中国建筑科学研究院北京工业大学，中国建筑科学研究院-2006，12，221提纲：提纲：随机地震动的统计特性随机地震动的统计特性设计谱和设计谱和GPSGPS技术在强震记录数据处理中技术在强震记录数据处理中的应用的应用; ;强震地面运动场的三维数值模拟强震地面运动场的三维数值模拟; ;功率谱模型的改进功率谱模型的改进; ;地震动非平稳特性的影响地震动非平稳特性的影响; ;结论与建议结论与建议. .21 随机地震动的统计特性随机地震动的统计特性地震动持续时间地震动持续时间地震动峰值特性地震动峰值特性包络线包络线
2、(强度非平稳性强度非平稳性)频率成分频率成分(含量含量)的非平稳性的非平稳性3设计谱与真实反应谱的差异设计谱与真实反应谱的差异关于地震动强度或设防烈度，自上世纪关于地震动强度或设防烈度，自上世纪70年代以来广泛采用地震危险性分析方法，年代以来广泛采用地震危险性分析方法，至于反应谱峰值的形状一直采用至于反应谱峰值的形状一直采用 Housner提出的平滑化设计谱。应该指出，提出的平滑化设计谱。应该指出，这种平滑化的设计谱与真实的反应谱之间这种平滑化的设计谱与真实的反应谱之间是存在一定的差异的。真实地震的反应谱是存在一定的差异的。真实地震的反应谱是随周期波动变化的，而且变化的幅度比是随周期波动变化的
3、，而且变化的幅度比较大。较大。 4设计地震应该是单纯的地震动特性还是综合了设计地震应该是单纯的地震动特性还是综合了结构和地震的特性结构和地震的特性?-这样的争论来源于对设计谱的理解这样的争论来源于对设计谱的理解Housner 对设计谱的解释对设计谱的解释:设计谱工实际用的平滑化反应谱设计谱工实际用的平滑化反应谱为什么可以用平滑化的谱取代实际的波动状反为什么可以用平滑化的谱取代实际的波动状反应谱应谱?结构的周期不能正确的确定结构的周期不能正确的确定对迭加在平滑化谱上的波动成分是未知的对迭加在平滑化谱上的波动成分是未知的考虑到结构的阻尼考虑到结构的阻尼,材料的强度和延性以及结材料的强度和延性以及结
4、构的非线性影响构的非线性影响51.1.设计谱和设计谱和GPSGPS技术在强震记录数技术在强震记录数 2.2. 据处理中的应用据处理中的应用1.1 关于设计谱关于设计谱 拟加速度谱拟加速度谱相对位移谱相对位移谱美国与中国的设计谱与抗震设计软件中的处理方法美国与中国的设计谱与抗震设计软件中的处理方法678欧洲抗震设计规范中的位移反应谱欧洲抗震设计规范中的位移反应谱TD =2s TE =6s TF =10s9随机地震动功率谱的基本特性随机地震动功率谱的基本特性在给定震级和距离的条件下平滑化功率谱在给定震级和距离的条件下平滑化功率谱也具有随机性，但是它们的离散性相对比也具有随机性，但是它们的离散性相对
5、比较小，迭加在其上的波动成分随机性更大，较小，迭加在其上的波动成分随机性更大，而且有一定的共性，所以可以说是高阶随而且有一定的共性，所以可以说是高阶随机或超随机特性。这两部分贡献可以分开机或超随机特性。这两部分贡献可以分开来加以统计。来加以统计。随机波动成分对方差或地震动强度是基本随机波动成分对方差或地震动强度是基本没有贡献的。没有贡献的。 10111213Typical autocorrelation function14Typical power spectrum density15161718地震动记录统计特征的随机特性地震动记录统计特征的随机特性1 1、自相关函数和互相关函数、自相关函
6、数和互相关函数对自相关函数用曲线对自相关函数用曲线 来拟合来拟合192021三方向地震动的谱特性三方向地震动的谱特性三向地震动的谱特性的差异三向地震动的谱特性的差异如何根据规范中的单向地震反应如何根据规范中的单向地震反应谱产生多向地震动时程谱产生多向地震动时程竖向地震反应谱的场地相关特性竖向地震反应谱的场地相关特性地震动场的模拟地震动场的模拟222 GPS2 GPS技术在强震记录数据处理中的应用技术在强震记录数据处理中的应用GPS技术的特点技术的特点强震观测中存在的问题强震观测中存在的问题GPS技术的应用技术的应用 1次次/s 的采样率的采样率20022002年美国级地震年美国级地震 2003
7、2003日本级地震日本级地震20032003年级地震年级地震 地面运动永久位移无法确定地面运动永久位移无法确定23经过低通滤波以后的经过低通滤波以后的GPS GPS 位移与采用不同频带滤波以后的加速度时程的比较位移与采用不同频带滤波以后的加速度时程的比较24从加速度和从加速度和GPSGPS信号中分析得到的阻尼比为的位移谱的比较信号中分析得到的阻尼比为的位移谱的比较 253.3.强震地面运动场的三维数值模拟强震地面运动场的三维数值模拟模拟方法：模拟方法：有限断层模型有限断层模型基本思想：基本思想：发震断裂发震断裂子断裂子断裂较小的地震较小的地震断层方位断层方位滑冲方向滑冲方向断层方位断层方位相应
8、于相应于基本参数基本参数26 怀来怀来- -延庆盆地波速结构测点（黑三角）布置和数值模拟范围延庆盆地波速结构测点（黑三角）布置和数值模拟范围27计算区域内的岩土分层情况计算区域内的岩土分层情况 282424个子震源在断层面上的分布个子震源在断层面上的分布 29观测点上的位移、速度和加速度时程观测点上的位移、速度和加速度时程 30动速度和位移沿测线的转播过程动速度和位移沿测线的转播过程 31 研究区域的地震动强度（烈度）分布研究区域的地震动强度（烈度）分布 324.4.地震动功率谱模型的改进地震动功率谱模型的改进 随机模型存在的问题随机模型存在的问题 对新模型的构想对新模型的构想-看作是看作是白
9、噪声白噪声过程分别经过过程分别经过高、低频滤波高、低频滤波以以后得到的平稳过程或两个高斯后得到的平稳过程或两个高斯MarkovMarkov过程过程的叠加的叠加或复合，因此也可以称为复合或复合，因此也可以称为复合MarkovMarkov模型。模型。33(a) 用高低频截断方式限制高低频成分（竖线部分为有限带宽白谱）用高低频截断方式限制高低频成分（竖线部分为有限带宽白谱） (b) (b) 用高低通滤波器限制高低频成分用高低通滤波器限制高低频成分34复合复合MarkovMarkov功率谱模型功率谱模型: : 35 MarkovMarkov功率谱模型与功率谱模型与Kanai-TajimiKanai-T
10、ajimi模型的对比模型的对比 36包络函数的几种形式包络函数的几种形式 ：平稳化过程：平稳化过程：是一个确定性的时间函数与一个平稳随是一个确定性的时间函数与一个平稳随机过程的乘积，即：机过程的乘积，即：5.5.地震动非平稳特性的影响地震动非平稳特性的影响37 四种模型模拟的四种模型模拟的El_CentroEl_Centro波包线波包线 38四种模型模拟的集集地震的包线四种模型模拟的集集地震的包线 395 5 考虑地震动非平稳特性的考虑地震动非平稳特性的CCQCCCQC（t t）法：）法：40CSRSSCSRSS（t t）法：）法：CQCCQC（t t）法：）法：SRSSSRSS（t t）法：
11、）法：4142发展基于随机过程理论的抗震设计方法发展基于随机过程理论的抗震设计方法（1）分析加速度时程对结构的破坏作用，研究）分析加速度时程对结构的破坏作用，研究加速度时程作为随机过程的统计特征和参数，其加速度时程作为随机过程的统计特征和参数，其中包括幅值和频率特性非平稳性的表达方式等；中包括幅值和频率特性非平稳性的表达方式等；（2）探索对加速度时程进行危险性分析的方法；）探索对加速度时程进行危险性分析的方法；（3）研究结构在随机地震地面运动作用下的动）研究结构在随机地震地面运动作用下的动力反应分析方法；力反应分析方法；（4）在统一的概率定义下对结构进行可靠度分）在统一的概率定义下对结构进行可
12、靠度分析，获得真正意义上的结构可靠度水准。析，获得真正意义上的结构可靠度水准。 43这样的这样的加速度时程加速度时程不是一个确定性的时间函不是一个确定性的时间函数，但是可以定义为一个数，但是可以定义为一个随机函数随机函数，其统计，其统计特性可以看作是确定性变量并由这些统计参特性可以看作是确定性变量并由这些统计参数来产生样本随机过程，也可以直接用一组数来产生样本随机过程，也可以直接用一组样本随机过程样本随机过程来表示。这样得到的具有一定来表示。这样得到的具有一定概率水准的加速度时程可以作为重大工程的概率水准的加速度时程可以作为重大工程的的设计地震或输入地面运动，并据此对结构的设计地震或输入地面运
13、动，并据此对结构地震反应进行可靠性分析。地震反应进行可靠性分析。 446.6.结论与建议结论与建议1 1、今后需要研究相对位移反应谱在长周期段的、今后需要研究相对位移反应谱在长周期段的特征，进一步拓宽设计反应谱的适用范围；特征，进一步拓宽设计反应谱的适用范围；2 2、在地面和结构上布置高采样率的、在地面和结构上布置高采样率的GPSGPS接收器，接收器，研究相应的数据处理方法和软件，综合利用观研究相应的数据处理方法和软件，综合利用观测数据，分析记录位移随时间的动态和静态变测数据，分析记录位移随时间的动态和静态变化规律；化规律；3 3、地震动的非平稳性及其对结构反应的影响，、地震动的非平稳性及其对
14、结构反应的影响，还有待进一步研究；还有待进一步研究；454 4、有限差分和其他离散化方法可以有效地应用有限差分和其他离散化方法可以有效地应用于地震动场的数值模拟，目前的研究工作已经在于地震动场的数值模拟，目前的研究工作已经在这方面奠定了良好的基础，今后还需要发展标准这方面奠定了良好的基础，今后还需要发展标准化的数值分析技术和计算机软件，为在城市和区化的数值分析技术和计算机软件，为在城市和区域基础设施建设和重大工程中的实际应用创造条域基础设施建设和重大工程中的实际应用创造条件件 ；5 5、地震作用是具有高度随机特性的可变和偶然地震作用是具有高度随机特性的可变和偶然荷载，发展基于随机振动理论的抗震设计方法是荷载，发展基于随机振动理论的抗震设计方法是值得重视的研究领域，为此有必要建立相应的地值得重视的研究领域，为此有必要建立相应的地震危险性分析方法，完善以功率谱和反应谱为基震危险性分析方法，完善以功率谱和反应谱为基础的抗震设防标准。础的抗震设防标准。46汇 报 结 束谢谢大家47
