模拟多目标工程特性的地震动合成方法及其应用

中国地震灾害防御中心模拟多目标工程特性的地震动合成方法及其应用荣获中国地震局2014年度防震减灾科技成果奖二等奖

1.主要技术内容

基于随机过程理论和基本结构动力学原理，本项目提出了模拟多目标工程特性的地震动合成方法；以此为基础，研究了地震动不同特性对工程结构地震反应的影响规律。主要内容如下。

（1）地震动参数拟合方法

基于理想单自由度体系的频响函数，利用Fourier变换构造了满足一定条件的窄带波包函数，以此为基础，本项目首先提出了基于窄带波包的地震动参数拟合方法。该方法能够实现对多目标地震动参数较高精度的拟合，但是其较难实现对“种子”天然地震动非平稳特性的模拟。为此，本项目进一步构造了具有时域紧支性的小波函数，并最终提出了基于小波函数的地震动参数拟合方法。该方法通过处理给定的“种子”地震动，最终所得地震动样本不仅能够以较高的精度同时拟合多种目标地震动参数（包括多阻尼反应谱、峰值速度和峰值位移）并且包络目标功率谱，而且具有给定“种子”地震动的非平稳特性。

（2）非平稳地震动模拟方法

本项目建立了地震动瞬时相位的随机过程模型，以此为基础，提出了基于Hilbert变换的非平稳地震动模拟方法。针对给定的“种子”天然地震动，该方法能够生成一系列地震动样本；基于非平稳信号的时频分析原理和理想单自由度体系的弹塑性地震反应，验证了这些地震动样本不仅具有“种子”地震动的非平稳特性，而且能够较好地模拟“种子”地震动对结构的影响效应。

综合上述地震动参数拟合方法和非平稳地震动模拟方法，本项目实现了对多目标地震动工程特性的模拟：针对给定的“种子”天然地震动和目标地震动参数，能够合成一系列地震动样本，它们的反应谱、峰值速度和峰值位移按照一定精度拟合目标值，它们的功率谱实现对目标值的包络，并且它们的非平稳特性与“种子”地震动相一致。

（3）地震动工程特性研究

利用上述地震动合成方法，生成了加速度反应谱相同、但其他特性具有显著差异的不同的输入地震动样本集合；通过对结构地震反应的数值模拟，基于蒙特卡洛方法，研究了在加速度反应谱一致的条件下，地震动峰值速度和峰值位移、非平稳特性（包括近断层速度脉冲特性）对结构弹塑性地震反应的影响规律。

2.授权专利情况

本项目获国家发明专利1项。发明名称：获得地震动样本的方法和装置；专利号：ZL 2012 1 0210292.2。

3.技术经济指标

本项目提出的地震动合成方法的主要技术指标包括：（1）地震动样本的反应谱、峰值速度和峰值位移对目标值的拟合精度；（2）实现预定拟合精度所需的迭代运算的次数；（3）地震动样本的功率谱对目标功率谱的包络；（4）以Hilbert谱和Morlet小波谱作为对地震动样本非平稳特性的量化指标，评估对天然地震动非平稳特性的模拟效果。

4.应用推广情况

本项目的相关研究成果在核电厂、大型储液罐、大跨度桥梁和超高层建筑等重大工程的场地地震安全性评价工作和抗震设计工作中得到了广泛的应用。 2100433B

内容简介

合理的设计地震动是保证设计结果正确的必要条件，工程抗震设计中设计地震动的确定问题已经成为工程界的一大技术难题。《工程结构的设计地震动》主要从地震动工程特性、设计地震动模型化以及设计地震动的确定等方面对工程结构的地震动输入问题进行系统、全面的研究，涉及地震动工程特性的定量描述与估计方法、工程地震动的随机模型、地震动仿真技术、设计地震动参数的确定、地震动数据库开发等内容。2100433B