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1、强震地面运动和结构地震响应的研究,周锡元,北京工业大学，中国建筑科学研究院,-,-2006，12，22,提纲：,随机地震动的统计特性设计谱和GPS技术在强震记录数据处理中的应用;强震地面运动场的三维数值模拟;功率谱模型的改进;地震动非平稳特性的影响;结论与建议.,1 随机地震动的统计特性,地震动持续时间地震动峰值特性包络线(强度非平稳性)频率成分(含量)的非平稳性,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70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 Housner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是存在一定的差异的。真
2、实地震的反应谱是随周期波动变化的，而且变化的幅度比较大。,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?-这样的争论来源于对设计谱的理解,Housner 对设计谱的解释: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应谱?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考虑到结构的阻尼,材料的强度和延性以及结构的非线性影响,设计谱和GPS技术在强震记录数 据处理中的应用,1.1 关于设计谱,拟加速度谱,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,欧洲抗震设计规范中的位移反应谱,TD=2s TE=6s TF=10s,随机地震动功率谱的基
3、本特性,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机或超随机特性。这两部分贡献可以分开来加以统计。随机波动成分对方差或地震动强度是基本没有贡献的。,Typical autocorrelation function,Typical power spectrum density,地震动记录统计特征的随机特性,1、自相关函数和互相关函数,对自相关函数用曲线 来拟合,三方向地震动的谱特性,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谱产生多向地震动时程竖向地震反应谱的场地相关特性地震动场的模
4、拟,2 GPS技术在强震记录数据处理中的应用,GPS技术的特点,强震观测中存在的问题,GPS技术的应用 1次/s 的采样率,2002年美国Denali7.9级地震 2003日本Tokachi-Oki8.0级地震2003年San Simeon 6.5级地震,地面运动永久位移无法确定,经过低通滤波以后的GPS 位移与采用不同频带滤波以后的加速度时程的比较,从加速度和GPS信号中分析得到的阻尼比为0.05的位移谱的比较,3.强震地面运动场的三维数值模拟,模拟方法：有限断层模型,基本思想：,怀来-延庆盆地波速结构测点（黑三角）布置和数值模拟范围,计算区域内的岩土分层情况,24个子震源在断层面上的分布,
5、观测点上的位移、速度和加速度时程,动速度和位移沿测线的转播过程,研究区域的地震动强度（烈度）分布,4.地震动功率谱模型的改进,随机模型存在的问题,对新模型的构想,-看作是白噪声过程分别经过高、低频滤波以后得到的平稳过程或两个高斯Markov过程的叠加或复合，因此也可以称为复合Markov模型。,(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）,(b)用高低通滤波器限制高低频成分,复合Markov功率谱模型:,Markov功率谱模型与Kanai-Tajimi模型的对比,包络函数的几种形式：,平稳化过程：是一个确定性的时间函数与一个平稳随机过程的乘积，即：,5.地震动非平稳特性的影响
6、,四种模型模拟的El_Centro波包线,四种模型模拟的集集地震的包线,5 考虑地震动非平稳特性的CCQC（t）法：,CSRSS（t）法：,CQC（t）法：,SRSS（t）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；（2）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析，获得真正意义上的结构可靠度水准。,这样的加速度时程不是一个确定性的时间函数，但是可以定义为一个随机函数，其统计特
7、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，也可以直接用一组样本随机过程来表示。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的设计地震或输入地面运动，并据此对结构地震反应进行可靠性分析。,6.结论与建议,1、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；,2、在地面和结构上布置高采样率的GPS接收器，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化规律；,3、地震动的非平稳性及其对结构反应的影响，还有待进一步研究；,4、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，为在城市和区域基础设施建设和重大工程中的实际应用创造条件；,5、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础的抗震设防标准。,汇 报 结 束,谢谢大家,
