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Conditional Mean Spectrum与epsilon参数

(2013-05-20 06:23:30)

近几年随着PEER NGA West,NGA West 2, NGA East和Global Ground Motion Prediction Equations Program 等几个研究项目的展开,为结构地震响应分析选取合适的地震记录成了一个热门研究课题。一个年轻的后起之秀在此领域作出了重要贡献,提出了两个新的重要概念。此人是斯坦福大学土木工程系助理教授Jack Baker博士。我虽然没见过他但研读过他的多篇研究论文,钦佩他是一位很有才华的年轻学者。他在斯坦福领导一个研究小组,叫Baker Research Group,搞了一个专门网站http://www.stanford.edu/~bakerjw/index.htm,把他们研究小组的研究论文都贴在那。他们把自己开发的MatLab选取地震记录的软件和他们研发的其它软件工具也一起贴在网站上给大家用。建议有兴趣的朋友去他的研究网站看看。

Jack Baker与他的导师,发明不确定性地震危险性分析方法的已故斯坦福大学Cornell教授,一起提出了两个新的重要概念:一个是Conditional Mean Spectrum, 另一个是epsilon参数。从2005左右年他俩提出epsilon参数和Conditional Mean Spectrum概念之后几年之内,这两个概念已经在工程地震和地震工程界广为应用。

最近几十年以来工程界都广泛采用Uniform Hazard Response Spectrum(UHRS)作为设计地震反应谱与选取地震记录的目标反应谱。但是UHRS是考虑了场地周围所有震源对场地的地震危险性的贡献后的包络,并非单独一个地震记录的反应谱。UHRS的长周期段基本来源于远距离大震级地震,短周期段基本来源于近距离小震级地震。因此一个地震记录难以在其反应谱的两头都达到UHRS的反应谱值。此议题在工程界众所周知,我之前在A记高技术与研究部工作时也常为此议题纠结。Jack Baker在一次演讲中也用一个实例说明用IDA计算结构倒塌易损性(Fragility)曲线时,采用以UHRS为目标谱选取的地震记录计算所得结构倒塌概率明显高于以CMS为目标谱选取的地震记录计算所得倒塌概率http://www.stanford.edu/~bakerjw/video.html。但之前工程界一直没有一个好的解决办法。几年前Jack Baker提出了Conditional Mean Spectrum的概念,计算CMS的方法和软件工具(论文链接http://www.stanford.edu/~bakerjw/Publications/Baker_(2011)_CMS_Overview,_JSE.pdf,软件可在此下载http://www.stanford.edu/~bakerjw/research/epsilon.html),从概念、方法和计算工具诸方面解决了此议题。此贡献是值得工程界称道的。

Epsilon是描述实际地震记录反应谱形状的一个参数。之前选取地震记录时,常常根据场地地震危险性分析结果的分解(deaggregation)计算结果来考察对工程场地地震危险性贡献最显著的震级(M)和震中距(R)并以此(M,R)组合为指导来选合适的地震记录。Jack Baker的研究结果表明epsilon参数能更好地描述地震记录反应谱的形状,因而能更好地预计结构的地震响应。他在他的研究小组的网站上专门贴出了一个epsilon网页,对epsilon参数给出了数学定义和图形描述,并用图形描述了epsilon参数对结构层间位移角计算结果的影响,见http://www.stanford.edu/~bakerjw/epsilon.html

2006年Jack Baker与Cornell在Earthquake Engineering and Structural Dynamics期刊上发表了一篇很有影响的论文 - Spectral shape, epsilon and record selection(下载PDF链接http://www.stanford.edu/~bakerjw/Publications/Baker Cornell (2006) EESD record selection.pdf),文中对多种选波方法进行比较后,发现同时考虑CMS和epsion参数的选波方法CMS-epsilon方法导致结构地震响应的离散性最小,得出以下结论:The
records selected based on CMS-epsilon produced smaller dispersions in
structural response than records obtained with the other procedures, because
records with smooth response spectra were preferentially selected. This reduces
the number of records needed to obtain mean response estimates with a given confidence
level.



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