加载中…
正文 字体大小:

如何对地震加速度记录进行改造?

(2013-06-30 02:24:44)

与设计反应谱不同,强震加速度记录的反应谱曲线并非平滑曲线。即使加以简单缩放处理,由于真实地震记录反应谱曲线有峰和谷出现,与设计目标反应谱的相符程度难以令人满意。结构工程师和工程地震学家很早就在核电站结构的抗震设计中采用经过改造、与设计目标反应谱相符的地震加速度记录进行结构的地震响应分析。早期的改造方法是在频域中改造,用傅立叶级数和快速傅立叶变换的方法,在频域内调整真实地震加速度记录的傅立叶振幅谱,但保持相位谱不变,通过多次迭代使得经改造的地震加速度记录的反应谱收敛于设计目标反应谱。此方法与产生人工模拟地震加速度记录的方法大致相同。只不过后者是完全人工的、不需从一个“种子(seed
motion)”真实地震加速度记录开始,通过反应谱与功率谱密度函数(Power Spectral Density Function)之间的近似解析解关系可得到初始功率谱密度函数,然后通过功率谱密度函数与傅立叶振幅谱的关系建立初始傅立叶振幅谱,相位谱用随机数产生器子程序生成。

频域方法有一大缺陷,即用傅立叶级数合成的加速度时程对原真实地震加速度时程(seed motion)全程进行了改造,把原来的真实地震记录的非平稳特性改造得面目全非、不像地震加速度时程了。

时域方法出现得较晚,直到上世纪70年代末和80年代才有研究论文出现。与频域方法基于傅立叶级数与傅立叶变换不同,时域方法以小波理论为基础(Wavelet  Theory)。小波理论与傅立叶变换的主要区别在于小波在時域和頻域都是局部的, 而傅立叶变换只是在频域上是局部的但在时域上是全局性的。后者的这一特性可以从傅立叶级数合成时程曲线的数学表达式看得很清楚。小波只是在一个选定的时间窗口有定义,在此时间窗口外为零。用小波理论对地震动加速度时程进行改造时,只是在某些选定的时间窗口对原加速度时程波进行改造,添加上合适的小波。经过这种时域方法改造后的地震动加速度时程,既能与设计目标反应谱相符,又能保持原地震加速度、速度和位移记录在时域上的特性,改造前后的三对时程波看起来还是很像。

在应用小波理论时域方法对强震加速度记录进行改造并用于实际工程项目方面,当代著名工程地震学家Norman
Abrahamson作出了重大贡献。他于1992年开发了著名计算软件RspMatch,在地震工程界得到广泛应用。此软件后来经过改进流传最广的版本是2005年版RspMatch2005. 我之前在Arup高技术与研究部工作时,地震工程团队用的就是RspMatch2005,见我之前的同事和朋友Damian Grant发表在2008年北京第14界世界地震工程会议论文集的文章《Seed Record Selection for Spectral Matching with RspMatch2005》(我在本系列的第一个长微博中已经提到过此文并把它贴在我的个人主页里,有兴趣的朋友可下载研读)。

最近几年Norman Abrahamson又对RspMatch2005做了改进并开发了新版RspMatch09。他把这方面最近20年的工作总结在Earthquake Spectra期刊2010年第26卷第3期上发表的一篇文章中《An Improved Method for Nonstationary Spectral Matching》。我把此文贴在我的个人主页里,供有兴趣的朋友研读,连接在此http://www.xiaonianduan.com/资料下载_Downloads.php.

RspMatch软件的早期版本,包括RspMatch2005,地震工程界只是流传其Windows平台上的可执行文件,大家只能黑箱抄作。不久前,Norman Abrahamson将RspMatch09的Fortran源程序也一并公开,并挂在美国George E. Brown, Jr.Network for Earthquake Engineering Simulation (NEES)的网站上供公众下载使用。整个RspMatch09软件包包括以下内容:

1.    Norman Abrahamson文章《An Improved Method for Nonstationary Spectral Matching》的PDF文本

2.    RspMatch09用户手册PDF文本(RSPMatch09_Manual.pdf)

3.    RspMatch09在Windows平台上的可执行文件(rspm09.exe)

4.    算例输入文件样本

5.    算例输出文件样本

6.    Fortran源程序

我在下面给出RspMatch09软件包下载网址:

http://nees.org/resources/rpsmatch09/supportingdocs

希望大家喜欢此软件并把它用到工作、学习和研究中去。大家在使用中有何心得体会,不妨写出来与朋友们交流,共同学习提高。哪位编程高手,不妨为大家写一个Windows图形用户界面(GUI)。

作为本系列的结束,我最后与大家讨论一下经过改造的真实地震动加速度记录在中国建筑抗震设计中的应用这一议题(此议题在国外不是议题,见我本系列上一个长微博)。

中国的抗规与高规均提出使用人工地震记录的要求。用三组地震记录时须有一组是人工地震记录。用七组地震记录时须有两组人工地震记录。经过改造的真实地震动加速度记录至少可以充当人工地震加速度记录用来做结构地震响应时程分析。是否可以作为抗规与高规中要求的真实地震记录来用,这取决于项目所在地超限高层建筑抗震设防专项审查专家组的意见,抗规与高规中均无明确规定性意见。根据我在上海虹桥商务区核心区一期04号地块万通中心与新地中心项目通过上海抗震超限审查的经验,上海的专家组认可将经过改造的真实地震记录作为天然地震波用于结构地震响应时程分析。上海《超限高层建筑工程抗震设计指南》里面列出的4条人工地震波SHW1,SHW2,SHW3和SHW4中的后面两条波SHW3和SHW4是天然地震波经过改造与上海设计反应谱相符所得,我当时是作为人工波用。上海专家组组长明确告诉我该两条地震波由天然波改造而来,可作为天然波用而不必只是充当人工波来用。



0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 电话:4006900000 提示音后按1键(按当地市话标准计费) 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有