地震动非平稳特性近似定量控制及工程应用研究
地震动非平稳特性对结构/土层地震响应均有显著的影响。由于已有的研究未能实现对地震动非平稳特性的近似定量控制，因此无法定量考察地震动特性参数对结构/土层响应的影响，从而限制了地震动特性研究成果在工程实践中的广泛应用。为了能够在工程实践中结合场地条件、结构特点等确定合理的地震动非平稳参数，本文首先构建了适合于工程应用的随机地震动模型描述地震动非平稳特性；然后，基于随机地震动模型构建了能够匹配多目标的地震动拟合方法，实现对地震动特性的近似定量控制。论文在完成了上述研究内容的基础之上，对其工程应用进行了研究，其一，通过近似定量控制基岩地震动特性，讨论地震动非平稳特性对场地地震反应的影响；其二，通过改进实验设计（design of experiments,DOE）方法，建立了地震动非平稳特性参数与不同特性单自由度结构响应参数之间的近似定量关系替代模型（surrogate model），并基于该模型获得了结构最大响应的地震动输入参数取值组合。这些研究将为工程实践中基于结构特性合理设置地震动特性参数和取值、人工合成或挑选地震加速度时程提供可靠的理论依据，为结构抗震设计提供更加合理的地震动输入。 本文的研究成果主要包括以下几个方面： （1）构建了基于能量一致等效强度包线函数的随机地震动模型。该模型能够采用强度包线和主频率模型将地震动强度和频率非平稳特性分开描述，且物理意义明确、参数简洁，适合工程应用。论文完成了对模型参数的统计分析，给出了非平稳参数的取值范围和参数间的相关关系，结果表明：三个强度非平稳参数之间和两个频率非平稳参数之间相关性较强，强度非平稳参数与频率非平稳参数之间相关性较弱。 （2）基于本文提出的表征地震动非平稳特性的时-频包线函数，建立了能够匹配多目标的人工地震动模拟方法。该方法通过在时域叠加脉冲响应函数，逐周期控制点调整反应谱，能够满足对多个目标的控制，包括峰值加速度，加速度反应谱，峰值位移，以及强度和频率非平稳特性等。该方法能够实现对地震动非平稳特性的近似定量控制。 （3）通过近似定量控制基岩地震动特性，分析了基岩地震动输入对土层地震反应的影响，结果表明： ①当基岩地震动主频率变化显著时，不考虑频率非平稳存在低估地表地震反应的风险。 ②地震动频率时变特征对土层地表反应谱高频部分的影响与地震动高频成分集中的时间及土层性质相关；当基岩地震动高频成分集中在强震段时，采用仅考虑强度非平稳的拟合方法可在较硬场地得到相对保守的结果。 ③地震动频率随时间的变化对反应谱放大系数的影响与场地类型和反应谱周期有关。当基岩峰值较大时，对较硬场地5Hz左右的频率成分影响更大，但对三、四类场地条件，则对1Hz左右的土层反应影响更大。 ④在拟合基岩地震动时，特别是输入地震动的峰值较大时，应结合结构自振周期、场地条件、工程需要等因素，考虑基岩地震动输入的频率随时间的变化特征，采用全非平稳方法进行人工地震动模拟。 （4）将DOE方法引入地震动非平稳特性的研究，建立了地震动非平稳特性参数与不同特性单自由度结构响应参数之间的近似定量关系替代模型，主要内容包括： ①对表征地震动非平稳特性的参数进行了统计分析和适合的分组，采用均匀设计方法，完成了参数的实验设计。本文采用的分组均匀设计不仅使组内参数间互不相关，充分体现了设计空间的均匀分散性，而且使参数组合最大程度充满了真实地震动特性的参数空间，避免了模拟实验参数组合与真实记录不符合的情况。 ②基于结构特性，选择了结构响应强度参数中两类离散性较小并对非平稳特性参数相关性较强的参数，作为模型响应强度指标，即结构响应峰值强度参数IJ和均方根强度Irms。每类指标均有加速度、速度和位移三种。应用中应根据每种指标与非平稳特性参数的敏感性具体选择。 ③引入替代模型分析方法，建立了人工地震动强度和频率非平稳特性参数与不同自振周期结构弹性（弹塑性）响应之间的近似定量关系替代模型。该模型可以近似地反映不同非平稳特性参数对不同特征结构响应的影响。通过该模型，可以基于结构特性选择合理的地震动非平稳特性参数，方便工程应用。 ④从本文建立的替代模型可以发现，非平稳参数的线性效应对结构响应起主要影响，而非平稳参数的平方项和参数间的交互作用是否显著与结构特性和响应强度参数选择有关。 ⑤采用均匀设计实验方法，使用本文的地震动时-频包线模型，建立非平稳特性参数和结构响应参数替代模型时，每组参数模拟一条地震动和模拟7条互不相关地震动可以得到几乎相同的替代模型，进一步减少了模拟实验的次数。若对复杂结构进行分析，可大幅节约实验成本。 ⑥基于非平稳特性参数与结构响应参数近似定量关系的替代模型，可获得对应于最大结构响应的非平稳参数取值组合来考虑地震动对结构的不利影响。对于不同特性的结构，地震动非平稳特性对结构响应的影响趋势不同；且调幅真实地震动和人工合成地震动非平稳特性对结构响应的影响也有差异。因此，在工程实践中，应根据场地条件、结构特性及地震动类型（合成人工地震动或挑选真实记录）挑选合理的地震动非平稳参数。
结构抗震;地震动;非平稳特性;近似定量控制;土层反应
中国地震局地球物理研宄所
博士
固体地球物理学
李小军;俞瑞芳
2021
中文
TU311.3
2023-04-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）