考虑地震动非平稳性和持时效应能量特征的选波方法研究

Reasonable selection of ground motion is the precondition for nonlinear time history analysis (NTHA) of building structures to obtain reliable evaluation results. The non-stationary and duration effect cannot be considered in the process of selecting ground motion according to the target spectrum. Based on the time-frequency energy characteristics of ground motion and the structural simplified model, the following four aspects are carried out: (1) study on the parameters of time-frequency energy characteristics affecting the maximum displacement and cumulative hysteretic energy of structure respectively which can reflect the non-stationary and duration effect of ground motion based on the time-frequency energy spectrum; (2) study on the statistical characteristics of parameters under different earthquake environments, and the method of selecting ground motions based on design spectrum and statistical value; (3) study on the ground motion selection with a reliable small sample based on the simplified structural model ; (4) study on the ground motion prediction equations and the correlation with other common index of time-frequency energy parameters, and the selection method considering the probability distribution of target spectrum and the time-frequency energy parameters. The results of this study can be used to solve the problem of a large variability in selecting ground motions for NTHA. In particular, the cumulative damage index is used to evaluate the structural performance. This study has great significance for the seismic design and probabilistic seismic demand analysis of building structures.

合理选择地震动输入是建筑结构弹塑性时程分析取得可靠评价结果的前提。针对依据目标谱选择地震动输入无法考虑地震动非平稳性和持时效应特征的问题，本项目拟采用时频分析方法，结合非线性结构简化模型开展以下研究：（1）基于地震动时频能量谱，研究建立影响结构最大位移反应和累积滞回耗能的时频能量特征参数，作为反映地震动非平稳性和持时效应的强度指标；（2）研究不同地震环境下特征参数的统计特征，以及依据特征参数统计值和设计谱选择地震动记录的实现方法；（3）基于结构简化模型，研究可靠的小样本容量地震动记录的选择方法；（4）研究时频能量特征参数的地震动预测方程及其与常用强度指标的相关性，以及考虑特征参数和目标谱值概率分布特征的选波方法。研究成果可解决弹塑性时程分析统计结果特别是采用累积损伤指标评价时具有较大变异性的问题，对可靠地进行建筑结构抗震设计和概率地震需求分析具有重要意义。

选择匹配加速度设计反应谱的地震动记录样本是目前结构弹塑性时程分析选波的主要方法，但加速度反应谱对地震动的非平稳性和持时特征无法全面描述，从而影响结构地震反应分析结果的不确定性。本项目结合时频分析方法提出了反映地震动非平稳性和持时特征的时频能量特征参数，并结合能量特征对选波方法开展了系统研究。完成的主要研究内容包括：1）基于小波包变换提出了有效能量参数概念，并研究了影响有效能量范围的因素；2）研究建立了改进的连续多自由度结构简化模型（NMFS模型），分析了高阶振型和结构变形特点等对有效能量范围的影响；对地震动有效能量时频范围进行了统计并定义了有效能量强度指标，并对强度指标应用于选波进行了评价；3）研究了基于并行遗传算法快速选择谱匹配小样本容量记录的方法；基于NMFS模型研究了地震动输入的离散性特征，为合理选择小样本容量记录提供了选波建议；4）从能量的角度研究了人工合成波生成过程中持时参数的合理取值；以隔震结构作为分析对象，研究了天然记录、时域调整谱匹配记录和人工合成记录的选用方法和适用性。研究结果表明：1）有效能量参数可反映地震动非平稳性和持时特征，并可用于选波过程中； 2）地震动有效能量时长随基本周期先增大后进入平台期，频域宽与结构基阶频率成对数关系；3）匹配目标谱选波得到的结构位移反应具有随机性，利用地震动有效能量强度指标评价选波结果更加合理；4）采用匹配目标谱合理范围的双周期段选择地震动记录，可以较好地控制结构反应的离散性，结构类型不同不会对结构反应离散性产生影响；5）相比于天然记录及时域调整记录，人工合成记录位移反应偏大，而加速度反应偏小。研究成果可解决目前建筑结构弹塑性时程分析过程中，地震动输入选择无法全面考虑地震动特征带来的评价结果具有较大变异性的问题，以及小样本的可靠性无法评价的问题。