地震动统一时频谱特性及其在人工合成中的应用 characteristics on unified time-frequency spectrum and application in ground motion simulation.pdfVIP

第29卷第2期 振 动 工 程 学 报 V01．29No．2 2016年4月 JournalofVibration Apr．2016 Engineering 地震动统一时频谱特性及其在人工合成中的应用 何浩祥1’2，闫维明1’2，韩恩圳1 (1．北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京100124； 2．首都世界城市顺畅交通北京市协同创新中心，北京100124) 摘要：传统地震动时域或频域理论模型不能充分反映地震动时频域的非平稳性。利用现代信号分析方法可以获得 非平稳时变功率谱及演变谱，但缺乏精度评价标准。在理论和计算分析的基础上，确认小波包分解方法是建立时 变功率谱的有效工具，并依据时频边缘条件提出时频谱分析精度评价标准。在地震动时频特征统计分析的基础 上，认为地震动时频谱由多峰平滑谱和非平稳噪声谱两部分构成。分别建立由多峰平滑功率谱和非高斯频域噪声 谱构成的地震动频域谱模型以及由多峰平滑时域能量谱模型和非高斯时域噪声谱模型构成的地震动时域谱模型。 由此形成的时频谱模型在时频特性表征、函数表达、精度及多维分析等方面均有较强的统一性。依据统一时频谱 进行调整或人工合成的地震动具有良好的精度和强非平稳性。 关键词：地震动；功率谱；强度包络；时频分析；人工地震动合成 中图分类号：P315．9；0324文献标志码：A 文章编号：1004—4523(2016)02一0314—10 DOI：10．16385／j．cnki．issn．1004—4523．2016．02．017 强度包络函数对时域非平稳性的细节尤其是地震幅 引 言 值多峰性表现不足，有待改进。在频域非平稳的研 究方面，传统上采用Fourier谱和功率谱描述地震 地震动是复杂的时间一空间随机变化过程。受 动的频谱特性，两者都直接反映了地震动过程中不 震源机制、震级、震中距、场地类别及局部场地条件 同频率的分布或其能量比例，物理意义明确且应用 等因素影响，在同一次地震过程中，不同地区的地震 广泛[5]。传统的地震动功率谱工程学模型是以 动时频特性有所差异，且同一地震动在时域和频域 也均表现出强非平稳性Ll{]。对地震在时频两域的调整以抑制低频或高频，在该方面国内外学者进行 非平稳性进行深入研究能够充分了解地震动的传播 了广泛而深入的研究[3]。基于上述时频非平稳性的 和演变机制以及随机性。此外，地震动是结构抗震 研究成果众多[3。4]，从宏观上较准确地反映了包括幅 设计与动力分析的基础，其非平稳性对结构线性和 值、持时和频谱的地震动三要素的特征，但仍不能深 非线性地震响应均有显著影响。因此，全面、准确、 入细致地刻画地震动的时频非平稳性及时频关联 定量地描述地震动时频非平稳性并建立可靠的理论 特征。 模型具有重要的理论与工程意义。 近年来，随着地震动记录的丰富和完善以及现 长期以来，研究者比较重视地震动在时域上的 代信号分析技术的发展，诸如短时技术、Cohen类时 非平稳性，通常将真实地震动等效为一个平稳过程 频分析、小波分析及经验模态分解(EMD)等方法被 或均匀调制过程乘以一个随时间渐变的确定性包络 不断应用到地震动时频分析中，并取得了良好的效 函数[2-4]。常用的强度包络函数主要包括单峰型光果[6-9]。然而，地震动的复杂性和信号分析技术的局 滑曲线和多段式连续曲线两种，具体形式较丰 限性导致目前的地震动时频分析