近断层地震动时程和建筑结构地震响应多步预测

摘要

近年来，近断层地震动独特的运动特征和严重破坏作用受到地震工程领域学者的广泛关注。为进行近断层区工程结构的主动和半主动减震控制，实现强震地面运动时程的短期预测，以及准确预测建筑结构地震动力响应是亟待解决的重点难题。借鉴新兴的非线性时间序列预测方法，可对地震动时程及结构地震响应进行多步预测，进而对建筑结构进行实时控制以减小地震响应，并降低地震灾害损失。本文结合经验模态分解(EMD)和极限学习机(ELM)，建立了一种EMD-ELM多步预测新方法，分别对近断层地震动时程、单自由度系统地震响应和弹塑性高层框架建筑的动力响应进行了多步预测。具体内容如下:
　　首先针对地震动时程及其作用下结构地震响应时程的高度非线性、非平稳的特点，利用经验模态分解将非平稳信号分解成几个复杂度与不规则程度较低的固有模态函数序列。并引入机器学习中具有强大学习能力和非线性逼近能力的极限学习机，对各固有模态函数序列进行多步预测，叠加预测结果后得到原时间序列的预测值，从而提出了一种适用于地震动时程和结构地震响应的EMD-ELM多步预测新方法。通过典型时间序列信号验证表明，本文提出的多步预测方法适用于非平稳时间序列的预测。
　　其次，比较了使用经验模态分解(EMD)和不使用EMD两种情况下的多步预测方法的预测效果，比较分析表明联合使用EMD的EMD-ELM方法预测效果要好于仅使用ELM的预测效果。然后应用EMD-ELM多步预测新方法对近断层地震动加速度时程进行预测。结果表明，一步预测和五步预测得到了成功预测，十步预测也具有较高的精度，并且该方法具有很好的鲁棒性。
　　最后，对近断层地震动作用下单自由度系统和弹塑性高层框架建筑地震动力响应进行了多步预测。在不同周期下单自由度系统的弹塑性位移、速度、加速度响应的多步预测展示了良好的预测效果。另外，对弹塑性高层框架建筑地震动作用下位移和加速度响应进行预测，结果表明，EMD-ELM预测方法能够有效地对强震作用下建筑结构动力响应的单步和多步预测。实现建筑结构地震响应的短期预测可为主动控制系统预先提供较为准确的动力响应时程，从而有利于实现工程结构的在线实时减震控制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 非线性时间序列预测方法研究与进展

1．2．1 非线性时间序列预测方法

1．2．2 神经网络预测方法

1．2．3 多步预测策略

1．3 近断层地震动和结构地震响应预测研究进展

1．3．1 近断层地震动的研究现状

1．3．2 近断层地震动与结构动力响应时程预测

1．4 论文主要工作

2 EMD-ELM多步预测新方法

2．1 地震动时程的经验模态分解和极限学习机方法

2．1．1 经验模态分解

2．1．2 极限学习机

2．1．3 EMD-ELM预测方法

2．2 黎曼zeta函数零点序列的混沌特性分析及预测

2．2．1 黎曼zeta函数简介

2．2．2 零点间隔序列混沌特性分析

2．2．3 零点间隔序列多步预测

2．3 本章小结

3 近断层地震动和单自由度系统响应时程多步预测

3．1 基于ELM预测方法和基于EMD-ELM预测方法比较

3．2 集集地震动加速度时程的多步预测

3．2．1 典型地震动记录多步预测

3．2．2 典型地震动记录多步预测误差

3．3 单自由度系统地震响应的多步预测

3．3．1 双线性单自由度系统的地震响应

3．3．2 不同周期的单自由度系统弹塑性响应多步预测

3．3．3 单自由度系统地震响应多步预测误差

3．4 本章小结

4 近断层地震动作用下弹塑性高层框架建筑响应多步预测

4．1 引言

4．2 工程结构模型建立及地震响应分析

4．2．1 结构模型参数

4．2．2 Bouc-Wen滞回模型

4．3 近断层地震动作用下弹塑性高层框架建筑地震位移响应预测

4．4 近断层地震动作用下弹塑性高层框架建筑地震加速度响应预测

4．4 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢