近断层人工地震波与规范反应谱匹配的调整方法

摘要

本发明提供的近断层人工地震波与规范反应谱匹配的调整方法，通过将计算反应谱展开分解成若干层后，通过优化算法对需要调整的系数进行调整和重构小波，快速有效地实现与规范反应谱之间的匹配，使计算反应谱与规范反应谱的匹配程度更高，通过缩放Volterra级数能够提高匹配的精度和计算效率，有利于对工程结构进行抗震分析，提高抗震设计和结构动力分析的精确性和有效性，优化桥梁设计能力，提高桥梁安全系数，延长使用寿命，减轻震后破坏程度，降低震后维养成本，大幅降低匹配难度，从而能够达到对工程建筑结构、桥梁结构的抗震设计要求提供指导的技术效果，优化工程结构尤其是桥梁结构设计，提高设计效率。

说明书

技术领域

本发明涉及人工地震波合成技术领域，特别涉及一种近断层人工地震波与规范反应谱匹配的调整方法。

背景技术

近断层地震动是地面运动中最为复杂的一种，其具有显著的竖向加速度分量，水平分量具有很强的断层破裂方向性效应，加速度、速度和位移峰值差别较大，竖向峰值加速度与水平峰值加速度之比远大于远场地震动的比值，其速度时程表现为大幅值、长周期、短持时的强脉冲形式，会对工程结构的产生较大的破坏，因此，在对结构进行抗震分析时，考虑近断层效应十分必要。

现有技术中，由于实际的近断层地震记录数量有限，尤其是竖向地震波的记录更少，需要采用人工合成地震波进行工程结构设计抗震模拟分析，根据远场地震动的功率谱与规范反应谱的对应关系，模拟生成的远场水平地震波很容易就能与规范反应谱实现匹配，竖向地震波再根据与水平加速度与竖向加速度之间的比值进行简化计算，也能够很容易的实现匹配，但具有近断层特性的地震波就难以与规范反应谱很好的匹配，并且匹配过程十分复杂繁琐，效率低下，同时在近断层地震作用下，竖向分量的影响较大，不容忽视，也需要更为精确的计算，因此，出于对桥梁工程结构设计分析的需要，以便更好对桥梁工程结构尤其指导对桥梁结构抗震设计要求，如何使具有近断层特点的人工地震波与规范反应谱匹配十分重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有生成的近断层特性的人工地震波与规范反应谱的匹配度较差，误差较大，匹配过程复杂，效率较低等上述不足，提供一种近断层人工地震波与规范反应谱匹配的调整方法，为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种近断层人工地震波与规范反应谱匹配的调整方法，包括如下步骤：

(1)选取速度冲击脉冲波函数和远场地震功率谱函数，得到时程函数，再乘以包络函数，生成具有近断层效应的第一地震波；

(2)对生成的第一地震波进行小波分解，通过Volterra级数展开得到第一地震波的每一层的系数和对应的小波成分，建立第一地震波的时程函数与其计算反应谱之间匹配的非线性系数关系；

(3)将得到的第一地震波的计算反应谱与规范反应谱相比较，得出计算反应谱与规范反应谱之间的误差指数；

(4)通过优化算法调整对应层的系数和重构小波来调整计算反应谱，使所述误差指数小于预定的容许误差；

(5)将根据满足要求的计算反应谱求得的时程函数乘以包络函数，即可获得与规范反应谱匹配的第二地震波。

本方法为了与场地的规范反应谱函数，即规范规定函数或者场地安评所得函数相匹配，在得到了人工生成的包含有近断层和远场人工波时程函数后，乘以包络函数获得非平稳随机过程的第一地震波，然后将第一地震波采用Volterra级数展开和小波分解，建立时程函数与计算反应谱之间的非线性系数的关系，再应用优化算法调整对应层的系数和重构小波，使第一地震波的计算反应谱与规范反应谱之间的误差指数满足要求，最终得出与规范谱匹配程度较好的且符合近断层场地特征的第二地震波，采用本方法通过将计算反应谱展开分解成若干层后，通过优化算法对需要调整的系数进行调整和重构小波，快速有效地实现与规范反应谱之间的匹配，使计算反应谱与规范反应谱的匹配程度更高，通过缩放Volterra级数能够提高匹配的精度和计算效率，有利于对工程结构进行抗震分析，提高抗震设计和结构动力分析的精确性和有效性，优化桥梁设计能力，提高桥梁安全系数，延长使用寿命，减轻震后破坏程度，降低震后维养成本，同时采用此方法模拟生成竖向地震波，模拟结果更加精确，使同时具有水平加速度分量和竖向加速度分量的人工地震波与规范反应谱更好的相互匹配，大幅降低匹配难度，从而能够达到对工程建筑结构、桥梁结构的抗震设计要求提供指导的技术效果，优化工程结构尤其是桥梁结构设计，提高设计效率。

进一步的，所述误差指数根据公式：

计算，其中，表示第k个控制点的规范反应谱值，S_a(ω_k)>c。

进一步的，在所述步骤(2)中，通过所述Volterra级数得到的第一地震波的表达式如下：

其中，h_k表示第k层的系数；u表示时间函数，τ为采样时间点。

进一步的，所述优化算法包含包括蚁群算法或粒子群算法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过将计算反应谱通过Volterra级数展开分解成若干层和小波分解后，通过优化算法对需要调整的系数进行调整和重构小波，快速有效地实现与规范反应谱之间的匹配，使计算反应谱与规范反应谱的匹配程度更高，通过缩放 Volterra级数能够提高匹配的精度和计算效率，有利于对工程结构进行抗震分析，提高抗震设计和结构动力分析的精确性和有效性，优化桥梁设计能力，提高桥梁安全系数，延长使用寿命，减轻震后破坏程度，降低震后维养成本，同时采用此方法模拟生成竖向地震波，模拟结果更加精确，使同时具有水平加速度分量和竖向加速度分量的人工地震波与规范反应谱更好的相互匹配，大幅降低匹配难度，从而能够达到对工程建筑结构、桥梁结构的抗震设计要求提供指导的技术效果，优化工程结构尤其是桥梁结构设计，提高设计效率。

附图说明

图1为本发明中一种近断层人工地震波与规范反应谱匹配的调整方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种近断层人工地震波与规范反应谱匹配的调整方法，包括如下步骤：

(1)选取速度冲击脉冲波函数和远场地震功率谱函数，得到时程函数，再乘以包络函数，生成具有近断层效应的第一地震波；

(2)对生成的第一地震波进行小波分解，通过Volterra级数展开得到第一地震波的每一层的系数和对应的小波成分，建立第一地震波的时程函数与其计算反应谱之间匹配的非线性系数关系；

(3)将得到的第一地震波的计算反应谱与规范反应谱相比较，得出计算反应谱与规范反应谱之间的误差指数；

(4)通过优化算法调整对应层的系数和重构小波来调整计算反应谱，使所述误差指数小于预定的容许误差；

(5)将根据满足要求的计算反应谱求得的时程函数乘以包络函数，即可获得与规范反应谱匹配的第二地震波。

先选取速度冲击脉冲波函数和远场地震功率谱函数，得到一个时程函数，用时程函数乘以包络函数得到一个非平稳的具有近断层效应的第一地震波，对生成的第一地震波进行小波分解，根据需要的精度，确定Volterra级数展开的级数，展开得到第一地震波的每一层的系数和对应的小波成分，得到的第一地震波的表达式如下：

其中，h_k表示第k层的系数；u表示时间函数，τ为采样时间点，如0.02s、0.04s…。

然后建立第一地震波的时程函数与规范反应谱之间匹配的非线性系数关系，将得到的第一地震波的计算反应谱与规范反应谱相比较，得出计算反应谱与规范反应谱之间的误差指数，所述误差指数根据公式：

计算，其中，表示第k个控制点的规范反应谱值，S_a(ω_k)>c；ε为预设的容许误差，当误差指数ε_m大于ε时，通过优化算法，如蚁群算法或粒子群算法，调整需要调整的对应层的系数和重构小波，即缩放Volterra级数，直至误差指数ε_m小于或等于ε，根据满足误差的第一地震波的计算反应谱算出对应的时程函数，将此时程函数乘以包络函数，得到第二地震波，得到的所述第二地震波具有近断层非平稳特性，并与规范反应谱匹配程度更高，计算效率更快。