強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)周錫元課件

提綱：隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性設(shè)計(jì)譜和GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用;強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的三維數(shù)值模擬;功率譜模型的改進(jìn);地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的影響;結(jié)論與建議.1提綱：隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性11隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間地震動(dòng)峰值特性包絡(luò)線(強(qiáng)度非平穩(wěn)性)頻率成分(含量)的非平穩(wěn)性21隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間2設(shè)計(jì)譜與真實(shí)反應(yīng)譜的差異關(guān)于地震動(dòng)強(qiáng)度或設(shè)防烈度，自上世紀(jì)70年代以來(lái)廣泛采用地震危險(xiǎn)性分析方法，至于反應(yīng)譜峰值的形狀一直采用Housner提出的平滑化設(shè)計(jì)譜。應(yīng)該指出，這種平滑化的設(shè)計(jì)譜與真實(shí)的反應(yīng)譜之間是存在一定的差異的。真實(shí)地震的反應(yīng)譜是隨周期波動(dòng)變化的，而且變化的幅度比較大。3設(shè)計(jì)譜與真實(shí)反應(yīng)譜的差異關(guān)于地震動(dòng)強(qiáng)度或設(shè)防烈度，自上世紀(jì)7設(shè)計(jì)地震應(yīng)該是單純的地震動(dòng)特性還是綜合了結(jié)構(gòu)和地震的特性?

-----這樣的爭(zhēng)論來(lái)源于對(duì)設(shè)計(jì)譜的理解Housner對(duì)設(shè)計(jì)譜的解釋:設(shè)計(jì)譜工實(shí)際用的平滑化反應(yīng)譜為什么可以用平滑化的譜取代實(shí)際的波動(dòng)狀反應(yīng)譜?結(jié)構(gòu)的周期不能正確的確定對(duì)迭加在平滑化譜上的波動(dòng)成分是未知的考慮到結(jié)構(gòu)的阻尼,材料的強(qiáng)度和延性以及結(jié)構(gòu)的非線性影響4設(shè)計(jì)地震應(yīng)該是單純的地震動(dòng)特性還是綜合了結(jié)構(gòu)和地震的特性?

設(shè)計(jì)譜和GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用1.1關(guān)于設(shè)計(jì)譜

－－擬加速度譜－－相對(duì)位移譜美國(guó)與中國(guó)的設(shè)計(jì)譜與抗震設(shè)計(jì)軟件中的處理方法5設(shè)計(jì)譜和GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)1.1關(guān)于設(shè)計(jì)譜－－擬6677歐洲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的位移反應(yīng)譜TD=2sTE=6sTF=10s8歐洲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的位移反應(yīng)譜TD=2sTE=6s隨機(jī)地震動(dòng)功率譜的基本特性在給定震級(jí)和距離的條件下平滑化功率譜也具有隨機(jī)性，但是它們的離散性相對(duì)比較小，迭加在其上的波動(dòng)成分隨機(jī)性更大，而且有一定的共性，所以可以說(shuō)是高階隨機(jī)或超隨機(jī)特性。這兩部分貢獻(xiàn)可以分開(kāi)來(lái)加以統(tǒng)計(jì)。隨機(jī)波動(dòng)成分對(duì)方差或地震動(dòng)強(qiáng)度是基本沒(méi)有貢獻(xiàn)的。9隨機(jī)地震動(dòng)功率譜的基本特性在給定震級(jí)和距離的條件下平滑化功率101011111212Typicalautocorrelationfunction13TypicalautocorrelationfunctiTypicalpowerspectrumdensity14Typicalpowerspectrumdensity151516161717地震動(dòng)記錄統(tǒng)計(jì)特征的隨機(jī)特性1、自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)對(duì)自相關(guān)函數(shù)用曲線

來(lái)擬合18地震動(dòng)記錄統(tǒng)計(jì)特征的隨機(jī)特性1、自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)對(duì)自相19192020三方向地震動(dòng)的譜特性三向地震動(dòng)的譜特性的差異如何根據(jù)規(guī)范中的單向地震反應(yīng)譜產(chǎn)生多向地震動(dòng)時(shí)程豎向地震反應(yīng)譜的場(chǎng)地相關(guān)特性地震動(dòng)場(chǎng)的模擬21三方向地震動(dòng)的譜特性三向地震動(dòng)的譜特性的差異212GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用－－GPS技術(shù)的特點(diǎn)－－強(qiáng)震觀測(cè)中存在的問(wèn)題－－GPS技術(shù)的應(yīng)用1次/s的采樣率2002年美國(guó)Denali7.9級(jí)地震2003日本Tokachi-Oki8.0級(jí)地震2003年SanSimeon6.5級(jí)地震

地面運(yùn)動(dòng)永久位移無(wú)法確定222GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用－－GPS技術(shù)的特點(diǎn)經(jīng)過(guò)低通濾波以后的GPS位移與采用不同頻帶濾波以后的加速度時(shí)程的比較23經(jīng)過(guò)低通濾波以后的GPS位移與采用不同頻帶濾波以后的加速度從加速度和GPS信號(hào)中分析得到的阻尼比為0.05的位移譜的比較

24從加速度和GPS信號(hào)中分析得到的阻尼比為0.05的位移譜的比3.強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的三維數(shù)值模擬模擬方法：有限斷層模型基本思想：發(fā)震斷裂子斷裂較小的地震斷層方位滑沖方向斷層方位相應(yīng)于基本參數(shù)253.強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的三維數(shù)值模擬模擬方法：有限斷層模型基本思

懷來(lái)-延慶盆地波速結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)（黑三角）布置和數(shù)值模擬范圍26懷來(lái)-延慶盆地波速結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)（黑三角）布置和數(shù)值模擬范圍26計(jì)算區(qū)域內(nèi)的巖土分層情況

27計(jì)算區(qū)域內(nèi)的巖土分層情況2724個(gè)子震源在斷層面上的分布

2824個(gè)子震源在斷層面上的分布28觀測(cè)點(diǎn)上的位移、速度和加速度時(shí)程

29觀測(cè)點(diǎn)上的位移、速度和加速度時(shí)程29動(dòng)速度和位移沿測(cè)線的轉(zhuǎn)播過(guò)程

30動(dòng)速度和位移沿測(cè)線的轉(zhuǎn)播過(guò)程30

研究區(qū)域的地震動(dòng)強(qiáng)度（烈度）分布

31研究區(qū)域的地震動(dòng)強(qiáng)度（烈度）分布314.地震動(dòng)功率譜模型的改進(jìn)◆隨機(jī)模型存在的問(wèn)題◆對(duì)新模型的構(gòu)想----看作是白噪聲過(guò)程分別經(jīng)過(guò)高、低頻濾波以后得到的平穩(wěn)過(guò)程或兩個(gè)高斯Markov過(guò)程的疊加或復(fù)合，因此也可以稱為復(fù)合Markov模型。324.地震動(dòng)功率譜模型的改進(jìn)◆隨機(jī)模型存在的問(wèn)題◆對(duì)新模(a)用高低頻截?cái)喾绞较拗聘叩皖l成分（豎線部分為有限帶寬白譜）

(b)用高低通濾波器限制高低頻成分33(a)用高低頻截?cái)喾绞较拗聘叩皖l成分（豎線部分為有限帶寬白復(fù)合Markov功率譜模型:

34復(fù)合Markov功率譜模型:34

Markov功率譜模型與Kanai-Tajimi模型的對(duì)比

35Markov功率譜模型與Kanai-Tajimi模型的對(duì)比包絡(luò)函數(shù)的幾種形式

：平穩(wěn)化過(guò)程：是一個(gè)確定性的時(shí)間函數(shù)與一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的乘積，即：5.地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的影響36包絡(luò)函數(shù)的幾種形式：平穩(wěn)化過(guò)程：是一個(gè)確定性的時(shí)間函數(shù)與一

四種模型模擬的El_Centro波包線

37四種模型模擬的El_Centro波包線37四種模型模擬的集集地震的包線

38四種模型模擬的集集地震的包線385考慮地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的CCQC（t）法：395考慮地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的CCQC（t）法：39CSRSS（t）法：CQC（t）法：SRSS（t）法：40CSRSS（t）法：CQC（t）法：SRSS（t）法：404141發(fā)展基于隨機(jī)過(guò)程理論的抗震設(shè)計(jì)方法（1）分析加速度時(shí)程對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用，研究加速度時(shí)程作為隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征和參數(shù)，其中包括幅值和頻率特性非平穩(wěn)性的表達(dá)方式等；（2）探索對(duì)加速度時(shí)程進(jìn)行危險(xiǎn)性分析的方法；（3）研究結(jié)構(gòu)在隨機(jī)地震地面運(yùn)動(dòng)作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析方法；（4）在統(tǒng)一的概率定義下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度分析，獲得真正意義上的結(jié)構(gòu)可靠度水準(zhǔn)。42發(fā)展基于隨機(jī)過(guò)程理論的抗震設(shè)計(jì)方法（1）分析加速度時(shí)程對(duì)結(jié)構(gòu)這樣的加速度時(shí)程不是一個(gè)確定性的時(shí)間函數(shù)，但是可以定義為一個(gè)隨機(jī)函數(shù)，其統(tǒng)計(jì)特性可以看作是確定性變量并由這些統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)產(chǎn)生樣本隨機(jī)過(guò)程，也可以直接用一組樣本隨機(jī)過(guò)程來(lái)表示。這樣得到的具有一定概率水準(zhǔn)的加速度時(shí)程可以作為重大工程的的設(shè)計(jì)地震或輸入地面運(yùn)動(dòng)，并據(jù)此對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)進(jìn)行可靠性分析。

43這樣的加速度時(shí)程不是一個(gè)確定性的時(shí)間函數(shù)，但是可以定義為一個(gè)6.結(jié)論與建議1、今后需要研究相對(duì)位移反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期段的特征，進(jìn)一步拓寬設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的適用范圍；2、在地面和結(jié)構(gòu)上布置高采樣率的GPS接收器，研究相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法和軟件，綜合利用觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析記錄位移隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)變化規(guī)律；3、地震動(dòng)的非平穩(wěn)性及其對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響，還有待進(jìn)一步研究；446.結(jié)論與建議1、今后需要研究相對(duì)位移反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期段的2、4、有限差分和其他離散化方法可以有效地應(yīng)用于地震動(dòng)場(chǎng)的數(shù)值模擬，目前的研究工作已經(jīng)在這方面奠定了良好的基礎(chǔ)，今后還需要發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)值分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件，為在城市和區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和重大工程中的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造條件

；5、地震作用是具有高度隨機(jī)特性的可變和偶然荷載，發(fā)展基于隨機(jī)振動(dòng)理論的抗震設(shè)計(jì)方法是值得重視的研究領(lǐng)域，為此有必要建立相應(yīng)的地震危險(xiǎn)性分析方法，完善以功率譜和反應(yīng)譜為基礎(chǔ)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。454、有限差分和其他離散化方法可以有效地應(yīng)用5、地震作用是具有精品課件！46精品課件！46精品課件！47精品課件！47匯報(bào)結(jié)束謝謝大家48匯報(bào)結(jié)束謝謝大家48提綱：隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性設(shè)計(jì)譜和GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用;強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的三維數(shù)值模擬;功率譜模型的改進(jìn);地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的影響;結(jié)論與建議.49提綱：隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性11隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間地震動(dòng)峰值特性包絡(luò)線(強(qiáng)度非平穩(wěn)性)頻率成分(含量)的非平穩(wěn)性501隨機(jī)地震動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特性地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間2設(shè)計(jì)譜與真實(shí)反應(yīng)譜的差異關(guān)于地震動(dòng)強(qiáng)度或設(shè)防烈度，自上世紀(jì)70年代以來(lái)廣泛采用地震危險(xiǎn)性分析方法，至于反應(yīng)譜峰值的形狀一直采用Housner提出的平滑化設(shè)計(jì)譜。應(yīng)該指出，這種平滑化的設(shè)計(jì)譜與真實(shí)的反應(yīng)譜之間是存在一定的差異的。真實(shí)地震的反應(yīng)譜是隨周期波動(dòng)變化的，而且變化的幅度比較大。51設(shè)計(jì)譜與真實(shí)反應(yīng)譜的差異關(guān)于地震動(dòng)強(qiáng)度或設(shè)防烈度，自上世紀(jì)7設(shè)計(jì)地震應(yīng)該是單純的地震動(dòng)特性還是綜合了結(jié)構(gòu)和地震的特性?

-----這樣的爭(zhēng)論來(lái)源于對(duì)設(shè)計(jì)譜的理解Housner對(duì)設(shè)計(jì)譜的解釋:設(shè)計(jì)譜工實(shí)際用的平滑化反應(yīng)譜為什么可以用平滑化的譜取代實(shí)際的波動(dòng)狀反應(yīng)譜?結(jié)構(gòu)的周期不能正確的確定對(duì)迭加在平滑化譜上的波動(dòng)成分是未知的考慮到結(jié)構(gòu)的阻尼,材料的強(qiáng)度和延性以及結(jié)構(gòu)的非線性影響52設(shè)計(jì)地震應(yīng)該是單純的地震動(dòng)特性還是綜合了結(jié)構(gòu)和地震的特性?

設(shè)計(jì)譜和GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用1.1關(guān)于設(shè)計(jì)譜

－－擬加速度譜－－相對(duì)位移譜美國(guó)與中國(guó)的設(shè)計(jì)譜與抗震設(shè)計(jì)軟件中的處理方法53設(shè)計(jì)譜和GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)1.1關(guān)于設(shè)計(jì)譜－－擬546557歐洲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的位移反應(yīng)譜TD=2sTE=6sTF=10s56歐洲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的位移反應(yīng)譜TD=2sTE=6s隨機(jī)地震動(dòng)功率譜的基本特性在給定震級(jí)和距離的條件下平滑化功率譜也具有隨機(jī)性，但是它們的離散性相對(duì)比較小，迭加在其上的波動(dòng)成分隨機(jī)性更大，而且有一定的共性，所以可以說(shuō)是高階隨機(jī)或超隨機(jī)特性。這兩部分貢獻(xiàn)可以分開(kāi)來(lái)加以統(tǒng)計(jì)。隨機(jī)波動(dòng)成分對(duì)方差或地震動(dòng)強(qiáng)度是基本沒(méi)有貢獻(xiàn)的。57隨機(jī)地震動(dòng)功率譜的基本特性在給定震級(jí)和距離的條件下平滑化功率581059116012Typicalautocorrelationfunction61TypicalautocorrelationfunctiTypicalpowerspectrumdensity62Typicalpowerspectrumdensity631564166517地震動(dòng)記錄統(tǒng)計(jì)特征的隨機(jī)特性1、自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)對(duì)自相關(guān)函數(shù)用曲線

來(lái)擬合66地震動(dòng)記錄統(tǒng)計(jì)特征的隨機(jī)特性1、自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)對(duì)自相67196820三方向地震動(dòng)的譜特性三向地震動(dòng)的譜特性的差異如何根據(jù)規(guī)范中的單向地震反應(yīng)譜產(chǎn)生多向地震動(dòng)時(shí)程豎向地震反應(yīng)譜的場(chǎng)地相關(guān)特性地震動(dòng)場(chǎng)的模擬69三方向地震動(dòng)的譜特性三向地震動(dòng)的譜特性的差異212GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用－－GPS技術(shù)的特點(diǎn)－－強(qiáng)震觀測(cè)中存在的問(wèn)題－－GPS技術(shù)的應(yīng)用1次/s的采樣率2002年美國(guó)Denali7.9級(jí)地震2003日本Tokachi-Oki8.0級(jí)地震2003年SanSimeon6.5級(jí)地震

地面運(yùn)動(dòng)永久位移無(wú)法確定702GPS技術(shù)在強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用－－GPS技術(shù)的特點(diǎn)經(jīng)過(guò)低通濾波以后的GPS位移與采用不同頻帶濾波以后的加速度時(shí)程的比較71經(jīng)過(guò)低通濾波以后的GPS位移與采用不同頻帶濾波以后的加速度從加速度和GPS信號(hào)中分析得到的阻尼比為0.05的位移譜的比較

72從加速度和GPS信號(hào)中分析得到的阻尼比為0.05的位移譜的比3.強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的三維數(shù)值模擬模擬方法：有限斷層模型基本思想：發(fā)震斷裂子斷裂較小的地震斷層方位滑沖方向斷層方位相應(yīng)于基本參數(shù)733.強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的三維數(shù)值模擬模擬方法：有限斷層模型基本思

懷來(lái)-延慶盆地波速結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)（黑三角）布置和數(shù)值模擬范圍74懷來(lái)-延慶盆地波速結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)（黑三角）布置和數(shù)值模擬范圍26計(jì)算區(qū)域內(nèi)的巖土分層情況

75計(jì)算區(qū)域內(nèi)的巖土分層情況2724個(gè)子震源在斷層面上的分布

7624個(gè)子震源在斷層面上的分布28觀測(cè)點(diǎn)上的位移、速度和加速度時(shí)程

77觀測(cè)點(diǎn)上的位移、速度和加速度時(shí)程29動(dòng)速度和位移沿測(cè)線的轉(zhuǎn)播過(guò)程

78動(dòng)速度和位移沿測(cè)線的轉(zhuǎn)播過(guò)程30

研究區(qū)域的地震動(dòng)強(qiáng)度（烈度）分布

79研究區(qū)域的地震動(dòng)強(qiáng)度（烈度）分布314.地震動(dòng)功率譜模型的改進(jìn)◆隨機(jī)模型存在的問(wèn)題◆對(duì)新模型的構(gòu)想----看作是白噪聲過(guò)程分別經(jīng)過(guò)高、低頻濾波以后得到的平穩(wěn)過(guò)程或兩個(gè)高斯Markov過(guò)程的疊加或復(fù)合，因此也可以稱為復(fù)合Markov模型。804.地震動(dòng)功率譜模型的改進(jìn)◆隨機(jī)模型存在的問(wèn)題◆對(duì)新模(a)用高低頻截?cái)喾绞较拗聘叩皖l成分（豎線部分為有限帶寬白譜）

(b)用高低通濾波器限制高低頻成分81(a)用高低頻截?cái)喾绞较拗聘叩皖l成分（豎線部分為有限帶寬白復(fù)合Markov功率譜模型:

82復(fù)合Markov功率譜模型:34

Markov功率譜模型與Kanai-Tajimi模型的對(duì)比

83Markov功率譜模型與Kanai-Tajimi模型的對(duì)比包絡(luò)函數(shù)的幾種形式

：平穩(wěn)化過(guò)程：是一個(gè)確定性的時(shí)間函數(shù)與一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的乘積，即：5.地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的影響84包絡(luò)函數(shù)的幾種形式：平穩(wěn)化過(guò)程：是一個(gè)確定性的時(shí)間函數(shù)與一

四種模型模擬的El_Centro波包線

85四種模型模擬的El_Centro波包線37四種模型模擬的集集地震的包線

86四種模型模擬的集集地震的包線385考慮地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的CCQC（t）法：875考慮地震動(dòng)非平穩(wěn)特性的CCQC（t）法：39CSRSS（t）法：CQC（t）法：SRSS（t）法：88CSRSS（t）法：CQC（t）法：SRSS（t）法：408941發(fā)展基于隨機(jī)過(guò)程理論的抗震設(shè)計(jì)方法（1）分析加速度時(shí)程對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用，研究加速度時(shí)程作為隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特征和參數(shù)，其中包括幅值和頻率特性非平穩(wěn)性的表達(dá)方式等；（2）探索對(duì)加速度時(shí)程進(jìn)行危險(xiǎn)性分析的方法；（3）研究結(jié)構(gòu)在隨機(jī)地震地面運(yùn)動(dòng)作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析方法；（4）在統(tǒng)一的概率定義下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠度分析，獲得真正意義上的結(jié)構(gòu)可靠度水準(zhǔn)。90發(fā)