基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其包括以下步骤：选取标准设计反应谱作为目标谱、对目标谱进行离散化、用频域法生成初始地震波、使用时域法对初始地震波进行迭代修正、通过“频域‑时域混合迭代方法”进一步修正、判断是否满足精度、判断是否生成三条人工地震波、判断相关系数。本方案针对水电工程水工建筑物抗震设计规范的要求，针对水电工程水工建筑，完成了基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，具有较强的针对性；克服了现有时域法收敛性差的局限性，并且本发明专利技术生成的人工地震波收敛性好，收敛精度高。

【技术实现步骤摘要】
基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法
本专利技术涉及人工地震模拟
，具体涉及一种基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法。
技术介绍
在水工建筑物的抗震计算和模型试验中，地震波分析必不可少，地震波的获取有两个途径，其一是直接使用强震仪记录到的强震，其二是生成人工合成地震波。在目前实际地震记录还相对比较少的情况下，使用人工地震波是非常必要的。谱拟合人工地震波的合成最早由麻省理工学院完成，在此，地震动的相位谱被看作均匀分布，主要通过调整幅值谱来与反应谱拟合。因为该方法提出较早，所以得到了广泛的应用，该方法的主要缺点是收敛精度较差。最早揭示相位差谱影响人工合成地震动的是日本学者大崎顺彦，我国的胡聿贤等人，进行了考虑相位的人工地震动谱拟合，从而提高了谱拟合的精度。此后，众多学者加入了谱拟合人工地震动研究的行列，主要贡献是进一步揭示了地震动非平稳性与幅值谱和相位差谱的关系，在合成人工地震动时考虑地震动环境和天然地震特征等。2015年修编的水电工程水工建筑物抗震设计规范对合成人工地震动提出了更高的要求，主要有两点变化，其一对各类建筑物的阻尼比作了规定，其二是规定采用时程法计算地震作用效应时，应以阻尼比为5％的设计反应谱为目标谱，生成至少3套人工模拟地震加速度时程作为基岩的输入地震动加速度时程，各套地震动的各分量之间的相关系数均不应大于0.3。这在客观上要求合成的地震动能满足不同阻尼比的设计反应谱。虽然现有技术针对水电工程水工建筑物抗震设计规范做了一些初步的研究工作，但不能满足水电工程水工建筑物抗震设计规范提出的新要求。
技术实现思路
针对现有技术的上述不足，本专利技术提供了一种克服现有技术局限性并满足合成人工地震波要求的基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法。为达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案为：提供一种基于基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其包括以下步骤：S1：选取若干阻尼比及与阻尼比对应βmax的标准设计反应谱作为目标谱，并对目标谱进行离散化，βmax为标准设计反应谱的最大值；S2：采用频域法生成阻尼比为5％、βmax为2.5的设计反应谱作为目标谱的初始人工地震波；S3：采用时域法对初始人工地震波进行修正，并将修正后的结果与步骤S1中选取的目标谱拟合得到第一次近似解；S4：采用频域-时域混合迭代方法修正步骤S3获得的第一次近似解，直至第一次近似解的精度达到步骤S1中选取的目标谱的精度，并采用修正后的第一次近似解作为人工地震波；S5：重复步骤S2-S4，直至获得相关系数不大于0.3的三条人工地震波，并选取其中两个作为水平地震分量，一个作为竖向地震分量。进一步地，步骤2进一步包括：S21：采用目标谱计算出人工地震波的功率谱，通过功率谱得到傅立叶幅值谱，并用其加上随机相位作傅立叶逆变换，再将傅立叶逆变换的结果加上强度包络线得到人工地震波；S22：计算人工地震波的反应谱，并用目标谱与人工地震波的反应谱的比值更新傅立叶幅值谱，重新生成人工地震波，并返回步骤S21；S23：当循环执行步骤S21-S22达到预设的次数后，采用最后一次得到的人工地震波作为初始人工地震波。进一步地，步骤3进一步还包括：S31：采用初始人工地震波计算出初始人工地震波的反应谱，得到初始人工地震波的反应谱与目标谱在离散点处的差值，S32：根据差值计算人工地震波时域变分，并采用时域变分与初始人工地震波合成人工地震波的第一次近似解。进一步地，步骤S4进一步包括：S41：计算第一次近似解的傅立叶幅值谱和阻尼比为5％时的反应谱；S42：采用步骤S1中的目标谱与第一次近似解的反应谱的比值修正第一次近似解的傅立叶幅值谱，再通过傅立叶逆变换生成人工地震波的第二次近似解；S43：计算第二次近似解在步骤S1中选取的阻尼比下的反应谱值，并获得第二次近似解的反应谱与目标谱在离散点处的差值，获得第二次近似解的时域变分，第二次近似解的时域变分与第二次近似解的合成得到人工地震波的第三次近似解；S44：若第三次近似解满足离散化目标谱的精度要求，则将第三次近似解作为最终求得的人工地震波；若第三次近似解不满足离散化目标谱的精度要求，令第三次近似解为步骤S41中的第一次近似解，并返回步骤S41。进一步地，标准设计反应谱的形状参数为：当标准设计反应谱的周期T位于0～0.1s的区段内时，β(T)取1.0到βmax线段内的值；当标准设计反应谱的周期T在0.1s至特征周期的区段内时，β(T)取最大值βmax；当标准设计反应谱的周期T在特征周期至3s的区段内，β(T)按公式β(T)＝βmax(TgT)0.6取值；β(T)为标准设计反应谱的值，Tg为标准设计反应谱的特征周期。进一步地，βmax的取值为：当建筑物类型为土石坝时，βmax取1.60；当建筑物类型为重力坝时，βmax取2.00；当建筑物类型为拱坝时，βmax取2.50；当建筑物类型非土石坝、重力坝和拱坝时，βmax取2.25。进一步地，阻尼比的取值为：当建筑物类型为土石坝时，阻尼比为20％；当建筑物类型为拱坝时，阻尼比为5％；当建筑物类型为重力坝时，阻尼比为10％；当建筑物类型非土石坝、重力坝和拱坝时，阻尼比为7％。进一步地，标准设计反应谱的下限值βmin不小于βmax的20％。本专利技术的有益效果为：本方案针对水电工程水工建筑物抗震设计规范的要求，针对水电工程水工建筑，完成了基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，具有较强的针对性；本方法生成的人工地震波，可同时满足拱坝和重力坝等多目标反应谱的要求，生成的人工地震波的各分量相关系数均能满足不大于0.3的要求，克服了现有时域法收敛性差的局限性，并且本专利技术生成的人工地震波收敛性好，收敛精度高。附图说明图1为基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法的流程图。图2为水电工程的标准设计反应谱。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。如图1和图2所示，基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：选取若干阻尼比及与阻尼比对应βmax的标准设计反应谱作为目标谱，并对目标谱进行离散化，βmax为标准设计反应谱的最大值；S2：采用频域法生成阻尼比为5％、βmax为2.5的设计反应谱作为目标谱的初始人工地震波；具体包括以下步骤：S21：采用目标谱计算出人工地震波的功率谱，通过功率谱得到傅立叶幅值谱，并用其加上随机相位作傅立叶逆变换，再将傅立叶逆变换的结果加上强度包络线得到人工地震波；S22：计算人工地震波的反应谱，并用目标谱与人工地震波的反应谱的比值更新傅立叶幅值谱，重新生成人工地震波，并返回步骤S21；S23：当循环执行步骤S21-S22达到预设的次数后，采用最后一次得到的人工地震波作为初始人工地震波；S3：采用时域法对初始人工地震波进行修正，并将修正后的结果与步骤S1中选取的目标谱拟合得到第一次近似解；具体包括以下步骤：S31：采用初始人工地震波计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：选取若干阻尼比及与阻尼比对应βmax的标准设计反应谱作为目标谱，并对目标谱进行离散化，βmax为标准设计反应谱的最大值；S2：采用频域法生成阻尼比为5％、βmax为2.5的设计反应谱作为目标谱的初始人工地震波；S3：采用时域法对初始人工地震波进行修正，并将修正后的结果与步骤S1中选取的目标谱拟合得到第一次近似解；S4：采用频域‑时域混合迭代方法修正步骤S3获得的第一次近似解，直至第一次近似解的精度达到步骤S1中选取的目标谱的精度，并采用修正后的第一次近似解作为人工地震波；S5：重复步骤S2‑S4，直至获得相关系数不大于0.3的三条人工地震波，并选取其中两个作为水平地震分量，一个作为竖向地震分量。

【技术特征摘要】
1.一种基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：选取若干阻尼比及与阻尼比对应βmax的标准设计反应谱作为目标谱，并对目标谱进行离散化，βmax为标准设计反应谱的最大值；S2：采用频域法生成阻尼比为5％、βmax为2.5的设计反应谱作为目标谱的初始人工地震波；S3：采用时域法对初始人工地震波进行修正，并将修正后的结果与步骤S1中选取的目标谱拟合得到第一次近似解；S4：采用频域-时域混合迭代方法修正步骤S3获得的第一次近似解，直至第一次近似解的精度达到步骤S1中选取的目标谱的精度，并采用修正后的第一次近似解作为人工地震波；S5：重复步骤S2-S4，直至获得相关系数不大于0.3的三条人工地震波，并选取其中两个作为水平地震分量，一个作为竖向地震分量。2.根据权利要求1所述的基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：S21：采用目标谱计算出人工地震波的功率谱，通过功率谱得到傅立叶幅值谱，并用其加上随机相位作傅立叶逆变换，再将傅立叶逆变换的结果加上强度包络线得到人工地震波；S22：计算人工地震波的反应谱，并用目标谱与人工地震波的反应谱的比值更新傅立叶幅值谱，重新生成人工地震波，并返回步骤S21；S23：当循环执行步骤S21-S22达到预设的次数后，采用最后一次得到的人工地震波作为初始人工地震波。3.根据权利要求1所述的基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其特征在于，所述步骤3进一步还包括：S31：采用初始人工地震波计算出初始人工地震波的反应谱，得到初始人工地震波的反应谱与目标谱在离散点处的差值，S32：根据差值计算人工地震波时域变分，并采用时域变分与初始人工地震波合成人工地震波的第一次近似解。4.根据权利要求1所述的基于水电工程水工建筑物抗震设计的人工地震模拟方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：S41：计算第一次近似解的傅立叶幅值谱和阻尼比为5％时的反应谱；S42：采用步骤S1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伯艳，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11