多阻尼比目标反应谱兼容的人工地震波合成方法技术

本发明专利技术是一种多阻尼比反应谱兼容的人工地震波合成方法，采用该方法先是采用传统方法生成初始人工地震波，然后采用时域调整算法对所有周期控制点依次进行；在特定的周期控制点处，采用优化算法按目标反应谱的阻尼比个数分步进行调整，其目标是使得调整后的人工地震波在该周期控制点处的多阻尼比反应谱值与目标多阻尼比反应谱值的均方根误差最小。所述的时域调整算法是在初始人工地震波上叠加振幅调制简谐时程，该振幅调制简谐时程采用与初始人工地震波相同的强度包络曲线对简谐时程进行调制。本算法拟合精度高，计算速度快，适于推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多阻尼比反应谱兼容的人造加速度时间历程(以下 简称人工地震波)合成方法,所提出的多阻尼比反应谱兼容的人工地震波 合成方法可应用于对重要工程项目进行场址地震安全性评价时合成人工 地震波和重大工程的抗震设计。技术背景同时拟合多阻尼比反应谱的人工地震波合成是地震安全性评价的重 要工作之一，对于重要工程结构，在抗震设计中需要进行地震动激励下 的非线性动力时程分析，这里的非线性包括由于采用减隔震装置而引入 的非线性单元，以及结构在大震下的弹塑性行为。在进行地震动作用下 的非线性动力时程分析时，必需采用加速度时程来描述地面运动。人工 地震波便是这种人工合成的地面运动加速度时程。提供人工地震波是场 址地震安全性评价的一项重要工作。传统人工地震波合成方法是先基于均匀调制模型生成一条初始人工 地震波，然后调整该人工地震波的幅值谱使该人工地震波的反应谱向目 标谱靠近，通过多次迭代获得满意精度。具体过程是1) 采用近似公式，从目标反应谱反算功率谱2) 由功率谱计算待合成的人工地震波的幅值谱3) 随机生成相位谱4) 基于得到的幅值谱和相位谱，用反傅立叶变换合成一条时程5) 用强度包络曲线调制上步得到的时程，从而得到初始人工地震波6) 对初始人工地震波进行调整，使其反应谱向目标反应谱靠近。上述步骤中，最为困难的是最后一步。传统对初始人工地震波的调整 方法是对给定控制点周期对应的幅值谱进行放大或縮小，这种调整方法 的效率很低，对于单阻尼比目标反应谱尚且存在不能收敛的情况，用于 多目标反应谱兼容时程的合成时则不易收敛，即便能够收敛，所耗费计 算时间也很长。赵凤新曾提出过一种时域反演的调整方法，其核心方法是在待调整 人工地震波作用下结构绝对加速度响应时程中叠加一个窄带时程，以使 得经此调整后的响应峰值(即绝对值的最大值)正好等于目标反应谱值， 然后通过反演，寻求一条输入时程，使得该输入时程作用下，结构的响 应正好为前面所叠加的窄带时程，然后用反演结果叠加待调整人工地震 波。由于求反应谱的运算都是线性的，所以调整后的人工地震波作用下 结构绝对加速度响应时程在原峰值点处的反应值将精确的等于目标反应 谱值。该方法比传统的频域调整方法拟合精度高，但是由于涉及到窄带 时程的反演，每一次反演，都需要做一次傅立叶变换和反傅立叶变换， 运算时间长。另外由窄带过程反演得到的时程的长度与待调人工地震波 长度相同，因而对其他控制周期点的影响较大，这也降低了该方法的迭 代效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了现有的调整方法的上述，提供了一种多阻 尼比目标提高多阻尼比反应谱兼容的人工地震波合成的计算速度。提 高多阻尼比反应谱兼容的人工地震波合成精度本专利技术提出多阻尼比反应谱兼容的人工地震波合成方法的步骤包 括先基于强震地面运动的均匀调制模型随机生成初始人工地震波，然 后基于时域调整方法进行迭代直至人工地震波的多阻尼比反应谱收敛至 目标反应谱。本方法的流程图入图1所示。本专利技术的技术方案如下步骤所示1) 采用近似公式，从5%阻尼比的设计反应谱为目标反应谱反算功率谱；2) 由功率谱计算待合成的人工地震波的幅值谱；3) 随机生成相位谱；4) 基于得到的幅值谱和相位谱，用反傅立叶变换合成一条加速度时 程；5) 用强度包络曲线调制上步得到的时程，从而得到初始人工地震 波；6) 以多阻尼比设计反应谱为目标谱，在时域内对初始人工地震波进 行调整；本步骤包括两层循环第一层循环针对周期控制点进行，按控 制点周期值由大至小依次进行，如图2中箭头a所指，在周期控制点7;处 进行调整时的初始人工地震波为在周期控制点 ^处调整后得到的结果 (k为整数，表示由大至小排列的第k个周期控制点)；在每个周期控制 点处，进行第二层循环，按阻尼比由小到大依次进行调整，如图2中箭 头b所示，在阻尼比为^时调整时的初始人工地震波为阻尼比等于^时的调整后得到的结果(J为整数，表示由小至大排列的第J个阻尼比)。在第k个周期控制点7;处对此时的初始人工波进行调整时，采用优化算法进行先根据阻尼比为《时的目标反应谱值在时域内对初始人工地震 波进行第一步调整，然后以这次调整的结果作为初始人工地震波，根据 阻尼比为^时的目标反应谱值进行第二次调整，在此次调整中，其目标是使所得到的人工地震波在 ;处阻尼比分别等于；、《2时的反应谱值与相应的目标反应谱值的均方根误差最小。以此类推，在根据阻尼比为二时 的目标反应谱值进行调整时，其初始人工地震波为阻尼比为《w时的调整结果(n为整数，表示需要考察的阻尼比的总数)，该步调整的目标是使所得到的人工地震波在t;处阻尼比分别等于《、《2…c时的反应谱值与相应的目标反应谱值的均方根误差最小。以此类推完成所有周期控制点处的调整，得到一条人工地震波。7)检査第6)步所得结果，如果这一条人工地震波满足了其相应反 应谱的拟合精度要求，停止迭代，否则重复第6)步直到结果满足要求。 第6)步中所说在第k个周期控制点 ;处阻尼比为《时在时域内对初始人工地震波进行调整的具体方法是在初始人工地震波上叠加如下所 示的振幅调制简谐时程.-其中叫等于2;r/7;， ^为初始人工地震波作用下周期为 1 、阻尼比为《的单自由度振子的绝对加速度响应时程的峰值所在的时刻，-为初始相位，r为振幅，/(0为第5)步中所采用的强度包络曲线。上面所述的振幅调制简谐时程的特征在于采用与初始人工地震波相同的强度包络函数进行调制。这个措施使得在时域内对初始人工地震波的调整不会影响它的时域能量分布，确保最终得到的人工地震波的时域包线与目标强度包络曲线一致。本专利技术提出的多阻尼比反应谱兼容的人工地震波合成方法通过时域调整方法进行迭代使得所获得的人工地震波同时满足多阻尼比目标反应谱的要求，可获得如下有益效果1) 拟合精度高；由于采用了优化算法，本方法合成的人工地震波的多 阻尼比反应谱与目标反应谱在各周期控制点的误差控制在5%以内。2) 迭代效率高，计算速度快；原因如下I)在每个周期控制点处对不同阻尼比情况采用寻优方法进行分 步调整，在完成该周期控制点处的调整后，所获得的人工地震波在该周 期控制点处的多阻尼比反应谱值与目标反应谱值的均方根误差最小，因 而，其效率高于不考虑各阻尼比的相互影响的算法。II)振幅调制简谐时程作用下，单自由度结构绝对加速度响应的滞后时间可以由理论公式近似求得，其振幅则通过一次Duhamel积分得 到。无须进行傅立叶变换和反傅立叶变换，因而计算速度快。附图说明图1:多阻尼比反应谱兼容的人工地震波合成方法的流程图；图2:以多阻尼比反应谱为目标调整初始人工地震波的循环顺序；图3. a:按实施例方法合成的人工地震波示例图3.b:按实施例方法合成的人工地震波的阻尼比反应谱与目标反应谱 的对比中1、初始人工地震波在阻尼比为；时反应谱曲线，2、阻尼比为 《时的目标反应谱曲线，3、初始人工地震波在阻尼比为^时反应谱曲线， 4、阻尼比为《2时的目标反应谱曲线，5、初始人工地震波在阻尼比为二时 反应谱曲线，6、阻尼比为；时的目标反应谱曲线，7、按实施例方法合成的人工地震波示例，8、按实施例方法合成的人工地震波的2%阻尼比 时反应谱曲线，9、实施例示例中2%阻尼比目标反应谱曲线，10、按实 施例方本文档来自技高网...

【技术保护点】
多阻尼比反应谱兼容的人工地震波合成方法，采用该方法生成人工地震波的步骤包括：１）从５％阻尼比的目标反应谱反算功率谱；２）由功率谱计算待合成的人工地震波的幅值谱；３）随机生成相位谱；４）基于得到的幅值谱和相位谱，用反傅立叶变换合成一条时程；５）用强度包络曲线调制上步得到的时程，得到初始人工地震波；６）以多阻尼比设计反应谱为目标谱，在时域内对初始人工地震波进行调整，其特征在于，是按以下步骤进行调整的：按照周期控制点周期值由大到小的顺序依次对每个周期控制点进行调整，并且在周期控制点Ｔ↓［ｋ］处进行调整时的初始人工地震波为在周期控制点Ｔ↓［ｋ－１］处调整后得到的结果，其中，ｋ为整数，表示由大至小排列的第ｋ个周期控制点；所述的对单个周期控制点Ｔ↓［ｋ］的调整按阻尼比由小到大的顺序依次进行，在阻尼比为ζ↓［Ｊ］时调整时的初始人工地震波为阻尼比等于ζ↓［ｊ－１］时的调整后得到的结果，其中，ｊ为整数，表示由小至大排列的第ｊ个阻尼比，具体步骤如下：１）先根据阻尼比为ζ↓［１］时的目标反应谱值在时域内对初始人工地震波进行第一步调整，然后以这次调整的结果作为初始人工地震波，根据阻尼比为ζ↓［２］时的目标反应谱值进行第二次调整，在此次调整中，要使所得到的人工地震波在Ｔ↓［ｋ］处阻尼比分别等于ζ↓［１］、ζ↓［２］时的反应谱值与相应的目标反应谱值的均方根误差最小；２）以此类推，再根据阻尼比为ζ↓［ｎ］时的目标反应谱值进行调整时，其初始人工地震波为阻尼比为ζ↓［ｎ－１］时的调整结果，其中：ｎ为整数，表示需要考察的阻尼比的总数；该步调整的目标是使所得到的人工地震波在Ｔ↓［ｋ］处阻尼比分别等于ζ↓［１］、ζ↓［２］…ζ↓［ｎ］时的反应谱值与相应的目标反应谱值的均方根误差最小；以此类推完成所有周期控制点处的调整，得到一条人工地震波；７）检查第０步所得结果，如果这一条人工地震波满足了其相应反应谱的拟合精度要求，停止迭代，否则重复第０步直到结果满足要求。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭凌云，周锡元，俞瑞芳，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]