一种基于地基动力特性时序分离的地基非均质夹层位置的识别方法技术

本发明专利技术属于场地动力检测技术领域，提供一种基于地基动力特性时序分离的地基非均质夹层位置的识别方法，在具有非均质夹层场地条件下，采用谐响应分析技术求解地基动阻抗曲线；以地基动阻抗曲线为依据，改进传统傅里叶变换虚部的拟合形式，使传统的傅里叶变换更适于低频为主的地基脉冲响应函数的时频域变换。根据改进的傅里叶变换进行其中低频时序特征所对应的刚度项和阻尼项的变换，建立结果与均质地基动刚度系数的差异关系，由相关系数识别特殊夹层结构的位置。本发明专利技术以动阻抗曲线为依据，改进傅里叶变换剥离了地基动阻抗虚部的频率相关性，克服了传统傅里叶变换不能直接对以低频为主的地基脉冲响应函数的转换，完整的反映了地基动阻抗的低频特征。了地基动阻抗的低频特征。了地基动阻抗的低频特征。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地基动力特性时序分离的地基非均质夹层位置的识别方法


[0001]本专利技术属于场地动力检测领域，涉及一种基于地基动力特性时序分离的地基非均质夹层位置识别的方法，具体是指在具有非均质夹层场地条件下，采用谐响应分析技术求解地基动阻抗曲线，然后以地基动阻抗曲线为依据，改进传统傅里叶变换虚部的拟合形式，使得传统的傅里叶变换更适于低频为主的地基脉冲响应函数的时频域变换。根据改进的傅里叶变换进行其中低频时序特征所对应的刚度项和阻尼项的拟合，建立结果与均质地基动刚度系数的差异关系，由相关系数识别地基中非均质夹层的位置。

技术介绍

[0002]以地基动阻抗为依据，组合上部结构建立完整的土
‑
结构的相互作用系统进行频域求解是强震条件下分析精细工程结构动力响应的经典方法。其中地基动阻抗一方面反映了地基激励的频率相关性，另一方面反映了地基中不同于均质场地的夹层等特殊构造的动力学影响。土
‑ꢀ
结构动力相互作用体系受频率相关性的影响，只能在频域中求解，因此无法有效地显示地震动场波动传播的特征。在时域土
‑
结构动力相互作用分析中，需要以脉冲响应函数作为地基动力特征的具体表达。
[0003]理论上，时域脉冲响应函数与地基动阻抗是一傅里叶对。但是，脉冲响应函数的离散傅里叶变换显示其具有显著的低频成分构造。采用简单的傅里叶变换方法无法实现地基动阻抗向脉冲响应函数的有效转换。文献中多有这一问题的描述。基于比例边界有限元等方法，由地基模型半解析直接求解脉冲响应函数是目前工程界少数可行的途径。但受方法的限制，比如比例边界有限元很难直接在地基模型中反映水平夹层等地基构造。而采用谐响应分析技术求解地基动阻抗，可很自然地利用有限元模型将特殊地基构造反映出来，但目前仍缺乏由地基动阻抗向脉冲响应函数的数值转换工具。
[0004]当前工程界地基动力特征及其影响的研究多集中于传统的地基动阻抗的分析工具，如载荷试验法、动力触探法、波速试验法。缺乏从地基动阻抗中提取波动场特征的有效手段。本专利技术以谐响应分析技术求解地基动阻抗为出发点，改进传统傅里叶变换虚部的拟合形式，使得地基动阻抗更稳定向时域变换。同时，在理论上转换的刚度项和阻尼项更具有显著的时序特征。通过与均质场地地基动阻抗的比较，可建立与特殊夹层结构位置的关系。
[0005]本专利技术提供了一种以动阻抗曲线为依据，有效识别时序波动特征及地基非均质夹层位置的数值分析方法。特色反映在以下三点：
[0006](1)改进傅里叶变换剥离了地基动阻抗虚部的频率相关性，克服了传统傅里叶变换不能直接对以低频为主的地基脉冲响应函数的时频域转换，完整的反映了地基动阻抗的低频特征；
[0007](2)拟合出的时序系数可有效反映地基中的波动传播特征，可以直接表达为时域脉冲响应函数的形式；
[0008](3)通过与均质场地下的拟合时序系数比较，其差异可直接显示出在地基波动传
播路径中非均质夹层的动力学影响，从而可以识别特殊夹层的位置。

技术实现思路

[0009]本专利技术以谐响应分析技术求解地基动阻抗曲线为基础，改进传统傅里叶变换虚部的拟合形式，使得地基动阻抗更稳定向时域变换。根据改进的傅里叶变换进行其中低频时序特征所对应的刚度项和阻尼项的变换，建立结果与均质地基动刚度系数的差异关系，由相关系数识别特殊夹层结构的位置。
[0010]地基动阻抗曲线可显示地反映地基动力特性随频率变换的关系，求解地基动阻抗的方法有很多。现为验证原理的适用性，以数值算例为例，提前假定夹层的位置，对本专利技术的方法进行阐述。
[0011]本专利技术包括如下步骤：
[0012]第一步，获得真实地基的地基动阻抗曲线
[0013]提前假定夹层的位置，建立不同的地基有限元模型，以谐响应分析技术获得地基动阻抗曲线；谐响应分析是用于计算线性结构在随正弦规律变化的周期载荷作用下的稳态响应；据此，以基础底板所受频域合力幅值除以基础相应的平均变位值，即获得场地在基础底板部位的复数域表征的地基动阻抗曲线；地基夹层位置不同，地基动阻抗曲线也不同；
[0014]第二步，改进的傅里叶变换方法
[0015]由于地基动阻抗曲线的频率相关性，采用传统傅里叶变换不能直接对其进行转换，传统傅里叶变换表达式如公式(1)所示；本方法基于传统傅里叶变换，剥离了地基动阻抗虚部的频率相关性，将地基动阻抗曲线构造成一种新的改进的傅里叶变换表达式，如公式(2)所示；采用改进后傅里叶变换表达式，将地基频域动刚度曲线转换到时域脉冲响应函数，如公式(3)；
[0016][0017][0018][0019]由公式(1)和公式(2)可知，存在以下关系式：
[0020][0021][0022]式中：ω为圆频率；t
j
为时刻点，t
j
＝jΔt；Δt为时间间隔；j为第几个时刻点，取为0、1、2
……
N
‑
1；k
∞
为当前刚度项；k
j
为延迟刚度项；c
∞
为当前阻尼项；c
j
为延迟阻尼项；i为虚部；H(t)为阶段函数；t为时间；
[0023]针对k
∞
，c
∞
的确定，主要有以下3种途径：(1)对于均质地基的k
∞
，c
∞
由解析法直接获得；(2)层状地基的k
∞
、c
∞
由比例边界有限元法求解；(3)在地基有限元模型的基础上，采
用地基区域的最大特征频率的动刚度值代替k
∞
，c
∞
，如公式(6)、公式(7)；
[0024]k
∞
＝S(ω)_real
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0025][0026]式中：f
max
为最大特征频率值；S(ω)
‑
real为最大特征频率值对应地基动阻抗的实部； S(ω)
‑
imag为最大特征频率值对应地基动阻抗的虚部；
[0027]式(2)写成：
[0028][0029]式中：ω
i
为圆频率，f
i
为频率，二者关系为ω
i
＝2πf
i
；θ
ij
＝ω
i
t
j
和t
j
＝jΔt， j＝0、1、2
…
N
‑
1；
[0030]下面给出的阻抗数据{D(ω
i
)}与未知脉冲响应分量{G
k
}、{G
c
}之间的联立方程关系：
[0031][0032]其中，
[0033][0034][0035][0036][0037]式(13)和式(14)的系数矩阵大小为2M
×
2N，其中，M为给定阻抗数据个数，N为即时分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于地基动力特性时序分离的地基非均质夹层位置的识别方法，其特征在于，步骤如下：第一步，获得真实地基的地基动阻抗曲线提前假定夹层的位置，建立不同的地基有限元模型，以谐响应分析技术获得地基动阻抗曲线；谐响应分析是用于计算线性结构在随正弦规律变化的周期载荷作用下的稳态响应；据此，以基础底板所受频域合力幅值除以基础相应的平均变位值，即获得场地在基础底板部位的复数域表征的地基动阻抗曲线；地基夹层位置不同，地基动阻抗曲线也不同；第二步，改进的傅里叶变换方法由于地基动阻抗曲线的频率相关性，采用传统傅里叶变换不能直接对其进行转换，传统傅里叶变换表达式如公式(1)所示；本方法基于传统傅里叶变换，剥离了地基动阻抗虚部的频率相关性，将地基动阻抗曲线构造成一种新的改进的傅里叶变换表达式，如公式(2)所示；采用改进后傅里叶变换表达式，将地基频域动刚度曲线转换到时域脉冲响应函数，如公式(3)；式(3)；式(3)；由公式(1)和公式(2)可知，存在以下关系式：由公式(1)和公式(2)可知，存在以下关系式：式中：ω为圆频率；t
j
为时刻点，t
j
＝jΔt；Δt为时间间隔；j为第几个时刻点，取为0、1、2
……
N
‑
1；k
∞
为当前刚度项；k
j
为延迟刚度项；c
∞
为当前阻尼项；c
j
为延迟阻尼项；i为虚部；H(t)为阶段函数；t为时间；针对k
∞
，c
∞
的确定，主要有以下3种途径：(1)对于均质地基的k
∞
，c
∞
由解析法直接获得；(2)层状地基的k
∞
、c
∞
由比例边界有限元法求解；(3)在地基有限元模型的基础上，采用地基区域的最大特征频率的动刚度值代替k
∞
，c
∞
，如公式(6)、公式(7)；k
∞
＝S(ω)_real
ꢀꢀꢀꢀ
(6)式中：f
max
为最大特征频率值；S(ω)_real为最大特征频率值对应地基动阻抗的实部；S(ω)_imag为最大特征频率值对应地基动阻抗的虚部；式(2)写成：
式中：ω
i
为圆频率，f
i
为频率，二者关系为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建波，陈苗苗，李志远，程峰，牛燕如，周磊，林皋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：