工程地震动随机场非平稳各向异性特征分析与物理建模

Stochastic modeling of seismic ground motion fields is considered as the foundation of structural seismic analysis and design. This project focuses on the analysis of seismic ground motion spatial variation and the stochastic modeling of non-stationary anisotropic ground motion fields for engineering purposes. First, the realistic records of the spatial variable seismic ground motions are collected and classified by magnitude, epicentral distance, hypocentral distance and shear wave velocity of local site. The generalized harmonic wavelet is applied to calculate the evolutionary power spectrums and the time-varying cross spectrums, which describe the non-stationary and anisotropic characteristics of the realistic ground motion records. Then, some earthquake source, path and local site models are chosen to build the physical model of the seismic ground motion fields. By applying the generalized harmonic wavelet translation method to solve the earthquake wave equation, the non-stationary anisotropic ground motion field model is represented. At last, based on the physical random system theory, the parameters in the seismic ground motion field model are treated as random variables. Using the parametric sample values, which are identified by the realistic records, the probability density functions of the random parameters could be obtained. The complete physical model of seismic ground motion field has a random functional form, which is an explicit function with the random parameters, and is available in the nonlinear seismic reliability evaluation of large span structures, bridges and lifeline systems.

地震动场的随机建模是工程结构抗震研究的重要问题之一。项目拟以场地空间变化地震动为研究对象，建立非平稳各向异性的地震动随机场物理模型。研究内容包括：全面收集现有实测空间变化地震动数据并分组，利用基于广义谐和小波变换的时间序列分析方法对实测地震动数据的非平稳各向异性特征进行挖掘与分析；选取合理的地震震源、传播途径和局部场地模型，采用广义谐和小波变换理论定性求解地震波波动方程，获得能够反映实测地震数据非平稳各向异性特征的地震动场物理模型；依据物理随机系统的基本观点，将地震动场模型中的基本物理参量处理为随机变量并对其进行识别与统计，最终建立具有显式随机函数形式的工程地震动随机场物理模型。项目拟提出的地震动随机场物理模型能够准确反映实测空间变化地震动的非平稳各向异性特征，可为大型复杂工程结构和生命线系统的非线性抗震可靠度评价提供理论基础和技术依据。

大跨度工程结构随机地震响应分析和抗震可靠性评价一直以来是地震工程领域研究的热点和难点。之前研究表明，空间变化地震动的非平稳和各向异性特性会对大跨度结构的非线性响应产生显著影响。基于此，本项目利用广义谐和小波变换，发展了具有明确物理意义的工程地震动随机场模型，为大跨度结构的随机地震响应分析和抗震可靠度评价提供理论依据和应用基础。. 经过三年研究工作，项目取得进展如下：(1).发展了利用广义谐和小波估计非平稳时间过程演变功率谱和时变互谱的方法，推导获得了非平稳过程演变功率谱和时变互谱的估计公式；(2).对实测非平稳地震动记录的演变功率谱进行了估计，提出了一个地震动演变功率谱的经验模型，模型能够描述地震动不同频率分量的强度随时间的变化；(3).对地震断层断裂过程进行建模，发展了一个物理意义明确的地震动演变功率谱模型，模型由强度包络曲线和地震谱两部分组成，模型参数可通过地震震源机制和地震动谱拟合获得；(4).对实测空间变化地震动的时变互谱进行了估计，基于随机介质的波动传播理论提出了一个非平稳地震动的时变相干函数，模型考虑了地震动相关性随空间方向的变化，其非平稳特性由模型参数的时变性描述；(5).基于行波地震作用下多支座单自由度体系的响应计算，发展了行波地震反应谱的概念；(6).采用谱表现方法模拟获得了非平稳空间变化地震动时程样本，并将其应用于千米级斜拉桥和大跨度钢框架煤棚的地震响应分析和安全性评价。. 本项目的关键结果是提出了一个具有明确物理意义的地震动随机场模型。模型由演变功率谱和时变相干函数两部分组成，能够准确表述实测空间变化地震动的非平稳和各向异性特征。本项目提出的地震动随机场物理模型充分考虑了地震动形成的物理背景，描述了地震震源几何特征、震源运动学参量、场地土层特性等物理因素对空间变化地震动非平稳性的影响，为基于物理随机系统观点的工程结构非线性抗震可靠性分析提供了理论基础和技术支持。