基于时-频功率谱的地震动空间相关特性研究

地震时地面运动是一个复杂的时－空变化过程，在时域和频域都表现出明显的非平稳特性。由于频率非平稳地震输入关乎结构非线性计算结果的正确与否，因此在描述地震动空间变化的同时考虑其频率的非平稳特性，发展相应的抗震设计方法，对保证大跨空间结构安全有着极为重要的作用。本项目拟基于多个密集台阵中不同台站之间强震观测加速度记录的时－频互功率谱，建立能够同时表征地震动强度和频率非平稳特性的时变相干函数模型；并分析和讨论模型参数随震级、距离和场地条件的变化规律，实现时变相干函数模型对具体工程场地的应用；最后基于建立的时变相干函数模型，按照目标场地参数拟合具有频率非平稳特性的空间相关多点地震加速度时程，检验所建模型对工程尺度范围内地震动空间特性反应的合理性并提出相应的检验方法。本项目研究内容的完成将为合理描述空间地震动输入、发展物理意义明确、易于工程设计人员掌握的计算模型和抗震设计方法提供有益的理论依据。

地震动的空间变化对于大跨度空间结构的地震响应有重要影响。因此，基于新的认识和新的密集台阵地震观测资料，合理描述地震动空间变化规律、建立能够考虑地震动非平稳特性的空间相关多点地震动输入方法，对大跨空间结构的抗震分析具有重要意义。本项目基于国内外密集台阵地震加速度记录，运用数字信号处理技术，对不同地震分量的空间变化特性进行了分析，并在此基础上对能够考虑地震动频率非平稳特性的空间相关多点地震动的拟合方法进行了探讨，得到了以下主要结论：. 1. 通过对不同台阵地震加速度记录的分析，得到了大震远场、中震近场条件下地震动空间变化的主要特性：（1）相同场地条件下，局部区域范围内不同台站加速度记录的傅里叶谱值的变化与距断层的距离有关，即距断层越远，其幅值谱越低，变异系数越小；但这种变化不受震源机制的影响；（2）不同台站记录的幅值谱的变化与频率、方向及台站间的高差相关：水平方向记录在低频部分幅值变化基本一致，在高频部分差异较大，且台站相对位置的增高对幅值有较明显的放大；竖向加速度记录在整个频段内的变化基本一致；（3）不同台站间相干函数随频率和空间相对距离的增大而逐渐减小的趋势明显，但其在低频和高频段内变化速率有所不同，存在“拐点频率”，且此频率随震中距的增大而增大；（4）局部场地条件影响相干函数在高频部分的变化，出现剧烈交替的峰和谷，但对其随频率增大而减小的变化趋势影响不明显；然而台站所在地形将影响相干函数在高频部分的变化趋势，使其在高频部分随频率的增加有逐渐增大的趋势。这些影响随着空间相对距离的增大而减小。 . 2. 基于对地震加速度记录相干函数随距离、频率变化规律的研究，以及对现有函数模型的分析，给出了震中距对相干函数变化速率影响的“拐点频率”取值，建立了分频段相干函数模型，并拟合给出了适合于大震远场、中震近场条件的模型参数。. 3. 基于一维连续小波变换，给出了随频率变化的地震动幅值的包线函数，建立了能够考虑地震动频率非平稳特性的空间相关多点地震动拟合方法。通过实例分析表明，本项目给出的方法能够较好地反应地震动频率随时间变化的特性。