基于小波方法的近断层方向性脉冲和滑冲脉冲特性研究

Most recent studies on near fault pulses do not taken into account the differences of two kinds of pulses with forward directivity and fling step effects, and the empirical method for pulse classifying is inefficiency and not accurate enough to identify pulse characteristics. Dealing with the problems in former empirical approach,this project will introduce a quantitative method based on wavelet transform to automaticly indentify pulse characteristics of near-fault strong motions, increasing the efficiency and precision of pulse classifying. Using the introduced method to classify the two kinds of pulses with forward directivity and fling step effects, the effects of seismic source, fault distance and site condition on period and amplitude of two kinds of pulses will be investigated based on least square regression and residual analysis, to reveal the quantitative relation between the period and amplitude of two kinds of pulses with magnitude, fault distance and site condition. Analyzing time-frequency characteristics of forward directivity pulses, fling step pulses and non-pulse records using 3D time-frequency power spectra, investigating energy distribution characteristics of two kinds of pulses in the time and frequency domain,to reveal the inner charactersitics that cause the remarkable differences in seismic response of two kinds of pulses.The studies of this project are significant to further understand the characteristics of pulse motion and its influential mechanism on structures.

目前地震动的脉冲特性的研究尚缺少对脉冲的不同形成机制的考虑，其对脉冲的识别主要依靠直观经验，效率较低且难以实现对脉冲特征的精确识别。本项目将针对经验识别方法存在的问题，提出一种基于小波变换的脉冲定量识别方法，以实现对脉冲特征的程式化识别，提高识别的效率和精度。利用该方法对方向性效应和滑冲效应引起的两种脉冲进行识别和分组，基于最小二乘回归和残差分析的方法，探讨震源特性(震级、断层类型和破裂方向性)、断层距离和场地条件对这两种脉冲的特征周期和幅值的影响，明确脉冲的周期、幅值与震级、断层距离和场地条件之间的定量关系。利用三维小波时-频功率谱分析方向性脉冲、滑冲脉冲和无脉冲记录的时-频特性，研究两种脉冲在时间和频率域上能量分布的瞬时和局部特征，从能量的角度揭示这两种脉冲对结构的影响具有显著不同的特点的内在原因。本项目的研究对于进一步认识近断层地震动的脉冲运动特性及其对结构的影响机理具有重要意义。

针对速度脉冲的经验识别方法效率低且难以实现脉冲特征精确识别的问题，提出一种基于小波变换的脉冲定量识别方法。在实现对速度大脉冲的程式化识别的基础上，利用收集到的美国NGA强震动数据库中的速度脉冲记录，结合2008年汶川8.地震和2013年芦山7.0级地震的新资料，（1）基于多参数回归分析方法揭示了近断层速度大脉冲的特征周期和幅值受震级、断层类型和破裂方向性、断层距离和场地条件的影响特点和规律，给出脉冲的特征周期和幅值参数与震源、断层距离和场地条件之间的定量关系。（2）基于偏差系数方法定量揭示了速度大脉冲对反应谱的放大作用随特征周期变化的特点，得到了放大系数Af随特征周期比值T/Tp变化的定量关系，可用于近断层场地脉冲作用条件下对反应谱的修正。（3）利用三维小波时-频功率谱分析近断层脉冲和无脉冲记录的时-频特性，研究发现速度脉冲具有很高的长周期能量，集中在很短的时间尺度和频率范围内，这造成了近断层脉冲记录的极强的时频非平稳性。（4）脉冲记录的PGV随方位角显著变化，存在明显的极大和极小方向，不同方向上脉冲PGV最大值可达最小值的3.9倍，显著脉冲仅出现在特定方位角范围。滑冲脉冲记录的的分布靠近地表破裂位置，其最大脉冲方向垂直于发震断层，这种脉冲的产生与断层的逆冲运动机制和破裂出露至地表密切相关；方向性脉冲记录分布在破裂扩展前方的区域，最大脉冲方向沿地震波传播的方向。本项目研究结果将为今后的近断层建、构筑物抗震设防以及制定下一代规范设计反应谱提供重要参考。