考虑地震环境及其目标谱不确定性的实际地震动选择和调整方法研究

The issue of determining ground motion input reasonably is the necessary condition for performing structural seismic assessment. However, the majority popular approaches of selecting records at present do not take full account of the inherent variance of seismic environment and its target spectrum; it is not conducive to obtain un-biased structural response. With an aim to capture the probability distribution characteristics of structural seismic response, an optimized real ground motion records selection and modification method (GMSM) considering the uncertainty of target spectrum will be developed in this study. For ground motion selection issue, we will quantitatively study the influence of such factors including magnitude and distance on the structural nonlinear seismic response, thus stating key elements and allowable error for selecting records in term of the target seismic environment where the structure is located. For ground motion modification issue, by means of multivariate Monte Carlo stochastic simulation method and the spectral shape parameter will be introduced to optimize the scaling approach which can match the mean and variance of target spectrum, so the uncertainty characteristics of seismic hazard level could be adequately represented in the modified ground motion input. Furthermore, strong ground motion database and search engines will be established to determine records programmatically and efficiently. Given that ground motion input plays an important role in predicting structural nonlinear response, this project can lay the important theoretical significance and applied value for evaluation of probability-based seismic performance of buildings under scenario earthquakes.

合理确定地震动输入是保证结构性能评估有效实施的必要条件，目前的地震动选取方法缺乏对地震环境及其目标谱不确定性特征的充分考虑，不利于实现对结构地震反应的无偏估计。本项目将基于实际地震动记录，着眼于有效获取特定地震环境下结构地震反应的概率分布特征，研究可考虑目标谱不确定性的地震动选择和调整方法。在地震动选择方面，通过定量分析震级、距离偏差对结构非线性地震反应的影响，研究匹配结构所处地震环境所容许的偏差范围，给出地震动选择的判断准则；在地震动调整方面，借助多元随机模拟方法，考虑地震动谱形的影响，发展可同时匹配目标谱均值、方差等统计特征的地震动优化调整方法，使调整后的记录能够充分反映地震危险性水平的不确定性特征。建立强震记录数据库搜索引擎，实现地震动记录选择和调整的高效程序化处理。鉴于地震动输入对于结构地震反应估计的重要影响，本研究对特定地震环境下基于概率的结构性能评估具有重要理论意义和应用价值。

合理确定地震动输入是应用非线性动力分析方法进行结构抗震性能评估中的一个关键环节。为了使确定的地震动输入能够满足工程场点未来可能遭遇的地震危险性水平需求，本项目开展了考虑地震环境及其目标谱不确定性的实际地震动选择和调整方法研究。首先通过分析震级、距离等因素对结构非线性地震反应的影响，研究匹配结构所处地震环境所需要考虑的判断准则,相对于距离，震级、场地条件和断层类型应是主要考虑因素；另外通过对不同周期对应的加速度反应谱向量与结构地震反应的统计分析，进一步地震动记录调整中所需要控制的关键周期范围；在确定地震动输入的样本容量方面，研究了大样本地震动作用下结构非线性地震反应取值方式的统计特征，借助于假设检验分析了结构地震反应的概率分布模型，在此基础上给出了基于一致可靠度的地震动样本容量确定方法，为保证在小样本地震动输入下结构地震反应估计值满足给定可靠度和容许误差提供了分析方法和判断依据。在已有研究成果的基础上，借助蒙特卡洛模拟方法，考虑地震动谱形的影响，通过生成随机模拟谱来匹配目标谱多元对数正态分布特征，并采用反应谱形参数优化了地震动记录的选择和调整方法。与通常采用的确定性地震动选取方法相比，所提出的方法能够有效匹配目标谱均值、标准差和谱相关性，较好地反映地震危险性水平本身的不确定特征，且具有较高的选取效率和匹配精度。鉴于目标谱不确定性对结构易损性分析结果的重要影响，研究成果能够能够有效地匹配目标谱均值、标准差和谱相关性，较好地反映了地震危险性水平本身的不确定特征，且具有较高的选取效率和匹配精度，该成果能够为设定地震环境下基于概率的结构抗震性能评估提供合理可靠的方法依据。