一种考虑真实波相位特征的人工波生成方法技术

本发明专利技术属于核电设备工程抗震安全分析与评价技术领域，提供了一种考虑真实波相位特征的人工波生成方法，发展了一种新的窄带时程构造方法，其在时域和频域内均具有窄带特性，且避免了由于傅里叶变换导致的振铃效应，这种新的窄带时程被称为标准输入时程。在频域调整的基础上，首先使用此标准输入时程扣除顽固点；然后采用跳点式时域精细化再调整的策略循环迭代调整，以减轻叠加校正时程对相邻频率控制点处反应谱值的影响；最后，比例缩放人工地震波，使其满足相关核电规范要求。本发明专利技术生成的考虑真实波相位特征的人工地震波在满足设计谱安全性、保守性要求的同时，与传统人工波拟合过程获得的人工波相比，其与真实波具有相似的相位特征和高相关性。的相位特征和高相关性。的相位特征和高相关性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑真实波相位特征的人工波生成方法


[0001]本专利技术属于核电设备工程抗震安全分析与评价
，涉及一种考虑真实波相位特征的人工波生成方法，具体是指以目标反应谱为依据，采用真实波相位特征和强度包络线，通过频域与时域调整生成具有真实波相位特征的拟合目标反应谱的人工地震动。

技术介绍

[0002]随着核电设施、超高层建筑、海洋平台、大跨桥梁等重要结构工程的大量建设,人们逐渐认识到对这些重大结构若仅按地震反应谱法进行设计是不够的,需要对上述重要结构进行地震反应的时程分析,以便进行校核。在地震反应的时程分析中应首先确定作为外荷载的地震加速度时程。虽然过去几十年中实际地震动记录的数量已大大增加，但由于地震记录处的场地条件与我们研究的场地条件可能有很大差异，而且有时我们需要一组满足相同统计特征的地震动，使得已有的实际地震动还远远不能满足实际需要，因而模拟具有某些特性参数的地面运动一直是地震工程中的一个重要研究领域。
[0003]加速度时程傅里叶相位谱对时程的强度非平稳性和频率非平稳性具有不可忽略的影响，在生成用于重大工程地震反应分析的人工地震动时程时，考虑真实地震波的相位特征，有助于使人工地震动时程符合真实地震动强度和频率非平稳性特征。
[0004]目前，在生成拟合目标反应谱加速度时程时，首先将加速度目标反应谱换算成功率谱；然后计算得到傅里叶幅值谱，并根据随机相位角均匀分布假定，生成各傅里叶谱线对应的随机相位角；最后，由三角级数叠加的形式形成初始人工地震波时程。
[0005]然而，上述人工波拟合过程只是从目标反应谱的近似关系出发得到功率谱即平均傅立叶谱，同时采用随机相位角，均没有体现目标波的相位特征；迭代过程中的强度包络线一般也为统计结果，认为其与震级大小、震中距的远近等因素有关，不针对某一目标波。

技术实现思路

[0006]本专利技术基于真实波相位特征，采用频域和时域联合调整的方法。该方法使用真实波傅里叶相位角作为初始波相位角，并将真实波强度包络线作为拟合过程中调整人工波波形的包络线，采用频域粗略调整、时域扣除顽固点、跳点式时域精细化再调整的系统性策略，可生成高精度拟合目标反应谱，并与真实波具有高相关性的人工地震动加速度时程。
[0007]本专利技术包括如下步骤：
[0008]第一步，从加速度目标反应谱换算功率谱
[0009]加速度反应谱与功率谱之间存在下列近似关系：
[0010][0011]式中，G(ω)是功率谱，是目标加速度反应谱，T
d
为地震动持时，r为超越概率，一般取(5％
‑
10％)，ζ为阻尼比。
[0012]第二步，生成初始人工地震波
[0013]幅值谱与目标功率谱存在如下关系：
[0014][0015]其中，F(ω
k
)＝F
*
(ω
N
‑
k
)，k＝(N/2)+1,...,N
‑
1，ω≥0Δω＝2π/T
t
。
[0016]此时，由于|F(ω
k
)|为双边傅立叶幅值谱，故除谱线折返点外，|F(ω
k
)|为单边傅立叶幅值谱的一半。
[0017]然后，选取真实地震波，进行傅里叶变换，得到其相位角，并将之作为初始人工地震波各傅立叶谱线对应的相位角。
[0018]最后，由三角级数叠加的形式形成初始人工地震波时程，如下式：
[0019][0020]式中，|F(ω
k
)|是第k个谐波分量的傅氏谱幅值，ω
k
为相应的角频率，为傅氏相位。0～N
‑
1点是时程数据的时刻点编号。
[0021]第三步，为克服随机数的盲目性，在比例缩放初始人工波峰值到设计地震动峰值的基础上，再在初始人工波上叠加强度包络线，以控制生成的时程曲线的形状，使其更具有真实地震波的轮廓特征。本专利技术将时程X(t)乘以非平稳强度包线，得到幅值非平稳的加速度时程
[0022]a
g
(t)＝ψ(t)
·
X(t)
ꢀꢀ
(4)
[0023]式中，ψ(t)为非平稳强度包线函数，传统人工波生成方法中非平稳强度包线可分为直线上升段、水平段以及指数下降段。这样得到的人工波时程虽然具有强度非平稳性，但对人工波的波形和相位特征产生很大改变，因此，本专利技术使用根据所选取的真实地震波由人工勾勒得到的强度包线，这样既可以使人工波时程具有强度非平稳性，又不会对其波形和相位特征产生太大影响。
[0024]第四步，频域调整。由于反应谱与功率谱的转换公式是近似关系，所以按初始时程a
g
(t)计算出来的反应谱一般只近似于目标谱，符合的程度也是概率平均的，而在初始波形的基础上乘以强度包络曲线的操作，对计算反应谱同样会产生影响，使计算谱与目标反应谱之间存在明显的差异。为了提高拟合精度，还需要进行迭代调整。本专利技术采用傅立叶幅值谱的调节方法，描述如下：
[0025]为了控制时程反应谱的拟合精度，计算在控制频率点ω
j
的目标反应谱与计算反应谱值S
a
(ω
j
)之比。
[0026][0027]对控制频率点ω
i
处的傅立叶幅值进行如下调整。公式如下：
[0028]|F(ω
i
)|
j+1
＝|F(ω
i
)|
j
·
R(ω
i
)
ꢀꢀ
(6)
[0029]式中，|F(ω
i
)|
j
表示第j次计算过程使用的傅立叶幅值，|F(ω
i
)|
j+1
表示经调整后的第j+1次计算过程所采用的傅立叶幅值。根据拟合反应谱与目标反应谱之间的差别，修正各谱线频谱幅值，重新合成时程曲线，直到拟合反应谱与目标反应谱在精度控制各频率点处小于容差。
[0030]在上述校正过程中，对各控制频率处的反应谱取值贡献较大的谐波分量一般是邻
近该控制频率的少数几个，这既与线性振子的自振频率ω
i
及谐波频率ω
k
有关，又与谐波的幅值(即傅立叶幅值)有关，因此在精度调整时，仅对这些贡献较大的谐波分量进行调整即可，便可取得较好的效果，而对远离控制频率的谐波分量进行调整，效果甚微。这样既可以提高计算效率，又可以减少对ω
i
取其它值时的干扰。
[0031]具体做法是，将傅立叶幅值谱的调整仅局限在控制频率ω
i
附近的N
2i
‑
N
1i
个傅立叶分量。与N
1i
和N
2i
对应，ω
1i
和ω
2i
按下述方法选取
[0032][0033][0034]频段本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑真实波相位特征的人工波生成方法，其特征在于包含以下步骤：第一步，从加速度目标反应谱换算功率谱加速度反应谱与功率谱之间存在下列近似关系：式中，G(ω)是功率谱，是目标加速度反应谱，T
d
为地震动持时，r为超越概率，取5％
‑
10％，ζ为阻尼比；第二步，生成初始人工地震波幅值谱与目标功率谱存在如下关系：其中，F(ω
k
)＝F
*
(ω
N
‑
k
)，k＝(N/2)+1，...，N
‑
1，ω≥0Δω＝2π/T
t
；此时，由于|F(ω
k
)|为双边傅立叶幅值谱，故除谱线折返点外，|F(ω
k
)|为单边傅立叶幅值谱的一半；然后，选取真实地震波，进行傅里叶变换，得到其相位角，并将之作为初始人工地震波各傅立叶谱线对应的相位角；最后，由三角级数叠加的形式形成初始人工地震波时程，如下式：式中，|F(ω
k
)|是第k个谐波分量的傅氏谱幅值，ω
k
为相应的角频率，为傅氏相位；0～N
‑
1点是时程数据的时刻点编号；第三步，为克服随机数的盲目性，在比例缩放初始人工波峰值到设计地震动峰值的基础上，再在初始人工波上叠加强度包络线，以控制生成的时程曲线的形状，使其更具有真实地震波的轮廓特征；将时程X(t)乘以非平稳强度包线，得到幅值非平稳的加速度时程：a
g
(t)＝ψ(t)
·
X(t)
ꢀꢀ
(4)式中，ψ(t)为非平稳强度包线函数，传统人工波生成方法中非平稳强度包线可分为直线上升段、水平段以及指数下降段，这样得到的人工波时程虽然具有强度非平稳性，但对人工波的波形和相位特征产生很大改变，因此，本发明使用根据所选取的真实地震波由人工勾勒得到的强度包线，这样既可以使人工波时程具有强度非平稳性，又不会对其波形和相位特征产生太大影响；第四步，频域调整；采用傅立叶幅值谱的调节方法，描述如下：为了控制时程反应谱的拟合精度，计算在控制频率点ω
j
的目标反应谱与计算反应谱值S
a
(ω
j
)之比；对控制频率点ω
i
处的傅立叶幅值进行如下调整，公式如下：|F(ω
i
)|
j+1
＝|F(ω
i
)|
j
·
R(ω
i
)
ꢀꢀ
(6)式中，|F(ω
i
)|
j
表示第j次计算过程使用的傅立叶幅值，|F(ω
i
)|
j+1
表示经调整后的第j+1次计算过程所采用的傅立叶幅值；根据拟合反应谱与目标反应谱之间的差别，修正各谱线频谱幅值，重新合成时程曲线，直到拟合反应谱与目标反应谱在精度控制各频率点处小
于容差；将傅立叶幅值谱的调整仅局限在控制频率ω
i
附近的N
2i
‑
N
1i
个傅立叶分量；与N
1i
和N
2i
对应，ω
1i
和ω
2i
按下述方法选取：按下述方法选取：频段(ω
1i
，ω
2i
]被称为ω
i

【专利技术属性】
技术研发人员：程峰，李建波，陈苗苗，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：