人工生成断层地震动简化方法与流程

1.本发明涉及抗震设计技术领域，尤其涉及人工生成断层地震动简化方法。


背景技术：

2.地面永久位移是指在地震过程中由于断层错动引发的地面变形，如图1和2 所示的中国台湾集集地震台站tcu067东西方向的地震加速度、速度及位移时程，相应的永久位移约为131.4cm，断层地震破坏的主要原因是建筑物距离断层破裂面很近(20km内)，地震动时程中含有短时脉冲，将地震动的大部分能量在短时间内输入建筑结构，使结构在短时间内产生强烈振动，进而对结构产生巨大的破坏作用，因此在进行大跨度桥梁、高速铁路线、输油管线、江河堤坝等长周期结构的抗震设计时，就需要关注地震输入的位移，特别是近断层有永久位移存在的情况。
3.很多建筑物和构筑物处在断层区域，甚至有些大跨度结构横跨断层，因此设计人员需要获得满足一定条件的地震输入，在断层情况下要求满足场地相关的加速度反应谱、峰值加速度、地震动的速度脉冲特性和地面永久位移，但实测地震波的缺乏，在实际工程应用很难从实际地震记录中找到满足包含地面永久位移的地震加速度时程作为地震输入数据，因此需要基于不同的目标发展相应的地震动模拟方法，来满足工程应用的需要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的人工生成断层地震动简化方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：人工生成断层地震动简化方法，包括以下步骤：
6.s1：形成初始地震时程曲线；
7.s2：对初始地震动叠加fling-step(滑冲)；
8.s3：修改叠加fling-step参数。
9.为了形成初始地震时程曲线，本发明的改进有，所述步骤s1具体为根据规范的加速度反应谱，从实际地震记录中挑选与目标加速度反应谱符合较好的加速度记录作为初始时程a0(t)，对加速度时程a0(t)进行积分，获得相应的速度时程 v0(t)和位移时程d0(t)。
10.为了对初始地震动叠加fling-step，本发明的改进有，所述步骤s2具体为将fling-step参数化为正弦波的单个周期，并将其叠加在初始时程上。
11.为了防止重复计数频率，本发明的改进有，所述步骤s3具体为防止叠加过程中重复计数频率造成的高估，用互补低通滤波器过滤fling-step时程，将 fling-step转变为具有更长周期tf和更早起始时间t的单周期正弦波。
12.为了提取fling-step参数，本发明的改进有，所述步骤s2中fling-step 参数的提取过程如下：
13.(1)d
site
：特定分量振幅
[0014][0015]
式中r
rup
为破裂距离(km)，r
x
为距断层的水平走向的法向距离，d
fault
是破裂平面上的平均滑移，a0表示描述了在r
rup
＝0距离处fw上位移，a4描述了在r
rup
＝ 0距离处hw和fw位移之差，a3为允许衰减中的曲率，a2描述了时程曲线的斜率；
[0016]
(2)t
f1
：正弦波周期
[0017]
从所有模拟时间历程中提取滑冲周期，并检查其对故障类型、幅度、倾角和距离的依赖性，正弦波周期的表达式
[0018]
1og(t
f1
)＝1.16m-6.42
[0019]
(3)t1：起始时间
[0020]
为了重建包含永久位移的时程，将起始时间t1设置为近似等于s波到达时间。
[0021]
为了修改叠加fling-step参数，本发明的改进有，所述步骤s3中修改叠加fling-step参数的方法为：
[0022]
为了防止叠加过程中重复计数频率造成的高估，采用互补低通滤波器过滤了滑冲效应时程曲线，其结果是具有更长周期和更早起始时间的单周期正弦波，则修正的正弦波周期表示为：
[0023]
log(t
f2
)＝0.645m-1.45
[0024]
可以看出t
f2
和t
f1
的形式是一致，修正的起始时间移动了两个周期之差的一半，表示为
[0025]
t2＝t
1-0.5(t
f2-t
f1
)。
[0026]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
[0027]
本发明中，通过采用向已处理的地面运动叠加fling-step，实现包含地面永久位移的近断层地震加速度时程的拟合方法，得到的地震加速度记录，除了能够满足加速度反应谱、峰值加速度并能够反映出近断层地震动速度脉冲的特性，同时能够表现地面永久位移，在进行抗震设计时能够提供参考性极高的地震加速度行程的输入数据，满足工程应用的需求。
附图说明
[0028]
图1为中国台湾集集地震tcu067台站记录的地面运动的e-w分量的地震加速度、速度及位移时程的示意图；
[0029]
图2为叠加滑冲效应后中国台湾集集地震tcu067台站记录的地面运动的e-w分量的地震加速度、速度及位移时程的示意图；
[0030]
图3为本发明提出人工生成断层地震动简化方法的流程示意图。
具体实施方式
[0031]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的
特征可以相互组合。
[0032]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0033]
请参阅图1-3，本发明提供人工生成断层地震动简化方法，包括以下步骤：
[0034]
s1：形成初始地震时程曲线；
[0035]
s2：对初始地震动叠加fling-step(滑冲)；
[0036]
s3：修改叠加fling-step参数。
[0037]
步骤s1具体为根据规范的加速度反应谱，从实际地震记录中挑选与目标加速度反应谱符合较好的加速度记录作为初始时程a0(t)，对加速度时程a0(t)进行积分，获得相应的速度时程v0(t)和位移时程d0(t)，步骤s2具体为将fling-step参数化为正弦波的单个周期，并将其叠加在初始时程上，步骤s3具体为防止叠加过程中重复计数频率造成的高估，用互补低通滤波器过滤fling-step时程，将 fling-step转变为具有更长周期tf和更早起始时间t的单周期正弦波。
[0038]
步骤s2中fling-step参数的提取过程如下：
[0039]
(1)d
site
：特定分量振幅
[0040][0041]
式中r
rup
为破裂距离(km)，r
x
为距断层的水平走向的法向距离，d
fault
是破裂平面上的平均滑移，a0表示描述了在r
rup
＝0距离处fw上位移，a4描述了在r
rup
＝ 0距离处hw和fw位移之差，a3为允许衰减中的曲率，a2描述了时程曲线的斜率；
[0042]
(2)t
f1
：正弦波周期
[0043]
从所有模拟时间历程中提取滑冲周期，并检查其对故障类型、幅度、倾角和距离的依赖性，正弦波周期的表达式
[0044]
log(t
f1
)＝1.16m-6.42
[0045]
(3)t1：起始时间
[0046]
为了重建包含永久位移的时程，将起始时间t1设置为近似等于s波到达时间。
[0047]
步骤s3中修改叠加fling-step参数的方法为：
[0048]
为了防止叠加过程中重复计数频率造成的高估，采用互补低通滤波器过滤了滑冲效应时程曲线，其结果是具有更长周期和更早起始时间的单周期正弦波，则修正的正弦波周期表示为：
[0049]
log(t
f2
)＝0.645m-1.45
[0050]
可以看出t
f2
和t
f1
的形式是一致，修正的起始时间移动了两个周期之差的一半，表示为
[0051]
t2＝t
1-0.5(t
f2-t
f1
)。
[0052]
实施例
[0053]
人工生成断层地震动简化方法，包括以下步骤：
[0054]
形成初始地震时程曲线
[0055]
根据规范的加速度反应谱，从实际地震记录中挑选与目标加速度反应谱符合较好的加速度记录作为初始时程a0(t)，对加速度时程a0(t)进行积分，获得相应的速度时程v0(t)和位移时程d0(t)。
[0056]
确定初始地震波叠加fling-step参数
[0057]
将滑冲效应参数化为正弦波的单个周期，使得加速度(af)、速度(vf)和位移 df)时间历程具有以下形式：
[0058][0059][0060][0061]
其中d
site
是位移的特定分量振幅，tf是正弦波周期，t是叠加fling-step的起始时间，确定相关参数，以图1-3所示来说明参数。
[0062]
(1)d
site
：特定分量振幅
[0063][0064]
式中r
rup
为破裂距离(km)，r
x
为距断层的水平走向的法向距离，d
fault
是破裂平面上的平均滑移，可以表示为
[0065]
ln(d
fault
)＝1.15m-3.28
ꢀꢀꢀ
(5)
[0066]
在公式(4)中a0表示描述了在r
rup
＝0距离处fw上位移，a4描述了在r
rup
＝0 距离处hw和fw位移之差，a3为允许衰减中的曲率，a2描述了时程曲线的斜率，具体如下：
[0067][0068]
(2)t
f2
：修正的正弦波周期
[0069]
从所有模拟时间历程中提取滑冲周期，并检查其对故障类型、幅度、倾角和距离的依赖性，正弦波周期的表达式
[0070][0071]
为了防止叠加过程中重复计数频率造成的高估，采用互补低通滤波器过滤了滑冲效应时程曲线，其结果是具有更长周期和更早起始时间的单周期正弦波，则修正的正弦波周期表示为：
[0072]
log(t
f2
)＝0.645m-1.45
ꢀꢀ
(8)
[0073]
(3)t2：起始时间
[0074]
为了重建包含永久位移的时程，将起始时间t1设置为近似等于s波到达时间，具体步骤如下：
[0075]
对地震信号a0(t)进行等间隔δt离散化后得长度为n的序列{xi}，定义此信号的震动瞬态幅值变化差为
[0076]
pi＝x
i 1-xi，0≤i≤n-2
ꢀꢀꢀ
(9)
[0077]
同时定义物体震动幅值的变化量值
[0078][0079]
则序列{ei}在物理意义上表示物体瞬态震动能量变化率。
[0080]
再基于sta/lta算法对{ei}进行sta/lta变换，基于其峰值特性确定信号到达时刻，序列{ei}通过sta/lta变换后得到序列{ei}，其变换公式如下：
[0081][0082]
n4为sta/lta的短尺度，n3为sta/lta的长尺度，由公式(11)可见序列{ei} 相对序列{ei}的起始时间延迟了(n
3-n4 i)δt，序列{ei}相的长度为n2＝n-2
‑ꢀ
n3。
[0083]
令
[0084]en
＝max{ei},0≤n≤n2ꢀꢀꢀ
(12)
[0085]en
所在位置对应地震记录波上的时间为
[0086]
tx＝(n
3-n4 1 n)δt
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0087]
tn为地震波的大致初至时间，可以此值为中心确定一个包含了真实初至时间的狭窄时间段为[t
n-sδt,tn sδt]，则此时间段对应序列{qi}的子序列为如果定义此子序列为{qi}，则可得
[0088][0089]
假设地震信号的准确到达时刻为t1＝t0 ts，t0为开始记录波形的绝对时间， ts为地震信号准确到达时间与开始记录波形时刻的相对时间，则可得ts∈[tn‑ꢀ
sδt,tn sδt]。
[0090]
为了进一步精确自动拾取到达时刻，对序列{qi}基于二次方自回归模型法，精确地自动拾取初至，此模型的理想二次方程假设为：
[0091][0092]
基于公式(16)得到其逼近序列{ci'}
[0093][0094]
然后基于最小二乘法求解系数ω,g,f，令
[0095][0096][0097]
由式(18)可得：
[0098][0099]
由式(19)可解得系数ω,g,f，然后基于式(15)求取序列{ci}最大值对应的 i，即为地震信号精确初至时间，得到地震信号到达的绝对精确时刻为：
[0100]
t1＝t0 (n
3-n4 1 n i-s)δt
ꢀꢀ
(20)
[0101]
由式(7)和式(8)可以看出t
f2
和t
f1
的形式是一致，修正的起始时间移动了两个周期之差的一半，表示为
[0102]
t2＝t
1-0.5(t
f2-t
f1
)。
[0103]
本发明，通过采用向已处理的地面运动叠加fling-step，实现包含地面永久位移的近断层地震加速度时程的拟合方法，得到的地震加速度记录，除了能够满足加速度反应谱、峰值加速度并能够反映出近断层地震动速度脉冲的特性，同时能够表现地面永久位移，在进行抗震设计时能够提供参考性极高的地震加速度行程的输入数据，满足工程应用的需求。
[0104]
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。