全非平穩(wěn)地震作用的結(jié)構(gòu)隨機反應(yīng)與可靠度分析①

吳林強， 王　舟， 劉章軍

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

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全非平穩(wěn)地震作用的結(jié)構(gòu)隨機反應(yīng)與可靠度分析①

吳林強1， 王舟1， 劉章軍2

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

摘要：在平穩(wěn)地震動過程的Clough-Penzien功率譜基礎(chǔ)上，采用林家浩非均勻調(diào)制函數(shù)建立全非平穩(wěn)地震動過程的演變功率譜。根據(jù)我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進行全非平穩(wěn)地震動演變功率譜的參數(shù)識別研究。應(yīng)用非平穩(wěn)隨機過程模擬的譜表示-隨機函數(shù)方法，生成建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所用地震動的代表性樣本集合。通過代表性樣本集合的二階統(tǒng)計值及地震反應(yīng)譜與目標值的擬合比較，驗證本文方法的有效性。最后結(jié)合概率密度演化方法，進行以層間位移角為控制準則的結(jié)構(gòu)隨機地震反應(yīng)分析與抗震可靠度計算。

關(guān)鍵詞：地震動； 全非平穩(wěn)； 概率密度演化方法； 結(jié)構(gòu)； 隨機反應(yīng)； 可靠度

0引言

地震地面運動具有很強的隨機性，目前工程抗震中廣泛使用的地震動輸入模型大多是強度非平穩(wěn)地震動過程，不能反映地震動的頻率非平穩(wěn)特性。如何生成具有強度和頻率全非平穩(wěn)的地震動加速度過程，一直是地震動隨機模型研究的難點和熱點。目前模擬強度和頻率非平穩(wěn)過程的主要方法有譜表示、小波分析、Hilbert-Huang變換和Wigner-Ville分布等。在譜表示方法中，Shinozuka等[1]利用三角級數(shù)法和演變功率譜模擬非平穩(wěn)地震動過程；Liang等[2]根據(jù)演變譜理論導出了非平穩(wěn)地震動過程模擬的一個譜表示方法；張翠然等[3]基于Priestley演變譜理論，提出擬合目標演變譜生成強度和頻率全非平穩(wěn)地震動時程的迭代方法。譜表示法理論完善、算法簡單，但計算工作量大。小波分析通過一系列可伸縮和平移的小波基函數(shù)，從而達到對信號時頻局部化分析的目的[4]。但小波基函數(shù)限定的長度會造成信號的能量泄漏，因而難以對信號作精確的時頻分析。Hilbert-Huang變換[5]建立在經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和Hilbert譜分析基礎(chǔ)上，具有清晰的物理意義，但其端點數(shù)據(jù)發(fā)散效應(yīng)尚未解決。Wigner-Ville分布[6]通過瞬時譜能夠?qū)⒌卣饎拥哪芰糠植急硎驹诼?lián)合的時域中進行人工地震動的合成，但它最主要的缺陷是交叉干擾的存在和在某些頻段內(nèi)有負的能量。如何合理、有效地描述強度和頻率全非平穩(wěn)地震動過程，并從代表性樣本集合的角度研究地震動隨機過程，是目前工程隨機動力學研究的一個新途徑。

本文擬采用林家浩提出的指數(shù)衰減型非均勻調(diào)制函數(shù)[7-8]，結(jié)合平穩(wěn)地震動過程的Clough-Penzien功率譜模型[9]，建立強度和頻率全非平穩(wěn)地震動過程的演變功率譜模型，并根據(jù)我國現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)[10]，進行演變功率譜模型的參數(shù)識別研究；同時采用文獻[11]非平穩(wěn)地震動過程模擬的譜表示-隨機函數(shù)方法，生成建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所用地震輸入的代表性樣本集合；最后應(yīng)用該方法生成的代表性樣本集合;結(jié)合最近的概率密度演化方法[12-13]，進行一個框架結(jié)構(gòu)隨機地震反應(yīng)實例分析與抗震可靠度計算。

1非平穩(wěn)過程的譜表示-隨機函數(shù)方法

根據(jù)大量的地震記錄統(tǒng)計，地震動的均值為零，因此設(shè)零均值的非平穩(wěn)地震動加速度過程為Xg(t)，則非平穩(wěn)地震動加速度過程模擬的譜表示[11]：

式中：ωk=kΔω,Δω為離散的頻率步長；N為截斷項數(shù)；SXg(t,ω)為雙邊的演變功率譜密度函數(shù)，滿足SXg(t,ω0)=SXg(t,0)=0的條件。

在式(1)中，Xk與Yk(k=1,2,…,N)為標準正交隨機變量，即：

(2)

式中：E[·] 表示數(shù)學期望；δjk為Kronecker-delta記號。

式(1)由于截斷項數(shù)N而引起的均方相對誤差為：

(3)

式中：ωu=NΔω為截斷頻率；T為地震動過程的持續(xù)時間。

(4)

2非平穩(wěn)地震動概率模型的建立

2.1演變功率譜

在平穩(wěn)地震動隨機過程模型中，金井清譜[15]考慮了地表土層特性對地震動頻譜特征的影響，具有明確的物理意義，是目前地震工程中應(yīng)用較為廣泛的地震動隨機模型。然而金井清譜也夸大了地震地面運動的低頻含量，不能反映基巖地震動的頻譜特性,同時在零頻處不滿足位移和速度是有界的條件。為此，許多學者對金井清譜進行了修正。本文選用Clough和Penzien提出的雙過濾白噪聲模型[9]，其功率譜密度函數(shù)為：

(5)

式中:ωf、ξf分別為第二過濾層的卓越圓頻率和阻尼比，文獻[16]建議取ωf=0.1ωg，ξf=ξg；ωg、ξg分別為地表土的卓越圓頻率和阻尼比，一般ωg可按ωg=2π/Tg計算，其中Tg為規(guī)范的特征周期,ξg可采用文獻[16]建議的取值；S0為譜強度因子，反映地震動強弱程度，可表示為[11]：

(6)

對于全非平穩(wěn)地震動隨機過程模型，其非平穩(wěn)主要表現(xiàn)在地震動強度和頻率特性都隨時間發(fā)生變化。全非平穩(wěn)地震動過程的演變功率譜一般可表示為：

(7)

其中:S(ω)是平穩(wěn)地震動過程的功率譜密度函數(shù)，如式(5)所示;A(t,ω)為非均勻調(diào)制函數(shù)，本文選取林家浩提出的指數(shù)衰減型非均勻調(diào)制函數(shù)[7]：

(8)

式中:U(t,ω)為指數(shù)衰減型調(diào)制函數(shù);ωa和ta是為了將ω和t分別無量綱化而引入的頻率與時間參數(shù)，原則上可以任選，本文建議ωa=ωg，ta=T，其中T為地震動過程的持續(xù)時間。

根據(jù)文獻[8]可知，η0越大高頻成分就衰減越快，當η0=0，即U(t,ω)=1，調(diào)制函數(shù)就退化為均勻調(diào)制情況。因此，可將η0稱作調(diào)頻因子，將U(t,ω)稱作調(diào)頻函數(shù)，而將g(t)稱作調(diào)幅函數(shù)，當然U(t,ω)也起一些調(diào)幅作用。調(diào)幅函數(shù)g(t)建議選取[17]：

(9)

其中:c為隨機地震動峰值加速度出現(xiàn)的大致時間;d是控制A(t,ω)形狀的指數(shù)。

表 1　演變功率譜模型參數(shù)

注：圓頻率單位1/s =rad/s。

圖1給出了雙邊的演變功率譜密度函數(shù)隨時間t和頻率ω的變化關(guān)系。由于演變功率譜關(guān)于頻率ω對稱，圖中僅畫出了頻率ω≥0的部分。可以看到，演變功率譜的峰值出現(xiàn)在10 s左右，能量主要集中在40 rad/s頻率以內(nèi)。

圖1　演變功率譜密度函數(shù)Fig.1　Evolutionary power spectral density function

2.2地震動代表性樣本集合的生成

為了生成非平穩(wěn)地震動加速度過程的代表性樣本集合。首先，應(yīng)用華羅庚-王元的數(shù)論方法[18]對均勻分布的基本隨機變量Θ1和Θ2在區(qū)間[0,2π)×[0,2π)上選取代表點，其中代表點的總數(shù)s=152;其次，應(yīng)用隨機函數(shù)的表達式(4)以及標準正交隨機變量的確定性映射方式，得到式(1)所需的標準正交隨機變量;最后，應(yīng)用非平穩(wěn)隨機過程模擬的譜表示式(1)，即可生成152條地震動代表性樣本的集合。在非平穩(wěn)地震動加速度過程模擬的譜表示中，參數(shù)ωu=240 rad/s，N=1 600，Δω=0.15 rad/s。根據(jù)式(3)，場地類別為Ⅲ，設(shè)計地震分組為第二組的均方相對誤差ε(N)=0.23%。同時，地震動持續(xù)時間T=30 s，時間間隔Δt=0.01 s，滿足Δt≤π/ωu的條件。

圖2給出了非平穩(wěn)地震動加速度過程的典型代表性樣本。由圖可見，代表性樣本具有由弱到強的初始階段、持續(xù)的強震階段和由強到弱的衰減階段，反映了地震動的強度非平穩(wěn)性。同時樣本時程還具有疏密不均的特性，開始階段高頻成分較多，隨后低頻成分逐漸增多，反映了地震動的頻率非平穩(wěn)特性。

圖2　非平穩(wěn)地震動加速度過程的代表性樣本Fig.2　Generated representative sample function of　　　 nonstationary ground motion acceleration process

圖3為152條代表性樣本的均值、標準差與目標均值、目標標準差的比較。從圖中可知，在二階統(tǒng)計特性意義上，152條代表性樣本的總體特性與目標值符合較好。圖4給出了152條代表性樣本的均值反應(yīng)譜曲線與規(guī)范反應(yīng)譜曲線的比較。從圖可見，均值反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜除在長周期部分(大于3 s)有一定誤差外，在其他周期部分的擬合程度較好。

圖3　樣本總體的均值、標準差與目標值的比較Fig.3　Comparison between mean and deviation from 152　　　 samples ensemble and from the target

圖4　樣本總體的反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的比較Fig.4　Comparison between 152 samples ensemble’s response　　　　 spectrum and the code's response spectrum

3實例分析

近年來，概率密度演化理論在線性與非線性結(jié)構(gòu)隨機動力反應(yīng)分析、動力可靠度方面取得了一系列的研究進展[12-13]。應(yīng)用全非平穩(wěn)地震動過程的譜表示-隨機函數(shù)方法生成的代表性樣本集合與概率密度演化理論相結(jié)合，可以實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的隨機地震反應(yīng)分析與抗震可靠度計算[19]。

為了簡要說明本文建立的全非平穩(wěn)地震動概率模型的應(yīng)用，以某三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為例(圖5)，其主要結(jié)構(gòu)類型為梁板柱結(jié)構(gòu)。沿X方向的跨度為6 m，沿Z方向為2跨3柱，跨距均為5 m，每層層高均為4 m。樓板和屋蓋厚度為200 mm，框架主截面為0.5 m×0.5 m，橫梁截面為0.3 m×0.6 m。材料力學特性為：彈性模量為30 GPa，泊松比為0.1667，密度為2 500 kg/m3。本文采用通用有限元軟件ANSYS建立其結(jié)構(gòu)空間有限元模型，混凝土采用SOLID185單元，其中共有9 971個單元，2817個節(jié)點。

圖5　三層框架有限元模型Fig.5　Finite element model of the three-story frame

在對有限元模型進行模態(tài)分析時，為提高結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型的計算精度，本文采用Lanczos法進行模態(tài)分析。限于篇幅，表2僅列出部分振動頻率及相應(yīng)振型特點。由表2可知，該框架結(jié)構(gòu)的基頻為5.841 Hz，在X向振動以第1振型為主，在Z向振動以第2振型為主。另根據(jù)模態(tài)計算相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z向主振型的有效參與質(zhì)量比例為1∶0∶1,即參與Y方向(豎向)振動的結(jié)構(gòu)質(zhì)量幾乎為0，這說明鋼結(jié)構(gòu)振動以水平向為主。

表 2　動力特性分析結(jié)果

應(yīng)用本文方法生成的152條代表性樣本，沿X方向輸入。結(jié)合最近的概率密度演化方法(PDEM)，分別計算上述結(jié)構(gòu)各層層間位移角的隨機地震反應(yīng)，進而計算各層的動力可靠度。限于篇幅，本文僅給出第二層層間位移角反應(yīng)的概率信息圖形，如圖6所示。圖6(a)為按照概率密度演化方法計算給出的該結(jié)構(gòu)第二層層間位移角反應(yīng)均值和標準差；圖6(b)為典型時刻的概率密度函數(shù)；圖6(c)為給定時間段內(nèi)的概率密度演化曲面；圖6(d)為相應(yīng)的等概率密度線。圖6中可見，結(jié)構(gòu)反應(yīng)的概率密度具有典型的演化特征，概率密度分布是非規(guī)則曲線，具有隨機漲落現(xiàn)象，與一般假定的正態(tài)分布等規(guī)則分布明顯不同。

圖6　第二層層間位移角反應(yīng)的概率信息Fig.6　Probability information by story displacement　　　 angle of the second story

基于等價極值事件的體系可靠度分析方法[20]，以層間位移角為控制準則，給出了三層框架結(jié)構(gòu)的每一層抗震可靠度，如圖7所示。事實上，層間位移角的等價極值事件的分布函數(shù)(縱坐標)即為抗震可靠度，可以看出，第二層的抗震可靠度最低。若層間位移角的界限值給定為1/2 500，第一層和第三層的抗震可靠度接近100%，而第二層的抗震可靠度只有84%。

圖7　等價極值事件的結(jié)構(gòu)抗震可靠度Fig.7　Seismic reliability of the structure based on　　　 the equivalent extreme-value event

4結(jié)語

本文建立了一類全非平穩(wěn)地震動加速度過程的概率模型及建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所用地震動的代表性樣本集合。同時，結(jié)合概率密度演化方法進行了結(jié)構(gòu)隨機地震反應(yīng)與抗震可靠性分析。主要結(jié)論如下：(1)本文建立的全非平穩(wěn)地震動概率模型較全面地考慮了地震動的非平穩(wěn)特性、頻譜特性和時域特性；(2)全非平穩(wěn)地震動過程的概率模型能夠在代表性樣本集合的二階統(tǒng)計值以及地震反應(yīng)譜等方面與目標值(譜)相一致，從而在代表性樣本集合的層面上研究地震動過程的概率特性；(3)全非平穩(wěn)地震動過程的概率模型能夠方便地與最新發(fā)展的概率密度演化理論(PDEM)相結(jié)合，為實現(xiàn)復雜工程結(jié)構(gòu)的隨機地震反應(yīng)和抗震可靠性的精細化分析提供了新途徑。

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Stochastic Responses and Reliability Analysis of Structures Subjected to Fully Nonstationary Ground Motion

WU Lin-qiang1, WANG Zhou1, LIU Zhang-jun2

(1.CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,Hubei,China;2.CollegeofCivilEngineering&Architecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,Hubei,China)

Abstract:This paper proposes a new probability model for the fully nonstationary ground motion acceleration process, and provides a kind of seismic input for structures for use in seismic research. First, based on the Clough-Penzien power spectrum of the stationary ground motion process, we establish the evolutionary power spectrum of the fully nonstationary ground motion process. Most importantly, the evolutionary power spectrum considers not only the nonstationary intensity, but also the nonstationary frequency. Then, based on the seismic design building code (in China), we identify these parameters in the evolutionary power spectrum model for different site conditions. Meanwhile, we applied the spectral representation-random functions method to generate an ensemble of 152 representative samples, and assigned each representative sample a given probability. This method uses a few basic random variables to express the original seismic ground motion process. Next, we obtain second-order statistics and the seismic response spectrum of the representative sample ensemble, and compare them with the target values. The results show that the general characteristics of all 152 representative samples coincide well with the target values. In this study, to verify the superiority and effectiveness of the proposed method, we used ANASYS software to conduct a dynamic time-history analysis of a concrete framework. Finally, by combining the recent probability density evolution method with the control criteria for the displacement angle, we performed a stochastic dynamic response analysis and reliability calculation for the concrete framework.

Key words：ground motion; fully nonstationary; probability density evolution method; structure; stochastic response; reliability

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0109

中圖分類號:O324；TU311.3

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0109-07

作者簡介：吳林強(1990-)，男，碩士研究生，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail:wulinqiang123@sina.com。通信作者：劉章軍(1973-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究。E-mail:liuzhangjun73@aliyun.com。

基金項目：國家自然科學 (51278282，50808113)

收稿日期：①2015-01-19