CN113255482B - 一种基于hht脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法 - Google Patents

一种基于hht脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明阐述了一种基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法。本发明基于大量的天然远场类谐和地震动原始记录，通过对速度时程进行EEMD分解，按某一频率值将每一条IMF分量进行低、高频区分，并重构成低频时程和高频时程，用反应谱进行判断频率取值是否正确，取低频时程按上个步骤区分出主脉冲成分并做简化分析，识别特征脉冲参数，包括脉冲幅值VA1、脉冲周期Ts、脉冲持时Tp、衰减幅值VA2、衰减周期Ta以及衰减指数λ，提出主脉冲速度脉冲模型，最后叠加高频成分形成人工合成地震动，为相关领域的研究奠定基础，适用于结构抗震设计，预防以及减小地震灾害带来的损失。

Description

一种基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法
技术领域
本发明涉及远场类谐和地震动技术领域，具体涉及一种基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法。
背景技术
远场类谐和地震动中包含丰富的低频成分，在其振动后期会出现多个循环脉冲，可能会引起长周期结构产生“共振”效应，地震持时虽为几十秒，但却会造成巨大的生命财产损失，使长周期结构严重损坏甚至倒塌。目前，我国建设完成了多个结构复杂、自振周期较长且为生命线的工程，其数量也会持续增加，因此研究长周期结构在类谐和地震动作用下的抗震性能，对采取合理的抗震措施、减少地震损害以及预防地震灾害有指导意义。由于世界上记录的远场类谐和地震动数量较少且受场地条件的限制，使能应用到结构抗震设计中去的地震动更少，不能满足分析要求，因此，在抗震设计中，使用人工模拟地震动能增加抗震分析的合理性。长周期地震动反应谱对应峰值的周期较大，采用抗震规范设计反应谱的平台值及特征周期应有所提高，因此模拟地震动时不能忽略天然地震动的频域的非平稳特性。
合成类谐和地震动的参数较多，为更加真实地模拟出远场类谐和地震动对长周期结构的影响，拟合地震动的参数选取至关重要。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法，弥补远场类谐和地震动记录不多，模拟地震反应时数量不足等缺点，该合成方法可对类谐和地震动特征参数进行分析，揭示类谐和地震动对结构的不利影响。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法，包括以下步骤：
S1.对原始远场类谐和地震动记录的速度时程进行EEMD分解，得到若干个IMF分量时程和1个残余分量时程；
S2.对分解得到的所有IMF分量进行傅里叶变换，利用傅里叶函数的频谱特性，以频率10Hz为分界线，将IMF分量分成高频成分和低频成分两类，并分别重构成高频时程和低频时程；
S3.将重构的高频时程和低频时程进行反应谱分析，并与原始地震动速度时程的反应谱对比分析，验证频率分界线为10Hz是否合理；
S4.将构成的低频时程再次进行主、次脉冲分量的筛选，其特征在于，定义低频时程的第一条IMF分量为次脉冲分量，定义低频时程的第二条以及剩余的IMF分量的时程为主脉冲分量，并对低频时程、次脉冲分量和主脉冲分量三个时程进行反应谱对比分析；
S5对主脉冲分量进行脉冲特征参数识别，包括脉冲幅值VA1、脉冲周期Ts、脉冲持时Tp、衰减幅值VA2、衰减周期Ta以及衰减指数λ；
S6.对主脉冲速度时程进行简化分析，提出类谐和地震动速度脉冲模型；
S7.利用类谐和地震动速度脉冲模型生成速度脉冲时程，其特征在于，将速度脉冲模型叠加高频时程(部分地震动还需要叠加次脉冲分量)，并对速度脉冲时程进行微分和积分求得其加速度时程和位移时程以及生成结构反应谱，与原始地震动的速度、加速度和位移时程和反应谱对比分析，验证远场类谐和地震动合成方法正确性；
进一步的：所述步骤S1中对原始地震动速度时程进行EEMD分析为：
将原始地震动信号叠加白噪声形成原序列x(t)；
找出原序列x(t)的所有局部极大值，得到上包络序列值xmax(t)和下包络序列值xmin(t)；
取每个时刻的xmax(t)和xmin(t)的瞬时平均值m(t)：
m(t)＝[xmax(t)+xmin(t)]/2
用原序列x(t)减去瞬时平均值m(t)，得到一个去掉低频的新序列h(t):
h(t)＝x(t)-m(t)
若h(t)满足以下两个条件：1)在信号的总持时内，零点与极值点的数目必须相等或之多相差一个；2)在任意时刻，局部极大值定义的上包络线和局部极小值定义的下包络线之间的平均值为零。则它为原序列分解出的第一个本征模态函数；如果不是，把h(t)作为原序列重复以上步骤，直到有序列满足IMF条件，基为c1(t)，一般c1(t)代表原序列中的高频成分，然后用原序列减去c1(t)得到剩余序列r1(t):
r1(t)＝x(t)-c1(t)
将r1(t)作为一个新的序列，重复以上步骤，一次提取第2，第3，……，直至第n个固有模态函数cn(t)，rn(t)变成一个单调序列。
进一步的：所述步骤S5中对主脉冲分量进行脉冲特征参数识别为：
定义首次到达0.5倍脉冲速度峰值和最后到达0.5倍脉冲峰值的时间差为脉冲持时，脉冲速度峰值为识别出脉冲段的各个速度峰值，两个半脉冲周期相加为一个脉冲周期；衰减段初始幅值为识别出衰减段的最大值幅值，衰减指数根据衰减速率进行判断；
进一步的：所述步骤S6中对主脉冲分量进行脉冲特征参数简化为：
简谐波周期：用识别出的远场类谐和地震动脉冲持时除以简谐段峰值个数：
式中：Ts为简谐波的周期，Tp为简谐段脉冲持时，Tpi为识别出的第i个半脉冲周期，n为半脉冲个数，半脉冲是相对一个完整的简谐周期而言的，半脉冲个数与简谐段峰值个数相等；
简谐波幅值：根据速度时程中类简谐段所包围的面积与简谐波包围的面积相等原则来确定简谐波幅值：
式中：VA1为等效脉冲幅值，S1为原始脉冲段包围的面积；
衰减幅值：衰减段识别出的最大幅值，记为VA2；
衰减周期：求解同简谐波周期，记为Ta；
衰减指数：由初始幅值减少到初始值的1/e所需的时间，记为λ；
衰减持时：简谐段结束到整个速度时程结束之间的长度，记为Td；
构建主脉冲简化模型：
式中：V(t1)为主脉冲分量的速度幅值，t1为简谐段开始时间点，phi为相位差；本发明的有益效果为：本发明通过对比低频成分、高频成分和原始地震动的反应谱，次脉冲分量、主脉冲分量和低频时程的反应谱，验证高低频分量频率选取的正确度以及分析以脉冲部分为主的部分，发现脉冲部分主要影响的是结构自振为4s～6s内的结构，能更好的模拟出自振周期较长的结构在远场类谐和地震动作用下的地震效应，能更好的进行地震防控，保障结构安全。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为远场类谐和地震动ILA055-W的EEMD分解图；
图3为远场类谐和地震动ILA055-W的高频时程、低频时程与原始速度时程的时程对比图；
图4为远场类谐和地震动ILA055-W的高频时程、低频时程与原始速度时程的反应谱对比图；
图5为远场类谐和地震动ILA055-W的低频时程、次脉冲分量和主脉冲分量的反应谱对比图；
图6为远场类谐和地震动ILA055-W的脉冲参数识别图；
图7为远场类谐和地震动ILA055-W主脉冲分量合成图；
图8为远场类谐和地震动ILA055-W的合成加速度、速度和位移时程与原始时程对比分析图；
图9为远场类谐和地震动ILA055-W的合成加速度、速度和位移反应谱与原始反应谱对比分析图；
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列；
如图1所示，一种基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法，包括以下步骤；
S1.对原始远场类谐和地震动记录的速度时程进行EEMD分解，得到若干个IMF分量时程和1个残余分量时程，如图2所示；
EEMD分解步骤为：
将原始地震动信号叠加白噪声形成原序列x(t)；
找出原序列x(t)的所有局部极大值，得到上包络序列值xmax(t)和下包络序列值xmin(t)；
取每个时刻的xmax(t)和xmin(t)的瞬时平均值m(t)：
m(t)＝[xmax(t)+xmin(t)]/2
用原序列x(t)减去瞬时平均值m(t)，得到一个去掉低频的新序列h(t):
h(t)＝x(t)-m(t)
若h(t)满足以下两个条件：1)在信号的总持时内，零点与极值点的数目必须相等或之多相差一个；2)在任意时刻，局部极大值定义的上包络线和局部极小值定义的下包络线之间的平均值为零。则它为原序列分解出的第一个本征模态函数；如果不是，把h(t)作为原序列重复以上步骤，直到有序列满足IMF条件，基为c1(t)，一般c1(t)代表原序列中的高频成分，然后用原序列减去c1(t)得到剩余序列r1(t):
r1(t)＝x(t)-c1(t)
将r1(t)作为一个新的序列，重复以上步骤，一次提取第2，第3，……，直至第n个固有模态函数cn(t)，rn(t)变成一个单调序列。
S2.对分解得到的所有IMF分量进行傅里叶变换，利用傅里叶函数的频谱特性，以频率10Hz为分界线，将IMF分量分成高频成分和低频成分两类，并分别重构成高频时程和低频时程，如图3所示；
S3.将重构的高频时程和低频时程进行反应谱分析，并与原始地震动速度时程的反应谱对比分析，验证频率分界线为10Hz是否合理，若低频时程的反应谱与原始地震动反应谱在自振周期2s以后基本重合，如图4所示，则频率分界线合理；
S4.将构成的低频时程再次进行主、次脉冲分量的筛选，其特征在于，定义低频时程的第一条IMF分量为次脉冲分量，定义低频时程的第二条以及剩余的IMF分量的时程为主脉冲分量，并对低频时程、次脉冲分量和主脉冲分量三个时程进行反应谱对比分析，如图5所示，如次脉冲分量主要影响周期为4～6s的结构，则取低频成分为主脉冲分量，如次脉冲分量影响的主要是周期小于4s的结构，则取重构的主脉冲分量为主脉冲分量；
S5.对主脉冲分量进行脉冲特征参数识别，包括脉冲幅值VA1、脉冲周期Ts、脉冲持时Tp、衰减幅值VA2、衰减周期Ta以及衰减指数λ，如图6所示；
对主脉冲分量进行脉冲特征参数识别为：定义首次到达0.5倍脉冲速度峰值和最后到达0.5倍脉冲峰值的时间差为脉冲持时，脉冲速度峰值为识别出脉冲段的各个速度峰值，两个半脉冲周期相加为一个脉冲周期；衰减段初始幅值为识别出衰减段的最大值幅值，衰减指数根据衰减速率进行判断；
S6.对主脉冲速度时程进行简化分析，提出类谐和地震动速度脉冲模型；S7.利用类谐和地震动速度脉冲模型生成速度脉冲时程,如图7所示，将速度脉冲模型叠加高频时程(部分地震动还需要叠加次脉冲分量)，并对速度脉冲时程进行微分和积分求得其加速度时程和位移时程以及生成结构反应谱，与原始地震动的速度、加速度和位移时程和反应谱对比分析，验证远场类谐和地震动合成方法正确性，如图8和图9所示；
主脉冲分量进行脉冲特征参数简化为：
简谐波周期：用识别出的远场类谐和地震动脉冲持时除以简谐段峰值个数：
式中：Ts为简谐波的周期，Tp为简谐段脉冲持时，Tpi为识别出的第i个半脉冲周期，n为半脉冲个数，半脉冲是相对一个完整的简谐周期而言的，半脉冲个数与简谐段峰值个数相等；
简谐波幅值：根据速度时程中类简谐段所包围的面积与简谐波包围的面积相等原则来确定简谐波幅值：
式中：VA1为等效脉冲幅值，S1为原始脉冲段包围的面积；
衰减幅值：衰减段识别出的最大幅值，记为VA2；
衰减周期：求解同简谐波周期，记为Ta；
衰减指数：由初始幅值减少到初始值的1/e所需的时间，记为λ；
衰减持时：简谐段结束到整个速度时程结束之间的长度，记为Td；
构建主脉冲简化模型：
式中：V(t1)为主脉冲分量的速度幅值，t1为简谐段开始时间点，phi为相位差。

Claims (4)

1.一种基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.对原始远场类谐和地震动记录的速度时程进行EEMD分解，得到若干个IMF分量时程和1个残余分量时程；
S2.对分解得到的所有IMF分量进行傅里叶变换，设定频率分界线，将IMF分量分成高频成分和低频成分两类，并分别将高频成分和低频成分重构成高频时程和低频时程；
S3.将重构的高频时程和低频时程进行反应谱分析，并与原始地震动速度时程的反应谱对比分析，验证频率分界线；
S4.将构成的低频时程再次进行主、次脉冲分量的筛选，定义低频时程的第一条IMF分量为次脉冲分量，定义低频时程的第二条以及剩余的IMF分量的时程为主脉冲分量，并对低频时程、次脉冲分量和主脉冲分量三个时程进行反应谱对比分析；
S5.对主脉冲分量进行脉冲特征参数识别，包括脉冲幅值VA1、脉冲周期Ts、脉冲持时Tp、衰减幅值VA2、衰减周期Ta以及衰减指数λ；
S6.对主脉冲速度时程进行简化分析，提出类谐和地震动速度脉冲模型：
式中：V(t1)为主脉冲分量的速度幅值，t1为简谐段开始时间点，phi为相位差；
S7.利用类谐和地震动速度脉冲模型生成速度脉冲时程，将速度脉冲模型叠加高频时程，并根据速度脉冲时程求得加速度时程和位移时程以及生成结构反应谱；
其中，
所述步骤S1中对原始地震动速度时程进行EEMD分析为：
S11.将原始地震动信号叠加白噪声形成原序列x(t)；
S12.找出原序列x(t)的所有局部极大值，得到上包络序列值xmax(t)和下包络序列值xmin(t)；
S13.取每个时刻的xmax(t)和xmin(t)的瞬时平均值m(t)：
m(t)＝[xmax(t)+xmin(t)]/2
S14.用原序列x(t)减去瞬时平均值m(t)，得到一个去掉低频的新序列
h(t):
h(t)＝x(t)-m(t)
S15.若h(t)满足以下条件：
1)在信号的总持时内，零点与极值点的数目必须相等或最多相差一个；
2)在任意时刻，局部极大值定义的上包络线和局部极小值定义的下包络线之间的平均值为零；
则h(t)为原序列分解出的第一个本征模态函数；
如果不满足，把h(t)作为原序列重复以上步骤，直到有序列满足IMF条件，基为c1(t)，则
剩余序列r1(t)为:
r1(t)＝x(t)-c1(t)
将r1(t)作为一个新的序列，重复以上步骤，依次提取第2，第3，……，直至第n个固有模态函数cn(t)，rn(t)变成一个单调序列；
所述步骤S5中对主脉冲分量进行脉冲特征参数识别为：
定义首次到达0.5倍脉冲速度峰值和最后到达0.5倍脉冲峰值的时间差为脉冲持时，脉冲速度峰值为识别出脉冲段的各个速度峰值，两个半脉冲周期相加为一个脉冲周期；衰减段初始幅值为识别出衰减段的最大值幅值，衰减指数根据衰减速率进行判断；
所述步骤S6中对主脉冲分量进行脉冲特征参数简化为：
S61.简谐波周期：用识别出的远场类谐和地震动脉冲持时除以简谐段峰值个数：
式中：Tpi为识别出的第i个半脉冲周期，n为半脉冲个数；
S62.简谐波幅值：根据速度时程中类简谐段所包围的面积与简谐波包围的面积相等原则来确定简谐波幅值：
式中：VA1为等效脉冲幅值，S1为原始脉冲段包围的面积；S63.衰减幅值：衰减段识别出的最大幅值，记为VA2；S63.衰减周期：求解同简谐波周期，记为Ta；
S64.衰减指数：由初始幅值减少到初始值的1/e所需的时间，记为λ；
S65.衰减持时：简谐段结束到整个速度时程结束之间的长度，记为Td。
2.根据权利要求1所述的基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法，其特征在于，所述步骤S2中频率分界线为10Hz，步骤S3中验证频率分界线为10Hz是否合理，若低频时程的反应谱与原始地震动反应谱在自振周期2s以后基本重合则频率分界线合理。
3.根据权利要求1所述的基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法，其特征在于，所述步骤S7中所述速度脉冲模型叠加高频时程和次脉冲分量。
4.根据权利要求1所述的基于HHT脉冲参数识别的远场类谐和地震动合成方法，其特征在于，所述步骤S4中如次脉冲分量主要影响周期为4～6s的结构，则取低频成分为主脉冲分量，如次脉冲分量影响的主要是周期小于4s的结构，则取重构的主脉冲分量为主脉冲分量。
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