CN115903017B

CN115903017B - 一种近断层脉冲型地震动参数化方法

Info

Publication number: CN115903017B
Application number: CN202211265146.XA
Authority: CN
Inventors: 常志旺; 李聪; 余海洪; 富海鹰; 宋松科; 权新蕊; 杨涛; 杨兵; 崔国勇; 袁少洋
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-03-15
Anticipated expiration: 2042-10-17
Also published as: CN115903017A

Abstract

本发明公开了一种近断层脉冲型地震动参数化方法，涉及地震动信号分析技术领域，其技术方案要点是：首先，确定速度脉冲模型各项参数的取值范围，采用基于‘Gabor’小波基的循环迭代法确定脉冲参数，提取出初始速度脉冲；然后使用峰点法，确定脉冲起始时刻和终止时刻，计算出速度脉冲能量；其次，将原始速度记录减去脉冲记录得到残余记录，并再次进行脉冲参数提取；计算原始记录与残余记录的脉冲能量以及脉冲个数之和，作为整体记录的脉冲能量以及脉冲个数指标，从而识别出脉冲属性以及多脉冲记录。本方法能有效、精准识别脉冲参数，同时还能识别出多脉冲记录，并根据脉冲累计能量定义出三类脉冲属性，在抗震设计标准方面具有重要工程应用价值。

Description

一种近断层脉冲型地震动参数化方法

技术领域

本发明涉及地震动信号分析技术领域，更具体地说，它涉及一种近断层脉冲型地震动参数化方法。

背景技术

在过去的五十年中，人们对近断层地震动的识别、表征和分析进行了大量研究。学者在1957年Port Hueneme地震(Housner和Hudson， 1958)期间获得了第一个近断层地面运动记录，该记录位于距离震中约8公里。从那时起，学者开始了近断层地震动的广泛研究。与宽频带运动相比，近断层地震动可能包含明显且强烈的加速度、速度和位移脉冲，会导致结构发生更严重的损坏；这些脉冲特征与正向方向性效应密切相关。近断层地面运动记录中包含的脉冲的主导周期、振幅和形状取决于震源特征(即地震震级和断层破裂机制)、记录台站相对于断层破裂的位置以及场地效应。

由于前向方向性效应和走滑效应，近场地震动通常具有明显强脉冲特性，这种特性一般可以在速度时程中观察到。在过去二十年中，近断层脉冲地震动已成为地震学和地震工程中的一个活跃的研究课题。在地震工程领域，大量学者已经开展脉冲状地震动对各种土木结构的破坏性影响研究，包括理想化的单(多)自由度系统、地震基础隔震结构、桥梁结构以及一些其他特殊结构或结构元素。

目前，学者已经提出了几种不同的方法来描述和表示脉冲型近断层地面运动。例如：(a)通过目视检查地震动时程；(b)在时域上用数学方法表征脉冲；(c)通过匹配地震动记录的单自由度反应谱来表征脉冲等。但是这些研究有以下几个不足:(1)方法不够精准，效率较低；(2)不能实现地震动参数的自动化表征；(3)只识别一个具有主导周期的脉冲，不能识别出多脉冲记录。

解决以上问题及缺陷的难度为：目前国内外并没有自动化提取近断层脉冲型地震动参数的方法，本方法基于‘Gabor’小波基循环迭代法提出自动化提取近断层脉冲型地震动参数方法。

解决以上问题及缺陷的意义为：近断层脉冲型地震动是一种特殊的地面运动，具有高幅值、长周期、短持时特征，会对结构造成严重破坏。对近断层脉冲型地震动进行自动参数化可以精准、有效的提取脉冲记录，从而对近断层脉冲型地震动进行准确的地面表征。

发明内容

本发明的目的是提供一种近断层脉冲型地震动参数化方法，本方法在精细化脉冲型地震动表征、满足近断层工程结构的抗震设计标准方面具有重要工程应用价值。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种近断层脉冲型地震动参数化方法，具体包括以下步骤：

S1：确定速度脉冲模型的各项初始参数，采用Gabor小波基的循环迭代法确定脉冲参数，提取出初始速度脉冲；

S2：对提取的脉冲使用峰点法PPM，确定脉冲起始时刻和终止时刻；

S3：根据脉冲起始时刻和终止时刻，计算速度脉冲的相对能量PI_v；

S4：将原始速度记录减去脉冲记录得到残余记录，并再次进行脉冲参数提取，计算残余记录的脉冲能量，将残余记录的脉冲能量与阈值进行比较；

S5：计算原始记录与残余记录的脉冲能量以及脉冲个数之和，作为整体记录的脉冲能量以及脉冲个数指标，识别出脉冲属性以及多脉冲记录，同时定义了脉冲匹配的精确指标。

进一步的，所述步骤一中的循环迭代法使用Gabor小波基进行脉冲拟合；所述Gabor小波基函数定义式为：

式中：v_p为所提取的速度脉冲；V_p为脉冲幅值；T_p为脉冲周期； N_c为脉冲所含半波循环数；T_pk为脉冲发生时刻；为脉冲相位。

进一步的，所述S1的具体步骤为：

S1-1：采用Gabor小波基的循环迭代法确定脉冲参数，提取出初始速度脉冲；

S1-2：初始设定N_c＝1，同时预设脉冲周期初始T_p的取值范围；

S1-3：将上述参数代入小波基函数，以速度小波基函数与原始速度时程的差的平方值为误差函数；

S1-4：当误差函数取得最小值时，求出T_p；

S1-5：再将S1-4得到的T_p代入小波基函数，依次求出N_c和

进一步的，所述误差函数为

进一步的，所述S2中确定脉冲起始时刻和终止时刻的具体定义为：

峰点法PPM与峰值速度相邻的波谷或波峰之间的时间间隔定义为脉冲周期T_p，第一个波谷或波峰对应的时刻为脉冲起始时刻t_s，第二个波谷或波峰对应的时刻为终止时刻t_e。

进一步的，所述S3中速度脉冲能量PI_v定义为：

式中，T是地震动的总持续时间，v(τ)为原始速度记录。

进一步的，所述S4中的阈值为0.2。

进一步的，计算脉冲参数的计算方法为：

当残余时程的速度脉冲能量PI_v2>0.2时，将原始记录与残余记录的脉冲参数进行叠加，得到总体参数，计算方法如下：

V_p＝V_p1+V_p2

PI_v＝PI_v1+PI_v2

N_c＝N_c1+N_c2

当残余时程的速度脉冲能量PI_v2≤0.2时，脉冲参数定义如下： V_p＝V_p1，PI_v＝PI_v1，N_c＝N_c1，PI_v2＝0，N_c2＝0，T_p2＝0，

式中，V_p1，PI_v1，N_c1为原始记录的脉冲速度时程，脉冲能量及脉冲个数；

V_p2，PI_v2，N_c2，T_p2，为残余记录的脉冲速度时程，脉冲能量，脉冲个数，脉冲周期及脉冲相位角；

当PI_v≥0.5时，脉冲属性为明显脉冲；当PI_v1≥0.3且PI_v2<0.2 时，为中等脉冲；当PI_v1<0.2且PI_v2≥0.3时，也定义为中等脉冲；其他情况时定义为非脉冲。

进一步的，所述S5中脉冲匹配的精确度指标计算方法为：

式中，S_ov为原始记录速度反应谱；S_pv为提取的脉冲记录速度反应谱；t_v为S_pv取最大值时对应的时刻；D_sv为脉冲记录速度匹配指标； S_oa为原始记录加速度反应谱；S_pa为提取的脉冲记录加速度反应谱； t_a为S_pa取最大值时对应的时刻；D_sa为脉冲记录加速度匹配指标。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明根据累积能量定义了脉冲属性，分为三个类别：明显脉冲，中等脉冲，非脉冲；

2、本发明能够自动化确定脉冲参数，采用循环迭代法不会因为初始值不同而出现不同的迭代结果，更不会得到发散的结果，可以精准识别脉冲参数；

3、本发明定义了脉冲匹配的精确度指标，可识别出多速度脉冲。

附图说明

图1是本发明实施例中近断层脉冲型地震动参数化方法的流程图；

图2是本发明实施例中近断层脉冲型地震动参数化方法的原理图。

具体实施方式

以下结合附图1和图2对本发明作进一步详细说明。

实施例：一种近断层脉冲型地震动参数化方法，具体包括以下步骤，如图1和图2所示：

S1：确定速度脉冲模型的各项初始参数，采用‘Gabor’小波基的循环迭代法确定脉冲参数，提取出初始速度脉冲。在本实施例中，以 RSN0338_COALINGA_H_H-Z14地震动记录为提取对象。采用‘Gabor’小波基的循环迭代法进行脉冲参数化；由原始记录求得V_p＝37.9cm/ s，T_pk＝7.47s，首先确定脉冲初始参数，N_c＝1，同时预设脉冲周期初始取值范围，T_p∈[0.1,15]，将上述参数代入小波基函数，得到误差函数，采用循环迭代法求出T_p1＝1.3s；接着预设脉冲个数初始取值范围，N_c∈[0.5,3]，将T_p1＝1.3s，/>代入小波基函数求出N_c1＝1；最后预设相位角/>将T_p1＝1.3s，N_c1＝1 代入小波基函数求出/>‘Gabor’小波基函数见下式：

式中：V_p为脉冲幅值；T_p为脉冲周期；N_c为脉冲所含半波循环数； T_pk为脉冲发生时刻；为脉冲相位。

S2：对提取的速度脉冲使用峰点法(PPM)，确定脉冲起始时刻和终止时刻；

峰点法(PPM)即与峰值速度相邻的波谷或波峰之间的时间间隔定义为脉冲周期T_p，如图2(a)所示，峰值速度左边的第一个波谷对应的时刻为脉冲起始时刻(t_s)，峰值速度右边的第一个波谷对应的时刻为终止时刻(t_e)。

S3：根据脉冲起始时刻和终止时刻，计算速度脉冲的相对能量 (PI_v)；

S3中速度脉冲相对能量(PI_v)通过下式计算：

式中，T是地震动的总持续时间，v(t)为原始速度记录；

从图2(b)可以看出PI_v1＝0.27-0.03＝0.24。

S4：将原始速度记录减去脉冲记录得到残余记录，并再次进行脉冲参数提取，计算残余记录的脉冲能量，将残余记录的脉冲能量与阈值进行比较。

残余记录速度时程如图2(c)，残余记录的脉冲能量如图2(d)。经计算得T_p2＝1.1s，N_c2＝1.5，PI_v2＝0.65-0.29＝ 0.36>0.2。

S5：计算原始记录与残余记录的脉冲能量以及脉冲个数之和，作为整体记录的脉冲能量以及脉冲个数指标，识别出脉冲属性以及多脉冲记录，同时定义了脉冲匹配的精确指标。所述步骤五中在对残余记录速度脉冲进行识别之后，将残余记录脉冲能量与阈值进行对比，由于PI_v2>0.2，故通过下式计算整体的脉冲能量及脉冲个数：

V_p＝V_p1+V_p2

PI_v＝PI_v1+PI_v2＝0.24+0.36＝0.6

N_c＝N_c1+N_c2＝1+1.5＝2.5

因PI_v>0.5故提取的脉冲被定性为明显脉冲。

V_p2，PI_v2，N_c2为残余记录的脉冲速度时程，脉冲能量及脉冲个数。

整体的脉冲提取图见图2(e)。最后计算脉冲匹配的精确度指标：

式中，S_ov为原始记录速度反应谱；S_pv为提取的脉冲记录速度反应谱；t_v为S_pv取最大值时对应的时刻；D_sv为脉冲记录速度匹配指标； S_oa为原始记录加速度反应谱；S_pa为提取的脉冲记录加速度反应谱； t_a为S_pa取最大值时对应的时刻；D_sa为脉冲记录加速度匹配指标；

从图2(f)中可以看出，脉冲参数化较为精确，匹配指标数值较低，脉冲匹配效果很好。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种近断层脉冲型地震动参数化方法，其特征是：具体包括以下步骤：

S3：根据脉冲起始时刻和终止时刻，计算速度脉冲能量PI_v；

S5：计算原始记录与残余记录的脉冲能量以及脉冲个数之和，作为整体记录的脉冲能量以及脉冲个数指标，识别出脉冲属性以及多脉冲记录，同时定义了脉冲匹配的精确指标；

所述S5中脉冲匹配的精确指标计算方法为：

式中，S_ov为原始记录速度反应谱；S_pv为提取的脉冲记录速度反应谱；t_v为S_pv取最大值时对应的时刻；D_sv为脉冲记录速度匹配指标；S_oa为原始记录加速度反应谱；S_pa为提取的脉冲记录加速度反应谱；t_a为S_pa取最大值时对应的时刻；D_sa为脉冲记录加速度匹配指标；

所述S4中的阈值为0.2；

计算脉冲参数的计算方法为：

当残余记录的速度脉冲能量PI_v2>0.2时，将原始记录与残余记录的脉冲参数进行叠加，得到总体参数，计算方法如下：

V_p＝V_p1+V_p2

PI_v＝PI_v1+PI_v2

N_c＝N_c1+N_c2

当残余记录的速度脉冲能量PI_v2≤0.2时，脉冲参数定义如下：V_p＝V_p1，PI_v＝PI_v1，N_c＝N_c1，PI_v2＝0，N_c2＝0，T_p2＝0，

若PI_v≥0.5，则脉冲属性为明显脉冲；若PI_v<0.5，则需分两种情况：(1)当PI_v1≥0.3且PI_v2<0.2时，为中等脉冲；(2)当PI_v1<0.2且PI_v2≥0.3时，也定义为中等脉冲；其他情况时定义为非脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种近断层脉冲型地震动参数化方法，其特征是：所述步骤一中的循环迭代法使用Gabor小波基进行脉冲拟合；所述Gabor小波基函数定义式为：

式中：v′_p为所提取的速度脉冲；V′_p为脉冲幅值；T′_p为脉冲周期；N′_c为脉冲所含半波循环数；T_pk为脉冲发生时刻；为脉冲相位。

3.根据权利要求2所述的一种近断层脉冲型地震动参数化方法，其特征是：所述S1的具体步骤为：

S1-2：初始设定N′_c＝1，同时预设脉冲周期初始T′_p的取值范围；

S1-4：当误差函数取得最小值时，求出T′_p；

S1-5：再将S1-4得到的T′_p代入小波基函数，依次求出N′_c和

4.根据权利要求3所述的一种近断层脉冲型地震动参数化方法，其特征是：所述误差函数为

5.根据权利要求1所述的一种近断层脉冲型地震动参数化方法，其特征是：所述S2中确定脉冲起始时刻和终止时刻的具体定义为：

6.根据权利要求1所述的一种近断层脉冲型地震动参数化方法，其特征是：所述S3中速度脉冲能量PI_v定义为：

式中，T是地震动的总持续时间，v(τ)为原始速度记录。