DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.03.005
反应谱兼容的时频非平稳地震动合成及其对结构非线性响应的影响
程顺1，黄天立1，李守文1，2，王宁波1
(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；
2. 中建二局 第一建筑工程有限公司，北京，100023)
摘 要：
交HHT方法合成地震动，通过迭代调整时变功率谱，使合成的地震动时程反应谱拟合目标反应谱，提出一种与目标反应谱兼容的时频非平稳地震动合成方法。以El Centro地震加速度时程南北分量作为种子地震动时程，设计与目标反应谱兼容的4组加速度时程，分别对7层和15层的2栋钢筋混凝土框架结构进行非线性时程分析，研究地震动时频非平稳特性对框架结构非线性响应的影响规律。研究结果表明：基于正交HHT方法合成的人工地震动不仅能更好地表征天然地震动的时频特性，而且其作用下的结构响应与天然地震动作用下的结构响应最接近；基于强度包络函数生成的人工地震动仅反映强度非平稳特性，而未反映频率非平稳特性，产生低估结构响应的问题，因此，采用合成人工地震动时程作为结构地震激励时，应考虑地震动的时频非平稳特性，以确保结构安全。
关键词：
地震动模拟；时频非平稳；反应谱兼容；正交HHT方法；框架结构；非线性时程分析；
中图分类号：TU375.4；P315.9 文献标志码：A
文章编号：1672-7207（2021）03-0701-12
Simulation of target response spectra-compatible time-frequency non-stationary ground motion and its influence on structural nonlinear responses
CHENG Shun1, HUANG Tianli1, LI Shouwen1, 2, WANG Ningbo1
(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;
2. The First Construction Engineering Company Ltd. China Construction Second Engineering Bureau, Beijing 100023, China)
Abstract: Based on the simulation of the earthquake ground motions using the evolutionary spectra and the orthogonal HHT method, a simulation method was proposed for the target response spectra-compatible time-frequency non-stationary earthquake ground motions by iteratively adjusting the time-varying power spectrum to make the response spectrum of the simulated ground motions compatible with the target response spectrum. Taking the recorded El Centro earthquake accelerogram as the seed ground motion, four sets of earthquake ground motions for the same target response spectrum were obtained. Taking these four ground motions as the input, the non-linear time history analysis of two reinforced concrete frame structures with 7 and 15 floors were presented to investigate the influence of time-frequency non-stationary characteristics of ground motions on the nonlinear responses of frame structures. The results show that the synthesized artificial ground motion using the orthogonal HHT method can characterize the time-frequency characteristics of the real ground motion, and the structural nonlinear responses under its action are the closest to the ones in the real ground motion. The structural nonlinear responses in the artificial ground motions generated using the intensity envelope function may be underestimated due to that the strength non-stationary characteristics of the artificial ground motions are represented and the frequency non-stationary characteristics of the artificial ground motions are not represented. Therefore, the frequency non-stationary characteristics should be integrated into the simulation of the artificial ground motions. In this way, the structural nonlinear responses can be estimated reasonably and the safety of the structures can be ensured.
Key words: simulation of earthquake ground motion; time-frequency non-stationarity; response spectra-compatible; orthogonal Hilbert-Huang transform; frame structure; nonlinear time history analysis
地震引起的地面运动加速度不仅受时变振幅的影响，而且受时变频率的影响[1-2]。大量研究表明，地震动的时频非平稳性对结构反应尤其是非线性反应产生重要影响[3-5]。在进行复杂结构的时程分析中，常常要求采用与设计反应谱兼容的人工地震动作为输入，因此，研究能反映地震动时频非平稳特性且与反应谱兼容的地震动模拟方法具有重要意义。为了模拟时频非平稳特性且与反应谱兼容的人工地震波，CACCIOLA[6]将人工地震动合成分为2步：第一步由天然地震动记录生成具有时频非平稳特性的时程；第二步通过引入纠正随机过程使得生成的地震动与反应谱兼容。该方法引入了随机过程，增加了计算量。曲国岩等[7]通过引入具有统计参数的时频包线描述地震动非平稳特性，建立了与反应谱兼容的非平稳地震动模拟方法，该方法的关键在于如何获得具有统计意义的时频包线。张郁山等[8]通过增量加速度小波函数实现合成地震动与反应谱拟合，该方法具有较快的收敛速度，但小波函数的选取具有不确定性。OHSAKI[9]采用相位差谱替代[0，2π]均匀分布的随机相位以反映地震动频率非平稳的影响。国内一些学者[10-11]对相位差谱进行了深入研究，并模拟生成了人工地震波，但此类方法合成得到的地震动时频特性与天然地震动时频特性有较大差别。由此可见，上述反应谱兼容的地震动合成方法存在难以准确反映地震动时频特性或计算过程复杂等问题，存在应用局限性。自PRIESTLEY[12]提出演变过程理论以来，利用演化谱模拟地震动的研究得到很大发展。LIANG等[13]由演化谱理论导出非平稳地震动过程模拟的一个谱表示方法，按照该方法可直接将样本过程由余弦级数公式计算。樊剑等[14]分别利用均匀调制非平稳模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳模型模拟地震波的时变谱，建立了非平稳地震波的合成方法。何浩祥等[15]认为小波包分解方法是建立时变功率谱的有效工具，依据统一时频谱进行调整，人工合成的地震动具有较高的精度和较强的非平稳性。上述基于演化谱的合成方法未考虑如何使地震动与反应谱兼容。基于演化谱理论的方法模拟生成人工地震波虽然计算过程简单，但难以获取能准确反映地震动时频特性的时变谱。Hilbert-Huang变换(HHT)方法[16]作为一种新的时频信号分析方法，其具有良好的时频局部化特性，可以更客观地估计地震的时变谱，从而模拟出时频非平稳特性且更符合实际情况的地震动时程。WEN等[17]用HHT变换得到天然地震动样本的Hilbert谱，建立了非平稳随机过程合成方法，并且将该方法应用于多向量随机过程的模拟过程中。LI等[18]基于Hilbert谱建立了三向地震动的合成方法，通过HHT变换调整合成的地震动的时频特性，可实现地震动时程的反应谱与目标反应谱兼容。楼梦麟等[19]指出，由HHT方法中的经验模式分解(EMD)得到的固有模式分量(IMF)是不完全正交的，由此获得的Hilbert时频谱存在能量泄漏问题，进而会影响Hilbert时变功率谱的估计。HUANG等[20]进一步提出了3种正交化经验模式分解方法即正交化HHT方法，解决了Hilbert时变功率谱估计中的能量泄漏问题，并给出了其在地震加速度谱分析中的应用。胡灿阳等[21]采用正交化HHT方法，在估计Hilbert时变功率谱的基础上，提出了基于正交Hilbert谱模拟非平稳随机地震动的方法。陈清军等[22]结合演变谱理论和正交HHT法的优点，提出了一种能同时反映强度和频率非平稳特性的地震动人工合成方法，但未考虑与反应谱的兼容问题。应该指出的是，基于演化谱和正交HHT方法合成的人工地震动虽然可以准确地描述地震动的时频特性，且计算简单，但未考虑将合成的地震动与规范设计反应谱兼容的问题。为此，本文在陈清军等[22]提出的基于演化谱和正交HHT方法合成地震动基础上，通过迭代调整时变功率谱，使合成的地震动时程反应谱拟合目标反应谱，提出一种与目标反应谱兼容的时频非平稳地震动合成方法；以El Centro地震加速度时程南北分量作为种子地震动时程，设计与目标反应谱兼容的4组加速度时程，分别对层数为7层和15层的2栋钢筋混凝土框架结构进行非线性时程分析，研究地震动时频非平稳特性对框架结构非线性响应的影响规律。
1 反应谱兼容的时频非平稳地震动合成方法
1.1 基于演化谱和正交HHT方法的地震动合成
首先选定种子地震动时程，通过HHT或正交HHT变换提取其Hilbert时频谱，并根据Hilbert时频谱估计其时变功率谱[21]，即
式中：
将种子地震动时程的时变功率谱代入基于演化谱理论的非平稳地震动合成公式[22]，得
式中：
1.2 基于解析方法的反应谱计算
田玉基等[10]提出了先计算位移反应谱，进而求解加速度反应谱的方法，该方法可有效避免结构周期过短情况下积分步长的选择问题，使反应谱的计算更加便捷。该反应谱的计算流程简述如下。
单自由度结构在地震动
式中：
将式(3)改写成状态方程形式：
式中：
式(4)的解可写成如下迭代形式：
式中：
将式(5)展开，即可得到结构的位移响应时程及其峰值。对于不同频率控制点
1.3 基于时变功率谱迭代调整拟合反应谱
通过迭代调整种子地震动时程的时变功率谱，直到合成的人工地震动时程反应谱以一定精度拟合目标反应谱为止。合成的人工地震动时程与给定的反应谱兼容，也准确地描述了种子地震动时程的时频特性。
定义调整系数
对n个频率控制点
式中：j表示第j次迭代。
为使合成的地震动时程反应谱以一定精度与目标反应谱拟合，采用式(9)定义的反应谱误差精度
当
时变功率谱经式(8)调整后，再采用1.1节基于演化谱和正交HHT方法合成人工地震动，重复1.2节和1.3节的步骤，直至合成人工地震动的反应谱以一定精度与目标反应谱吻合，由此得到与目标反应谱兼容且与种子地震动时程的时频特性一致的非平稳地震动。图1所示为此调整时变功率谱获得反应谱兼容的时频非平稳地震动合成方法流程图。
图1 反应谱兼容的时频非平稳地震动合成流程
Fig. 1 flowchart for simulating target response spectrum compatible time-frequency non-stationary ground motions
2 地震动时程方案设计及拟合结果
2.1 种子地震动及目标反应谱确定
选择1940-05-18美国加州帝王谷(Imperial Valley)El Centro台站记录的El Centro地震加速度时程南北分量作为种子地震动时程，如图2(a)所示。图2(b)所示为基于正交HHT方法获取的该地震动时程的正交Hilbert时频谱。
图2 El Centro地震加速度时程和正交Hilbert时频谱
Fig. 2 Recorded El Centro earthquake accelerogram and its orthogonal Hilbert spectrum
2.2 与目标反应谱兼容的地震动时程合成
假定某建筑物抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第1组，考虑罕遇地震作用，根据GB 50011—2010“建筑抗震设计规范”确定目标反应谱，如图3所示。
图3 基于El Centro地震加速度调整的地震动时程及其反应谱
Fig. 3 Adjusted earthquake ground motion and its response spectrum based on El Centro earthquake acceleration
选择目标反应谱的80个频率控制点，设定拟合误差精度为5%，以El Centro地震动加速度时程作为种子地震动，采用图1所示时变功率谱迭代调整方法，使调整后的地震动时程反应谱以设定的精度拟合目标反应谱。
图3(a)所示为采用El Centro地震加速度作为种子时程，经调整后的地震动时程，该地震动时程的计算反应谱与目标反应谱的拟合结果见图3(b)。从图3(b)可以看出：在短周期(0.01~0.10 s)和长周期(0.40~6.00 s)，调整后的地震动时程反应谱与目标反应谱较吻合，拟合效果较好。在中等周期(0.10~0.40 s)范围内，由于地震动能量在该分布范围较弱，可供迭代调整的数据量较少，故调整后的地震动时程反应谱存在“奇点”，经过多次调整之后虽然仍无法收敛，但拟合精度满足要求。
2.3 输入地震动时程方案设计
为研究地震动时频非平稳特性对框架结构非线性响应的影响，设计了4种输入地震动时程。
1) 地震动时程1。采用2.2节基于El Centro地震加速度时程调整的地震动时程如图3(a)所示。
2) 地震动时程2。仅考虑地震动强度非平稳特性，采用式(10)所示三段式强度包络函数在时域内对平稳随机过程进行调整。
式中：t1和t2分别为地震动的振幅上升和下降的起始时间；T为地震动的总持续时间；c为峰值衰减系数。参数t1和t2分别取El Centro地震加速度记录的5%和75% Arias强度对应的时间，即t1=6.28 s，t2=16.56 s，峰值衰减系数c=0.10，采用图1所示的时变功率谱迭代调整方法调整时程，使其与目标反应谱兼容。调整后的地震动时程如图4(a)所示，时程的计算反应谱与目标反应谱的拟合结果如图4(b)所示。
3) 地震动时程3。利用HHT方法提取El Centro波的时频特性，根据演化谱理论合成人工地震动样本，并采用图1所示的时变功率谱迭代调整方法调整时程，使其与目标反应谱兼容。调整后的地震动时程如图4(c)所示，时程的计算反应谱与目标反应谱的拟合结果如图4(d)所示。
4) 地震动时程4。利用正交HHT方法提取El Centro波的时频特性，根据演化谱理论合成人工地震动样本，并采用图1所示的时变功率谱迭代调整方法调整时程，使其与目标反应谱兼容。调整后的地震动时程如图4(e)所示，时程的计算反应谱与目标反应谱的拟合结果如图4(f)所示。
图4 输入的地震动时程及其反应谱拟合情况
Fig. 4 Inputted earthquake ground motions and their calculated response spectra
2.4 时程拟合结果分析
图3(a)以及图4(a)，(c)和(e)所示分别为4种输入地震动方案的时程曲线。从图3和图4可以看出：地震动时程1，3和4的波形与El Centro原始记录波形相似；而地震动时程2的波形与El Centro原始记录波形相差较大。图3(b)及图4(b)，(d)和(f)所示为4种时程的计算反应谱与目标反应谱拟合结果，可以看出各时程的计算反应谱都能与目标反应谱较吻合。
图5所示为输入的4种地震动时程的正交Hilbert时频谱。对比图5和图2(b)所示El Centro原始记录的正交Hilbert时频谱可以发现：
图5 输入4种地震动时程的正交Hilbert时频谱
Fig. 5 Orthogonal Hilbert spectra of four kinds of inputted earthquake ground motions
1) 对El Centro地震波时变功率谱迭代调整后，得到与反应谱兼容的地震动时程1，其很好地保留了El Centro地震波的时频特性。
2) 基于三段式强度包络函数生成的仅考虑强度非平稳特性的地震动时程2，其能量在时频上分布较均匀，主要分布在0~20 s时间段和0~5 Hz频率段内，未能有效地反映El Centro地震动的时频非平稳特性。
3) 采用基于演化谱和HHT、正交HHT方法合成的地震动时程2和4，经过时变功率谱迭代调整后与反应谱兼容，其能量在时频上的分布与El Centro地震动的时频分布较相似，这2种时程均很好地保留了原始地震动的时频非平稳特性。
3 框架结构非线性地震响应分析
为研究地震动时频非平稳特性对框架结构非线性响应的影响，选择层数为7层和15层的2栋钢筋混凝土框架结构，输入上述4种地震动时程，对结构非线性时程进行分析。
3.1 结构模型
模型1为3跨7层钢筋混凝土框架结构，模型2为5跨15层钢筋混凝土框架结构，其立面如图6所示。模型1和模型2的底层框架柱截面长×宽为600 mm×600 mm，其余框架柱截面长×宽均为500 mm×500 mm，框架梁截面长×宽均为300 mm×500 mm，现浇板厚度为120 mm。框架结构的柱、梁和板的混凝土强度等级皆为C40，楼面、屋面恒载为4 kN/m2，楼面、屋面活载为2 kN/m2。模型1和模型2的前4阶周期和自振频率如表1所示。
3.2 非线性时程分析结果
采用SAP2000软件建立框架有限元模型，将上述4种地震动时程作为输入，分别对2个模型进行非线性时程分析，并对模型的楼层最大位移和层间位移进行比较分析。
特别地，以地震动时程1作用下的结构响应计算结果为基准，定义地震动时程2，3，4与时程1作用下的结构各楼层层间位移相对误差
式中：
3.2.1 模型1
图7所示为4种地震动作用下，模型1的楼层最大位移曲线。从图7可以看出：
图6 模型1和模型2的立面布置图
Fig. 6 Elevation layout of model 1 and model 2
表1 模型1和模型2的前4阶周期和自振频率
Table 1 The first four periods and natural frequencies of model 1 and model 2
1) 在4种地震动时程作用下，随着楼层数增加，结构的楼层最大位移增加，且各曲线之间的差距也不断增加，差距在顶层达到最大值。
图7 4种地震动作用下模型1的楼层最大位移曲线
Fig. 7 The maximum floor displacement curves of model 1 under action of inputted four earthquake ground motions
2) 地震动时程2作用下结构的楼层最大位移响应总体上比地震动时程1作用下的最大位移响应小，其顶层最大位移比地震动时程1作用下的顶层最大位移小5.34%；地震动时程3和4作用下结构的顶层最大位移比地震动时程1作用下的顶层最大位移分别增大4.16%和2.82%；地震动时程4作用下结构的楼层最大位移与基准值最接近，由此表明在基于正交HHT方法合成的地震动时程与天然地震动时程作用下，框架结构楼层的最大位移响应较一致。
图8所示为4种地震动作用下，模型1的各楼层层间位移曲线；表2所示为4种地震动作用下模型1的1~4层层间位移及地震动时程2，3和4与地震动时程1作用下1~4层层间位移相对误差。从图8和表2可以看出：
图8 4种地震动作用下模型1的各楼层层间位移曲线
Fig. 8 Interlayer displacement curves of model 1 under action of inputted four earthquake ground motions
1) 在4种地震动作用下，随着楼层数增加，层间位移均出现先增大后减小的趋势，其中第2层层间位移最大，由此可推断模型1的第2层为薄弱层，这与结构第2层柱截面面积减小是一致的。
表2 模型1第1~4层层间位移和相对误差
Table 2 Interlayer displacements and relative errors from the 1st to 4th floor of model 1
2) 在4种地震动作用下，结构各层间位移均呈现以下规律，即时程3、时程4、时程1和时程2的位移依次减小。在地震动时程2作用下，各层间位移最小，其原因在于地震动时程2仅考虑了强度非平稳特征，未考虑频率非平稳特性。由此可见，在结构非线性时程分析中，忽视输入地震动时程的频率非平稳特性可能会低估天然地震动对结构的响应。
3) 在4种地震动作用下，结构1~4层的层间位移误差峰值出现在第3层即薄弱层附近；随着楼层增加，各层层间位移误差逐渐缩小。其中，地震动时程2的各楼层层间位移相对误差最大，最大值为-7.43%；地震动时程4的各楼层层间位移相对误差最小，最大值为4.30%；时程3的各楼层层间位移相对误差介于地震动时程2和4的位移相对误差之间，最大值为6.66%。在地震动时程4和1作用下，计算得到的楼层层间位移最接近，由此表明基于正交HHT方法合成的地震动能更准确地反映天然地震动对结构非线性响应的影响。
3.2.2 模型2
图9所示为4种地震动作用下，模型2的楼层最大位移曲线。从图9可以看出：
图9 4种地震动作用下模型2的楼层最大位移曲线
Fig. 9 The maximum floor displacement curves of model 2 under action of inputted four earthquake ground motions
1) 在4种地震动作用下，随着楼层数增加，各楼层最大位移迅速增加；在地震动时程1作用下，模型2顶层位移为177.42 mm。由此可见，对于高层建筑结构，为满足建筑结构的功能要求和适用性，控制顶层位移至关重要。
2) 地震动时程2作用下的位移最小，为156.48 mm，比地震动时程1作用下的位移小11.80%；在地震动时程3和4作用下，结构的顶层位移均大于地震动时程1作用下结构顶层位移。在地震动时程4作用下，结构的顶层位移与基准值最接近。对比图7和图9可以看出：模型2中地震动时程2，3和4作用下的顶层位移与基准值的偏差均比模型1中对应的偏差要大，时程2，3和4与基准值的偏差都随着楼层数的增加而增大。
图10所示为4种地震动作用下，模型2的各楼层层间位移曲线，表3所示为4种地震动作用下，模型2第1~8层层间位移及地震动时程2，3和4与地震动时程1作用下的层间位移相对误差。从图10和表3可以看出：
表3 模型2第1~8层层间位移和相对误差
Table 3 the interlayer displacements and the relative errors from the 1st to 8th floor of model 2
图10 4种地震动作用下模型2的各楼层层间位移曲线
Fig. 10 Interlayer displacement curves of model 2 under action of inputted four earthquake ground motions
1) 在4种地震动作用下，模型2的各楼层层间位移随层数的增加呈现先增大后减小的趋势，其中，第4层层间位移最大，可推断模型2的第4层为薄弱层。
2) 在4种地震动时程作用下，随着楼层层数增加，地震动时程2，3和4的各楼层层间位移与基准值的相对误差也呈现先增大再减小的趋势，并且在薄弱层达到最大值。其原因是：结构进入非线性后，地震动的时频非平稳特性对结构响应的影响更加显著，合成的地震动与天然地震动之间的时频特性仍存在差别，这种差别因结构在地震作用下产生局部破坏，材料进入非线性而被放大。其中，在地震动时程4作用下，楼层层间位移与基准值的相对误差最小，为12.37%，这是由于基于正交HHT方法合成的地震动时程，其时频非平稳特性与天然地震动记录更接近。
图11所示为模型1和模型2的1~7层的层间位移与基准值的相对误差绝对值。从图11可以看出：随着楼层层数增加，地震动时程2，3和4与地震动时程1作用下的楼层层间位移相对误差增大；模型1和模型2中，地震动时程2作用下的结构响应均小于地震动时程1作用下结构响应，其原因在于地震动时程2仅考虑了强度非平稳特征，未考虑频率非平稳特性。因此，在结构非线性时程分析中，输入的地震动仅考虑强度非平稳特征，会低估实际地震动对结构的响应，随着建筑高度增加，这种频率非平稳特性对结构地震响应的影响被放大。
图11 模型1和模型2第1~7层层间位移相对误差绝对值曲线
Fig. 11 Absolute values of relative error from the 1st to the 7th floor of model 1 and model 2
4 结论
1) 基于演化谱和正交HHT方法的地震动合成方法，通过迭代调整时变功率谱，提出了一种与目标反应谱兼容的地震动合成方法。由该方法合成的地震动时程中，不仅其计算反应谱以一定精度拟合目标反应谱，而且其时频特性与种子地震动时程的时频特性基本一致。
2) 基于正交HHT方法合成的人工地震动能更好地描述天然地震动的时频特性，且框架结构在其作用下的响应与天然地震动作用下的响应最接近。
3) 在结构非线性时程分析中，基于强度包络函数生成的人工地震动时程由于仅考虑了强度非平稳特性，未考虑地震动的频率非平稳特性，故存在低估结构响应的问题。因此，采用合成人工地震动作为地震输入时，应考虑地震动的频率非平稳特性，以确保结构安全。
参考文献：
[1] 董娣, 周锡元, 徐国栋, 等. 强震记录频率非平稳特性的若干研究[J]. 地震工程与工程振动, 2006, 26(1): 22-29.
DONG Di, ZHOU Xiyuan, XU Guodong, et al. Some studies on frequency non-stationarity of strong earthquake records[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2006, 26(1): 22-29.
[2] 雷屹欣, 陈辉国, 杨晓瑞. 反应谱控制选波的地震动时频非平稳特性差异性分析[J]. 华北地震科学, 2019, 37(3): 1-9.
LEI Yixin, CHEN Huiguo, YANG Xiaorui. Analysis of the difference of time-frequency NonStationary characteristics of ground motion of selected seismic waves controlled by response spectrum[J]. North China Earthquake Sciences, 2019, 37(3): 1-9.
[3] LI Yong, CONTE J P, BARBATO M. Influence of time-varying frequency content in earthquake ground motions on seismic response of linear elastic systems[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2016, 45(8): 1271-1291.
[4] 曹晖, 林学鹏. 地震动非平稳特性对结构非线性响应影响的分析[J]. 工程力学, 2006, 23(12): 30-35.
CAO Hui, LIN Xuepeng.The effect of nonstationary characteristic of earthquake ground motion on the structural nonlinear responses[J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(12): 30-35.
[5] 代洪慧, 于洪禹, 郑锦辉. 频率非平稳地震动对大坝非线性响应的影响[J]. 水力发电, 2016, 42(9): 50-53.
DAI Honghui, YU Hongyu, ZHENG Jinhui. Impact of frequency domain non-stationary ground motion on dam nonlinear seismic response[J]. Water Power, 2016, 42(9): 50-53.
[6] CACCIOLA P. A stochastic approach for generating spectrum compatible fully nonstationary earthquakes[J]. Computers & Structures, 2010, 88(15/16): 889-901.
[7] 曲国岩, 俞瑞芳. 基于时-频包线的非平稳地震动合成及其对结构非线性响应的影响[J]. 振动工程学报, 2018, 31(2): 198-208.
QU Guoyan, YU Ruifang. Simulation method of earthquake ground motion based on frequency-dependent amplitude envelope function and its influence on the structural nonlinear responses[J]. Journal of Vibration Engineering, 2018, 31(2): 198-208.
[8] 张郁山, 赵凤新. 基于小波函数的地震动反应谱拟合方 法[J]. 土木工程学报, 2014, 47(1): 70-81.
ZHANG Yushan, ZHAO Fengxin. Matching method of ground-motion response spectrum based on the wavelet function[J]. China Civil Engineering Journal, 2014, 47(1): 70-81.
[9] OHSAKI Y. On the significance of phase content in earthquake ground motions[J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 1979, 7(5): 427-439.
[10] 田玉基, 杨庆山. 多阻尼比设计反应谱的非平稳地震动场拟合[J]. 振动与冲击, 2010, 29(1): 43-47.
TIAN Yuji, YANG Qingshan. Multi-damping-ratio design spectra fitting with correlated and non-stationary seismic fields[J]. Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(1): 43-47.
[11] 贾宏宇, 蓝先林, 陈航, 等. 基于相位差谱的非平稳地震波合成及应用[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 453-460.
JIA Hongyu, LAN Xianlin, CHEN Hang, et al. Synthesis of non-stationary seismic waves based on phase difference spectrum and its application[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(3): 453-460.
[12] PRIESTLEY M B. Power spectral analysis of non-stationary random processes[J]. Journal of Sound and Vibration, 1967, 6(1): 86-97.
[13] LIANG Jianwen, CHAUDHURI S R, SHINOZUKA M. Simulation of nonstationary stochastic processes by spectral representation[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2007, 133(6): 616-627.
[14] 樊剑, 曾志和. 地震波时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型的建立[J]. 地震学报, 2010, 32(6): 733-743.
FAN Jian, ZENG Zhihe. Establishment of time variable modified Kanai-Tajimi non-stationary stochastic model of strong ground motion record[J]. Acta Seismologica Sinica, 2010, 32(6): 733-743.
[15] 何浩祥, 闫维明, 韩恩圳. 地震动统一时频谱特性及其在人工合成中的应用[J]. 振动工程学报, 2016, 29(2): 314-323.
HE Haoxiang, YAN Weiming, HAN Enzhen. Characteristics on unified time-frequency spectrum and application in ground motion simulation[J]. Journal of Vibration Engineering, 2016, 29(2): 314-323.
[16] HUANG N E, SHEN Z, LONG S R, et al. The empirical mode decomposition and Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis[J].Proceedings of the Royal Society of London,1998, A454: 903-995.
[17] WEN Y K, GU Ping. Description and simulation of nonstationary processes based on Hilbert spectra[J]. Journal of Engineering Mechanics, 2004, 130(8): 942-951.
[18] LI Bo, XIE Weichau, PANDEY M D. Generate tri-directional spectra-compatible time histories using HHT method[J]. Nuclear Engineering and Design, 2016, 308: 73-85.
[19] 楼梦麟, 黄天立. 正交化经验模式分解方法[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2007, 35(3): 293-298.
LOU Menglin, HUANG Tianli. Orthogonal empirical mode decomposition[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2007, 35(3): 293-298.
[20] HUANG Tianli, LOU Menglin, CHEN Huapeng, et al. An orthogonal Hilbert-Huang transform and its application in the spectral representation of earthquake accelerograms[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2018, 104: 378-389.
[21] 胡灿阳, 陈清军, 徐庆阳. 利用正交Hilbert谱模拟非平稳随机地震动[J]. 重庆大学学报, 2012, 35(12): 100-105.
HU Canyang, CHEN Qingjun, XU Qingyang. Simulation of nonstationary stochastic earthquake ground motion based on orthogonal Hilbert spectrum[J]. Journal of Chongqing University, 2012, 35(12): 100-105.
[22] 陈清军, 李英成. 基于演变谱和正交化HHT法的类谐和长周期地震动合成[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2012, 39(11): 20-27.
CHEN Qingjun, LI Yingcheng. Simulation of harmonic-like long-period ground motion based on evolutionary spectra and orthogonal HHT method[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences), 2012, 39(11): 20-27.
(编辑 陈灿华)
收稿日期： 2020 -05 -10; 修回日期： 2020 -07 -22
基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2017YFB1201204)；国家自然科学基金资助项目(52078486, 50708113, U1734208)；中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2019zzts621) (Project(2017YFB1201204) supported by the National Key R&D Program of China; Projects(52078486, 50708113, U1734208) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2019zzts621) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)
通信作者：王宁波，博士，副教授，从事桥梁结构健康监测研究；E-mail: wangnb@csu.edu.cn
引用格式： 程顺, 黄天立, 李守文, 等. 反应谱兼容的时频非平稳地震动合成及其对结构非线性响应的影响[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(3): 701-712.
Citation: CHENG Shun, HUANG Tianli, LI Shouwen, et al. Simulation of target response spectra-compatible time-frequency non-stationary ground motion and its influence on structural nonlinear responses[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2021, 52(3): 701-712.
摘要：基于演化谱和正交HHT方法合成地震动，通过迭代调整时变功率谱，使合成的地震动时程反应谱拟合目标反应谱，提出一种与目标反应谱兼容的时频非平稳地震动合成方法。以El Centro地震加速度时程南北分量作为种子地震动时程，设计与目标反应谱兼容的4组加速度时程，分别对7层和15层的2栋钢筋混凝土框架结构进行非线性时程分析，研究地震动时频非平稳特性对框架结构非线性响应的影响规律。研究结果表明：基于正交HHT方法合成的人工地震动不仅能更好地表征天然地震动的时频特性，而且其作用下的结构响应与天然地震动作用下的结构响应最接近；基于强度包络函数生成的人工地震动仅反映强度非平稳特性，而未反映频率非平稳特性，产生低估结构响应的问题，因此，采用合成人工地震动时程作为结构地震激励时，应考虑地震动的时频非平稳特性，以确保结构安全。
[1] 董娣, 周锡元, 徐国栋, 等. 强震记录频率非平稳特性的若干研究[J]. 地震工程与工程振动, 2006, 26(1): 22-29.
[2] 雷屹欣, 陈辉国, 杨晓瑞. 反应谱控制选波的地震动时频非平稳特性差异性分析[J]. 华北地震科学, 2019, 37(3): 1-9.
[4] 曹晖, 林学鹏. 地震动非平稳特性对结构非线性响应影响的分析[J]. 工程力学, 2006, 23(12): 30-35.
[5] 代洪慧, 于洪禹, 郑锦辉. 频率非平稳地震动对大坝非线性响应的影响[J]. 水力发电, 2016, 42(9): 50-53.
[7] 曲国岩, 俞瑞芳. 基于时-频包线的非平稳地震动合成及其对结构非线性响应的影响[J]. 振动工程学报, 2018, 31(2): 198-208.
[8] 张郁山, 赵凤新. 基于小波函数的地震动反应谱拟合方 法[J]. 土木工程学报, 2014, 47(1): 70-81.
[10] 田玉基, 杨庆山. 多阻尼比设计反应谱的非平稳地震动场拟合[J]. 振动与冲击, 2010, 29(1): 43-47.
[11] 贾宏宇, 蓝先林, 陈航, 等. 基于相位差谱的非平稳地震波合成及应用[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(3): 453-460.
[14] 樊剑, 曾志和. 地震波时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型的建立[J]. 地震学报, 2010, 32(6): 733-743.
[15] 何浩祥, 闫维明, 韩恩圳. 地震动统一时频谱特性及其在人工合成中的应用[J]. 振动工程学报, 2016, 29(2): 314-323.
[19] 楼梦麟, 黄天立. 正交化经验模式分解方法[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2007, 35(3): 293-298.
[21] 胡灿阳, 陈清军, 徐庆阳. 利用正交Hilbert谱模拟非平稳随机地震动[J]. 重庆大学学报, 2012, 35(12): 100-105.
[22] 陈清军, 李英成. 基于演变谱和正交化HHT法的类谐和长周期地震动合成[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2012, 39(11): 20-27.
