專利名稱：獲得地震動樣本的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震工程領(lǐng)域，尤其涉及一種獲得地震動樣本的方法和裝置。
背景技術(shù)：
重要工程結(jié)構(gòu)，如超高層建筑、核電站、海洋平臺、大跨度橋梁、大型水壩和儲液罐等的抗震設(shè)計需要進(jìn)行動力時程分析，以確定工程結(jié)構(gòu)在可能遭受的地震作用下動力響應(yīng)的全過程，進(jìn)而實現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)。動力時程分析需要一定數(shù)量的、并且滿足一定地震環(huán)境及場地條件的地震動加速度時程作為結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析的輸入。然而，天然的強震觀測記錄數(shù)量非常有限，無法滿足實際工程的多種需求，因此需要利用數(shù)值方法進(jìn)行地震動的模擬，以生成大量滿足一定工程特性的樣本地震動。傳統(tǒng)的非平穩(wěn)地震動模擬方法可大致分為4大類基于時域調(diào)制的方法、基于演 變譜的方法、基于相位差譜的方法以及基于自回歸滑移平均模型(ARMA)的方法。上述大部分地震動隨機模擬方法主要是將給定天然地震動視為某一隨機過程的一個樣本，對該樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從中提取出某一復(fù)雜變化的物理量(通常是相位或相位差)作為描述地震動隨機性的隨機變量并研究其頻數(shù)分布，進(jìn)而構(gòu)造該隨機變量的概率模型，并據(jù)此最終確定地震動的隨機過程模型。然而在該過程中，需要對原始地震動進(jìn)行非常繁瑣的參數(shù)估計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供一種獲得地震動樣本的方法和裝置，能夠獲得與天然地震動具有相同非平穩(wěn)特性的地震動樣本，無需繁瑣的參數(shù)估計過程。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術(shù)方案一種獲得地震動樣本的方法，包括獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位；對所述瞬時相位進(jìn)行解卷；采用傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜；采用所述相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程；采用所述隨機頻率過程、所述幅值譜及所述相位譜的低頻分量構(gòu)造隨機相位過程;根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程；根據(jù)所述地震動隨機過程獲得地震動樣本。一種獲得地震動樣本的裝置，包括第一獲取單元，用于從預(yù)先存儲的天然地震動記錄獲取所述天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位；解卷單元，用于對所述第一獲取單元獲取的瞬時相位進(jìn)行解卷；第二獲取單元，用于采用傅立葉變換獲取所述解卷單元解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜；
第一構(gòu)造單元，用于采用所述第二獲取單元獲取的相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程；第二構(gòu)造單元，用于采用所述第一構(gòu)造單元構(gòu)造的隨機頻率過程、所述第二獲取單元獲取的幅值譜及所述第二獲取單元獲取的相位譜的低頻分量構(gòu)造隨機相位過程；第一獲得單元，用于根據(jù)所述第一獲取單元獲取的瞬時幅值與所述第二構(gòu)造單元構(gòu)造的隨機相位過程獲得地震動隨機過程；第二獲得單元，用于根據(jù)所述地震動隨機過程獲得地震動樣本。本發(fā)明實施例提供的獲得地震動樣本的方法和裝置，通過獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位，進(jìn)而構(gòu)造隨機相位過程，瞬時幅值能夠反映天然地震動記錄的強度非平穩(wěn)特性，而隨機相位過程則能夠反映天然地震動記錄的頻率非平穩(wěn)特性，最后根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程，進(jìn)而獲得與原始的天然 地震動記錄具有相同非平穩(wěn)特性的一系列地震動樣本。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實施例提供的一種獲取地震動樣本的方法；圖2為本發(fā)明實施例提供的另一種獲取地震動樣本的方法；圖3為本發(fā)明實施例提供的一種獲取地震動樣本的裝置。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明實施例提供了一種獲得地震動樣本的方法，如圖I所示，包括101、獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位。所述預(yù)先存儲的天然地震動記錄指與要進(jìn)行抗震設(shè)計的工程結(jié)構(gòu)所在的場地具有相似地震環(huán)境和場地條件的天然地震動記錄，其中天然地震動記錄指利用強震儀記錄到的天然地震產(chǎn)生的地震動加速度、速度或位移的時間過程。可以采用多種方式獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位，其中優(yōu)選的，可采用希爾伯特(Hilbert)變換獲取所述預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位。當(dāng)然本發(fā)明實施例對此是不作限定的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)本領(lǐng)域公知常識或常用技術(shù)手段獲取所述預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位。具體但不限于此的，所述采用希爾伯特變換從預(yù)先存儲的天然地震動記錄獲取所述天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位包括使用下列公式獲取所述天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位，
_=_=arctan載，少"(/)=啦(/)]=士pi^r;其中，a^t)表示瞬時幅值，9 / 0(t)表示瞬時相位，Xtl (t)表示預(yù)先存儲的天然地震動記錄，H表示希爾伯特變換，P表示取廣義積分的柯西主值。該步驟中，首先對預(yù)先存儲的天然地震動記錄進(jìn)行希爾伯特變換，得到變換結(jié)果Y0⑴，然后再分別通過公式&= jXo2(0 + w(0和砵(0 = arctan，獲得瞬時幅值％⑴和瞬時相位0 ' o(t)。102、對所述瞬時相位進(jìn)行解卷；對所述瞬時相位進(jìn)行解卷以獲得解卷后的瞬時相位。103、采用傅立葉(Fourier)變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜。在本步驟中，可以基于傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位 P曰。具體但不限于此的，所述傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜包括使用下列公式獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜，4,,(/) = VRe2[^(./)]Msn2[^(./')]，= 31013,1 Re[A(/)]，n0(f) = J■二0Q(t)exp(-HnfOdt ；其中，Ae；0(f)表示解卷后的瞬時相位的幅值譜，O "(f)表示解卷后的瞬時相位的相位譜，ha)表示解卷后的瞬時相位，Re表示取復(fù)數(shù)的實部，Im表示取復(fù)數(shù)的虛部，i表示虛數(shù)單位，I2=-Io該步驟中，首先對解卷后的瞬時相位進(jìn)行傅立葉變換，得到傅立葉變換結(jié)果\(f)，然后分別獲取傅立葉變換結(jié)果的實部和虛部，最后分別通過公式
^ w、/)1
4奶= >似。(/)] +如似0(/)]和‘(/) = ■她獲得解卷后的瞬時雛的
幅值譜A "(f)和相位譜Q e’0(f)。104、采用所述相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程。其中，相位譜的高頻分量可以通過多種濾波方法對所述相位譜進(jìn)行濾波獲得。具體但不限于此的，本步驟中使用下列公式構(gòu)造隨機頻率過程，^ ( f ) = A ( f ) 0 ( f ) , AU、=權(quán)JJ) +奶JJ)，
-I (P.., (「、i
^,(/) = H[巧 (/)] = - P ,；
JT 廠丫 f-T其中，W (f)表示隨機頻率過程，Oo.Jf)表示相位譜的高頻分量，O (f)表示隨機頻率函數(shù)，H表示希爾伯特變換，P表示取廣義積分的柯西主值。該步驟中，首先對相位譜的高頻分量O e，d(f)進(jìn)行希爾伯特變換，得到希爾伯特變換結(jié)果,然后通過公式廣/) =(/)得到確定性函數(shù)A (f)，最后通過公式W (f) = A(f) 0 (f)，即確定性函數(shù)A(f)與隨機頻率函數(shù) (f)的乘積得到隨機頻率過程W (f)。105、采用所述隨機頻率過程、所述幅值譜及所述相位譜的低頻分量構(gòu)造隨機相位過程。其中，所述相位譜的低頻分量可通過多種濾波方法對所述相位譜進(jìn)行濾波獲得。在本步驟中，所述隨機頻率過程、所述幅值譜及所述相位譜的低頻分量均由預(yù)先存儲的天然地震動的瞬時相位直接或間接得到，構(gòu)造的隨機相位過程反映預(yù)先存儲的天然地震動記錄的頻率非平穩(wěn)特性。具體但不限于此的，使用下列公式構(gòu)造隨機相位過程，^(/) = | Q(/)exp(i27u//)d/ Q (f) = A90 (f) exp {i [O 0，d(f)+W (f)]}；其中，0 (t)表示隨機相位過程，Ae；0(f)表示解卷后的瞬時相位的幅值譜， O 0；d(f)表示相位譜的低頻分量，(f)表示隨機頻率過程，i表示虛數(shù)單位，I2=-I ;106、根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程。根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程，具體但不限于此的，可采用將所述瞬時幅值與所述隨機相位過程的余弦值相乘的方式獲得地震動隨機過程，也即采用下列公式獲得地震動隨機過程，X (t) = a0 (t) cos 0 (t)；其中，x(t)表示地震動隨機過程,ajt)表示瞬時幅值，0 (t)表示隨機相位過程。107、根據(jù)所述地震動隨機過程獲得地震動樣本。為隨機相位過程設(shè)定不同的隨機數(shù)，利用偽隨機數(shù)生成算法即可生成與所述給定隨機數(shù)相對應(yīng)的隨機頻率函數(shù)的一個樣本，進(jìn)而產(chǎn)生與所述隨機數(shù)對應(yīng)的地震動隨機過程的一個樣本，進(jìn)而針對不同隨機數(shù)可得到一系列的用于需要進(jìn)行抗震設(shè)計的工程結(jié)構(gòu)的輸入地震動樣本?？梢岳斫獾氖?，本發(fā)明實施例中的步驟101至106的內(nèi)容及順序是不作嚴(yán)格限定的。例如，步驟101可以為獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時相位，然后在步驟106之前可以增加獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值的步驟。又如，步驟103可以為采用傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位的相位譜，然后在步驟105之前可以增加獲取采用傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜的步驟。本發(fā)明實施例提供的獲得地震動樣本的方法，通過獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位，進(jìn)而構(gòu)造隨機相位過程，瞬時幅值能夠反映天然地震動記錄的強度非平穩(wěn)特性，而隨機相位過程則能夠反映天然地震動記錄的頻率非平穩(wěn)特性，最后根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程，進(jìn)而獲得地震動樣本，即獲得與原始的天然地震動記錄具有相同非平穩(wěn)特性的一系列地震動樣本。通過本發(fā)明實施例提供的方法獲得地震動樣本可作為輸入應(yīng)用于利用蒙特卡洛法對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的數(shù)值模擬研究工作中，以使得工程結(jié)構(gòu)能夠更加合理的抵御可能發(fā)生的地震作用。進(jìn)一步的，在本發(fā)明提供的一個實施例中，在步驟104之前還包括采用漢寧(Hanning)窗函數(shù)對所述相位譜分解,得到相位譜的高頻分量和低頻分量。具體但不限于此的，使用下列公式得到相位譜的高頻分量和低頻分量，O 0；d(f) = Hann[O 0’0(f) ], CVn(f) = O 0；o(f)-O 0；d(f)；
其中，O 0，d (f)表示相位譜的低頻分量，①0，n (f)表示相位譜的高頻分量，o e,0(f)表示解卷后的瞬時相位的相位譜，Hann表示利用漢寧窗函數(shù)對信號進(jìn)行低通濾波處理。進(jìn)一步的，在本發(fā)明提供的一個實施例中，步驟104中的所述隨機頻率函數(shù) (f)為在區(qū)間[-1，I]均勻分布的隨機頻率函數(shù)，并滿足對任意頻率f，0 (f)為區(qū)間[-1，I]均勻分布的隨機變量；及若f2,則0 (f:)與0 (f2)為相互獨立的隨機變量。針對任意給定的隨機數(shù)，利用偽隨機數(shù)生成算法即可生成與所述給定隨機數(shù)相對應(yīng)的隨機頻率函數(shù) (f)的一個樣本。 為了更好的說明本發(fā)明提供的獲得地震動樣本的方法，本發(fā)明提供了一個優(yōu)選的具體實施例，該實施例提供了一種獲得地震動樣本的方法，如圖2所示，包括201、采用希爾伯特變換獲取所述預(yù)先存儲的天然地震動記錄XtlU)的瞬時幅值a0(t)和瞬時相位0 ' 0(t) o首先對預(yù)先存儲的天然地震動記錄進(jìn)行希爾伯特變換，得到變換結(jié)果yci(t)V0(Z) 二 H[x0(/)j 二士 Pj' '。
TZt — T然后獲取天然地震動記錄X。(t)的瞬時幅值aQ(t)a0(t) = ylxl(t) + y；(t),和天然地震動記錄X。(t)的瞬時相位0 ' 0(t)
,V (/I(/) = arctan —~ ,,
x0(0202、對所述瞬時相位0 ' 0(t)進(jìn)行解卷，得到解卷后的瞬時相位0力)。203、采用傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位0 Jt)的幅值譜Ae^f)和相位譜 O0 o(f)。首先對解卷后的瞬時相位ejt)進(jìn)行傅立葉變換，得到傅立葉變換結(jié)果QJf):i20(/) = J ^ O0 (t)exp( -ilnf t)dt。然后獲取解卷后的瞬時相位的幅值譜A" (f)AoxXf) = VRe:[A(/)] +Inr[A(./)]。獲取解卷后的瞬時相位的相位譜O "(f)
^ . r、Im[ A( /')]巧(!(/)= arctan .1;；。
RefA (/)1其中，Re表示取復(fù)數(shù)的實部，Im表示取復(fù)數(shù)的虛部，i表示虛數(shù)單位，i2=_l。204、采用漢寧窗函數(shù)獲取相位譜①"(f)的高頻分量O0,n(f)和低頻分量① e’d(f)。首先采用漢寧窗函數(shù)對相位譜0"(f)進(jìn)行低通濾波，獲取其低頻分量① e’d(f)O0；d(f) = Hann
0然后通過相位譜O "(f)和低頻分量①0，d(f)獲取高頻分量①0，n(f)
①0’n(f)=① 0’o(f)-C> 0’d(f)。205、采用所述相位譜的高頻分量①e ,n(f)構(gòu)造隨機頻率過程W (f)。首先對高頻分量O e ,n(f)進(jìn)行希爾伯特變換，得到希爾伯特變換結(jié)果為.n(/)
權(quán)利要求
1.一種獲得地震動樣本的方法，其特征在于，包括 獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位； 對所述瞬時相位進(jìn)行解卷； 采用傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜； 采用所述相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程； 采用所述隨機頻率過程、所述幅值譜及所述相位譜的低頻分量構(gòu)造隨機相位過程； 根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程； 根據(jù)所述地震動隨機過程獲得地震動樣本。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位包括 采用希爾伯特變換獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，在所述采用所述相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程前，還包括 采用漢寧窗函數(shù)對所述相位譜分解，得到相位譜的高頻分量和低頻分量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述采用希爾伯特變換從預(yù)先存儲的天然地震動記錄獲取所述天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位包括 使用下列公式獲取所述天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位， 。。(0=，=arctan^S ’刷=HM)]=M 二; 其中,ajt)表示瞬時幅值，0 ' C1 (t)表示瞬時相位,XtlU)表示預(yù)先存儲的天然地震動記錄，H表示希爾伯特變換，P表示取廣義積分的柯西主值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述采用傅立葉變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜包括 使用下列公式獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜，； 其中，AtJf)表示解卷后的瞬時相位的幅值譜，O "(f)表示解卷后的瞬時相位的相位譜，0。(0表示解卷后的瞬時相位，Re表示取復(fù)數(shù)的實部，Im表示取復(fù)數(shù)的虛部，i表示虛數(shù)單位，I2=-Io
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述采用漢寧窗函數(shù)對所述相位譜分解，得到相位譜的高頻分量和低頻分量包括 使用下列公式得到相位譜的高頻分量和低頻分量， 其中，^ e,d(f)表示相位譜的低頻分量，^ e,n(f)表示相位譜的高頻分量，^ e,o (f)表示解卷后的瞬時相位的相位譜，Hann表示利用漢寧窗函數(shù)對信號進(jìn)行低通濾波處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述采用所述相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程包括 使用下列公式構(gòu)造隨機頻率過程，( f ) = A ( f ) 0 ( f ) , A(f) = pl(f) + 0ln(f)，-I [.OG 0n n (t)^oAf) = H[^,(/)] = -Pj ,； Tl j^J-T 其中，W (f)表示隨機頻率過程，表示相位譜的高頻分量， (f)表示隨機頻率函數(shù)，H表示希爾伯特變換，P表示取廣義積分的柯西主值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述隨機頻率函數(shù) (f)為在區(qū)間[-1，I]均勻分布的隨機頻率函數(shù)，并滿足 對任意頻率f， (f)為區(qū)間[-1，I]均勻分布的隨機變量 '及 若古f2，則 (f\)與 (f2)為相互獨立的隨機變量。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述采用所述隨機頻率過程、所述幅值譜及所述相位譜的低頻分量構(gòu)造隨機相位過程包括 使用下列公式構(gòu)造隨機相位過程， ^(0 = J x 0(./')exp(i2TC,/'/)d/ , Q (f) = A0；o(f) exp {i [O 0，d(f)+W (f)]}； 其中，0 (t)表示隨機相位過程，A"(f)表示解卷后的瞬時相位的幅值譜，^Vd(f)表示相位譜的低頻分量，(f)表示隨機頻率過程，i表示虛數(shù)單位，I2=-Io
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的獲得地震動樣本的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程包括 使用下列公式構(gòu)造地震動隨機過程X (t) = a0(t)cos 0 (t)； 其中，x(t)表示地震動隨機過程，ajt)表示瞬時幅值，0⑴表示隨機相位過程。
11.一種獲得地震動樣本的裝置，其特征在于，包括 第一獲取單元，用于從預(yù)先存儲的天然地震動記錄獲取所述天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位； 解卷單元，用于對所述第一獲取單元獲取的瞬時相位進(jìn)行解卷； 第二獲取單元，用于采用傅立葉變換獲取所述解卷單元解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜； 第一構(gòu)造單元，用于采用所述第二獲取單元獲取的相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程; 第二構(gòu)造單元，用于采用所述第一構(gòu)造單元構(gòu)造的隨機頻率過程、所述第二獲取單元獲取的幅值譜及所述第二獲取單元獲取的相位譜的低頻分量構(gòu)造隨機相位過程； 第一獲得單元，用于根據(jù)所述第一獲取單元獲取的瞬時幅值與所述第二構(gòu)造單元構(gòu)造的隨機相位過程獲得地震動隨機過程； 第二獲得單元，用于根據(jù)所述地震動隨機過程獲得地震動樣本。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供了一種獲得地震動樣本的方法和裝置，涉及地震工程領(lǐng)域，能夠獲得與天然地震動具有相同非平穩(wěn)特性的地震動樣本，所述方法包括獲取預(yù)先存儲的天然地震動記錄的瞬時幅值和瞬時相位；對所述瞬時相位進(jìn)行解卷；采用傅立葉(Fourier)變換獲取所述解卷后的瞬時相位的幅值譜和相位譜；采用所述相位譜的高頻分量構(gòu)造隨機頻率過程；采用所述隨機頻率過程、所述幅值譜及所述相位譜的低頻分量構(gòu)造隨機相位過程；根據(jù)所述瞬時幅值與所述隨機相位過程獲得地震動隨機過程；根據(jù)所述地震動隨機過程獲得地震動樣本。本發(fā)明可用于抗震設(shè)計領(lǐng)域。
文檔編號G01V1/28GK102721978SQ20121021029
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者張郁山 申請人:中國地震災(zāi)害防御中心