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核电厂人工地震波模拟技术

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核电厂 人工 地震波 模拟 技术
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核电厂人工地震波模拟技术汪嘉舂才来中(荷堆大学校能拙术世计研究疏,■摹综述,人工地震渡模拟技术的方法和存在的目愿.提出J’将小浊变换引^刊雕书并在理有蕞拟方法的基础上,建立小波变换下的麓机过程舶时一攒功带蕾擅对一顿互功率谤.埘色蔓好置分析各种随机过程,进行人工地羹渡的模拟,曩报进程中考虑了速度、位移、相位等几个影响因素.对于小同形式帕地震,分析了吝匿素的影响搭式与程度。同时利用小梭分折行了地震时程的摸拟.培出了在给定的反应谱和相关的地震条件下拇判的横报.啦震动时程曲拽.实过程曲线可以满足桩法攫的要求.关地震波模拭技术小波分析1引言抗震成为J【:程科学已经有7旷日0年的历史了,在目前的各种t}翟项目设计中(尤其对于~些重要的一[程设施,如大型水坝、桥粱、核电和核供热等),抗震设计已经成为其中的重要组成部分,也是保证其安全性的必要条件。由于核电厂的重要性、核事故的危害性以及核结构的复杂性,冈此,为确保在地震时不致对公众健康和安全产生危害.要求援电厂具有很高的安全性。我国《核电厂抗震设计规范》中规定要按两个地震动(sL—l,准进行核算。虽然我图近儿十年先后获得了不少强震记录.但对于满足工程上的应用无疑是远远不够的。主要表现在:备地震记最的震源特祉、地震机制、传播路径等园地、囡时而异:场地的情况千蓑万别;相同或相近的地厩动特性(如地震人小、记录幅值、频谱和持续时间等)的记录难于找到{同一集系的地震动可能性更是微乎其微。在这种情况卜.,按一定程序人为形成与预期地震动特性相{!;就是所谓的地鬟动人工合成技术.也称地震波人工模拟技术。由于缎济建设的迅速发展,各种工程项目日盐璜壶.结均也越来越复杂.因而在重要的抗震设计中罐埔震确时程的确定提出了更追切舶要求。 _造羹动涟地震反鹿研究和抗震设计的基础。在目前动力设计阶段,则以了解结构在攮个地艘动时程输入过程中的动力行为为基础.因此.髓着结构设计逐步向动力设计阶段发展,作为结构动力学分析的输入,地震动时程是不可少的,特别是对于大型工程.如核电设施、水电设旖、海洋平台超高层建筑及其它特殊结构的设计分析.地鬟动时程整来蝗显示其熏要性。此外,对土体动力行为、十体地震反廊及其对地震影响的研究等.亦需要地震动时程。止是由于地震动时程在目前工程动力分析中的重要性雨同时时程记录义极度匮乏的现实要求我们要发展一种适合丁程需要的地震波人8人【地震动时程的要求主要集中在两方面:①满足抗震设计、结构动力分析等所需要的关于强度、频谱和持续时间等方匝的参数;②能反映地震动本身的特点或包含有和地震动记录相一致的信息。地震动模拟是个复杂的科研和技术实现过程,理论和技术尚在研究和探索2中。工程地震动的模拟涉及到工程要求的应用过程,不同:翻里有不同要求,加上地震地质环境变化复杂.无疑地震动模拟至少在目前尚不能完成其全部任务和满足全部要求。许多理论和方法及其在工程应用中的问题都有待进一步的研究和不断完善。2技术分析2 1模拟方法随着抗震1程动力学设计的不断发展,地震动的需求和重耍胜日益增加,地震动人工台成技术也经历了发展完善的过程。早期为工程目的用计算机进行地震动时程台成是由后.许多研究者先后提出许多改进以脉冲叠加模型为基础的人造地震动时程,包括早期平稳随机过程模拟和以后的非平稳的随机过程模拟产生的时程及包括三维地震地面运动的随机模拟时程等.其中应用较多的为咀三角级数和模型合成的时稆,第二类悬以天然地震记录为基础的修正时程,其中包括比例法和自同归滑动平均模型(:第三类是由翻:源机制和波传播为基础的理论地震动模拟。目前在:帕基本思路是用一组二角级数之和构造一个近似的平稳高斯过程,然后乘以强度包络线.圳.得到非平稳的地面运动加速度时程。常用的模型是:,(,)∑G 十仇)★·~为(区间内均匀分布的随机相角,为地雠动时程的相位谱值;,O)为强度包络。夸口(,)为口和)=∑Ck t+·ok)k=式中功率谱密度函数根据14T”其中的功率谱密度函数给定的反应谱得到.拟台方法在具体做法上有喜接法和间接接法利用傅立叶幅值谱与无阻尼速度反应谱之间的近似关系式,不断迭代直至计算反应谱与目标反应谱笱合蛤定精度为止。间接法则是首先将反应谱转换为功率谱密度函数,然后利用上式进行计算,台成的人工:波的反应谱采用下式选代过程对幅值谱反复修正,即可使计算反应谱瓯徊,掌)向目标反鹰谱.《栖,舌)逼近,从而满足对地震动的模拟。2.2存在的孵墨上述人..2.1非平稳性问题几乎现在的所有方法都是根据平稳过程的随机理论产生的,其中被广泛应用的傅立叶分析恰恰是适用于平稳过程的最佳数学工具.对非平稳I:程却束手无蘸。它对于非平稳性蛔题具有先天的缺陷。如图所示的两条曲线,信号f.(t)(如图1)是由两种不同频率分母t)(如I|鲴2)仍由这两种糍率分戢自它们分圳符{IH:l、1)址究个相同的,疆然不嗣fl;l,说目立;|;∞)的任一频点值烂山时恻过“f《t)住档个时间域(一一+一)上的贡献决定的,反之,过程f(t)狂某一时刻的粘个频率域(~m+一)上的贡献来决定的。因此,_洄)与f(t)彼此是整体刻画,不能反映符白在局部区域上的特征,不能刚就是说.根本不能反映曲线地局部突变,对。怍平稳过程根本无法确切描述.然而很明显的看出,地震波是一个1包含各种瞬态突变信号。闪此在地震波的模拟过榉中如1¨『J“生和处理这种非平稳过稀是入:龇㈣2l 5削3^(1)舶频叶倒2如((t)的频阱2.2 2幅值谱闷觏现有方法叶据反麻谱与功率谱(或转换笑系得到的.而合成方法中所利前提推导山来的近似公式,冈而存在一定的问题。在平稳随机过程中功率谱是常,舀:讣甲稳随机过徉中.由丁测不准原理的限制.闲此,不能谈论(u,t)相空问中某 点上的瞬时能龄密度I,(丁前适川.小波变换功率谱正在发展中.已经提Ⅱ果能将其麻极人∞消除模拟方陷,增加它的准确性。2.2.3相位谱问题口前所 相独立的随机数进行模拟的.这样得到的地震波的频谱是平稳的.然而地震波的频谱具有明显的不平稳性,同时相位谱对整个地璃波和动力分析位谱对丁地震波模拟的影响她图5~7.图5是6熊采刚实际记录的相位进行地震波模拟得到的曲线,图7是采刚(o,2 n)的均匀分稚随机相角进行地震波模拟得到的曲线。通过比较可毗很明显的看到.相位角对丁地震波模拟米说是非常重要的.而且现在的模拟方法也是不太台适的。很多研究表明,地震动频率含量的1卜平稳性对结构的1|弹性反廊的影响也相当人。~I 谱平稳)币谱不平稳)进行动力分析得到的结果。图寸以上幽可以看山,地震动的频谱1矩等都有增加.而且影响很人。从陶I j.在两种地髓动输入情况r.反应的时间过牲庄强震段(前25s)基本相同,幕别士要柱结构人舶破坏恰蚶发生往这一时间段内(这删频谱运渐集q,183n:某一狭小频率)。^l L’2一”2J)黜矗书兰+1耳垃皂酗5I J 一一『。÷,,,,一一’。。夕多—一_、≮—~、、~.嘲6 o—n 02酗7(s)雁I^,蚓¨I々,币“咏相付谱而J.L:是由丁幅值诺、颜i{2}的不下稳前商人提山相何著谱的方法,但是研究还不够成熟,席,是已经取得了一定的积极效果·如果在此基础上进行研究和完善,有_『能更蚶地改善地震波模拟技术的现有缺粥。2.2 4持续时问个地震动可以有相同舯摄人幅值甫苷持续时问的1:损坏的搠累效府,就会对结构造成不同的破上{:《特别是当宝卉构接近破坏状态叫f|勺忭弹悄:反应阶段尤为显糟1。抗震设汁的反戍谱叶加反映,姆含了持耐不影响结构反戊的假定十持】一。呲啪叭于持续时间对结构的影响不容忽视.因而如何相对合适的选择持续时间也是一个非常重要的问题.尤其是相对于方法繁多,侧重点不同的现状。 。÷毒:尊 考虑震距和震级等因素的影响也有一些研究者尝试把地震物理机制等有关知识引入强震加速度合成之中,考虑震源破裂过程和地震传播与地震动的物理联系.利用成层地球介质模型,由理论计算出波频散曲线,并将强震加速度的相位角分布分成由波频散曲线确定的和由不确定因素(随机数)贡献的两部分进行地震波模拟(主要是用于地质部门.由于各处的地质情况千差万别,无法形成行之有效的模拟方法)。然而震级、震距对地震波的长短周期的分布有一定的影响,而周期的长短对震害又有相当大的影响,因而在用于结构动力分析的地震动时程合成过程中予以考虑是非常必要的。3发展和完善地震波模拟技术在工程上的重要性和它与之不协调的发展水平的矛盾,要求发展一种更好的模拟方法用于工程应用。同时由于小波技术和地震研究的进步使这种发展成为可能。目前可以利用给定的反应谱和相关的地震条件.得到模拟的地震动时程曲线如图12,可以满足一定的工程需要。现在分析非平稳过程使用最多的就是小波变换。小波变换理论是近年来发展起来的一门新的理论,它的研究已为数学家、理论物理学家和工程学家们的密切关注。数学家们认为,小波分析是一个新的数学分支.它是泛函分析、傅立叶分析、调和分析、数值分析的完美结晶.工程学家们则认1850 5 10 15 20 舒●I●‘*r●‘有人造地震波方法中的傅立叶分析是纯频域分析,认为信号f(t)在每个时刻只适用于确定性的平稳信号,在时空域上,傅立叶变换厂洄)没有任何分辨率,其在有限频域上的信息不足以确定任意小范围内的函数f(t).特别是非平稳信号在时间轴上的任何突变,其频率将散布在整个频率轴上而对研究信号的局部性质起了一定的推动作用.实现了时一频域分折。但加窗傅立叶变换在处理奇异信号和非平稳信号时不是很有效波分析优于傅立叶分析之处在于,它在时域和额域同时具有良好的局部化性质,并有一个弹性时一频窗,对高频(低频)信号成分,时窗自动变窄(宽)。由于小波分析能对高频成分采用逐渐精细的时域或空域采样步长,可以对对象进行精细分析,因此特别适用于各种非平稳信号(包括地震动信号)。现有的小波分折技术已经有了一定的基础,取得了一定的成果,被广泛应用于一维非平稳信号的分解与重均、图象的分析和完全重构以及量子场论、地震勘测、计算机视觉、语音分析、模式识别、大气湍流等许多非线性领域。将小波变换引入到随机过程的分析中来,在现有模拟方法地基础上,建立小波变换下的随机过程的时一频功率谱及时一频互功率谱,可以更好地分析各种随机过程,进行人造地震波时程的模拟。同时,小波分析方法要比傅立叶分析方法更加经济有效(为了得到同样的精度可取较少的项),正是由丁二这一特点,合成过程的计算速度问题也将有一定的保证。最后,还要根据地震研究的现有成果,将震级、震距、频谱相位、持续时间等因素加以有效利用.就能合成出更加符合要求的地震动时程。参考文献1 胡聿贤.时振粱主辖.重要工程中的地震问题.地震出版社.2 蒋溥、攘面思著工程地震学概论.地震出版社.3 赵松年,臻小芸子波变抉与子波分析.电子工业出版杜1996.4 桷福生.小渡变抉的工程分析与应用.科学出版社.1999.j 王君杰.周晶.地震动频谱平稳性对结梅非线性反应的影响.地震工程与工程振动,1997,17(2)期6 朱昱.冯启民.相位差谱的分布特征和人造地震动.地震工程与工程振动,1992,12(1).186核电厂人工地震波模拟技术作者: 汪嘉春, 才来中作者单位: 清华大学核能技术设计研究所本文读者也读过(10条)1. 算机模拟人工地震波[会议论文]电站用储油罐应力分析与评定[期刊论文]4(1)3. 电站燃料厂房辅助吊车抗震计算[期刊论文]6(3)4. 邓晶晶 柴油发电机组抗震分析[会议论文]同法规关于核电厂设计地震动合成的技术要求比较[期刊论文]7(2)6. 于强震记录的核电厂抗震标准反应谱研究[期刊论文]3(1)7. 祝春艳 核电用消防水泵的抗震安全及内流场分析[学位论文]20098. 刘中华 核电设备抗震试验与计算分析[学位论文]20089. 潘蓉 核设施抗震设计中的设计地震反应谱[会议论文]王开松 多工况下位论文]2008本文链接:
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