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水 利 学 报

２０２２年 ８月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 ８期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）０８ － ０９２６ － １３

地震波频率非平稳对土石坝非线性结构响应影响研究

张 饶，金 峰，黄杜若，刘 宁

（清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４）

摘要：地震动具有频率非平稳性的特征，对结构动力响应存在显著影响。本文发展基于小波包变换的人工地震波
随机模拟方法，生成了一系列匹配目标加速度反应谱、能量累积过程和重要持时，同时具有特定频率非平稳性的
人工地震波。以美国 Ｓｕｃｃｅｓｓ土石坝为例，研究了地震动频率非平稳性对土石坝非线性结构响应的影响。结果表
明，控制模拟地震波的频率非平稳性，对土石坝结构响应有着更好的无偏估计，平稳地震波会低估坝体响应。
线
关
：
性结构响应；人工地震波；小波包变换
键
词
石
土
；
非
；
坝
非
率
频
性
稳
平
中图分类号：ＴＶ６４１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２００１５
１ 研究背景
大坝抗震分析与评价对保障工程运行安全有着重要意义，其关键问题之一是确定合理的输入地震
波，不同输入地震波的结构动力反应可能差异巨大 ［１ － ３］ 。由于受到强震监测历史短暂和设备的限制，
目前符合设计标准的实测地震波较为匮乏，人工地震波成为工程抗震设计时程分析的主要地震输入来
源。现有的人工地震波合成方法主要分为物理模拟方法 ［４ － ５］ 、随机分析方法 ［６ － ８］ 和混合方法 ［９ － １０］ 。其
中随机分析方法是一种经验校准逼近方法，利用一定数量的经验参数直接模拟生成地震波，具有所需
参数少、计算成本低等优点，能在短时间内产生大量地震波，在抗震分析中应用广泛。
传统人工地震波合成方法的主要目标是将人工地震波的反应谱和设计反应谱匹配 ［１１］ 。但真实地震
动非常复杂，具有非平稳特征。为研究地震动频率非平稳性影响，Ｙｅｈ等 ［１２］ 发现时变频率对非弹性退
化系统响应有显著影响。曹晖等 ［１３］ 以钢筋混凝土框架为研究对象，发现如果频率成分在时间上的分布
特征不同，结构的动力响应结果有着明显区别。李英成等 ［１４］ 以上海某深厚覆盖场地为背景，发现地震
动非平稳性对覆盖土层非线性反应的影响不容忽视。张翠然等 ［１５］ 发现实际地震动与只考虑拟合反应谱
的强度非平稳时程输入引起的坝体非线性反应有着较大区别。俞瑞芳等 ［１６］ 对大跨度桥梁结构进行分
析，发现未考虑频率非平稳性的地震动存在低估非线性结构响应的风险。因此，地震动频率非平稳性
对结构动力响应，特别是非线性结构响应可能存在着重要影响。土石坝坝体及覆盖层材料在地震动反
复荷载作用下，会表现出强烈的非线性特征 ［１７ － １９］ ，开展频率非平稳性对土石坝动力响应影响的研究，
对土石坝抗震安全分析评价具有重要意义。
尽管地震动模拟方法得到了迅猛进展，但对具有高度非平稳性地震波的仿真模拟仍是难点，更有
待发展一种精细控制地震波时－ 频特征以获得不同程度非平稳性地震波的模拟方法。同时，现阶段针
对频率非平稳性对结构响应影响的研究，主要针对简单结构开展，对土石坝这一复杂且重要水工结构
的研究仍是空白。为此本文发展了基于小波包变换（ ｗａｖｅｌｅｔｐａｃｋｅｔｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＷＰＴ）的人工地震波随机
模拟方法。同时，一方面通过精细控制人工地震波时程非平稳性、持时、谱加速度和能量累积，研究

收稿日期：２０２２ － ０１ － ０９；网络首发日期：２０２２ － ０７ － ２９
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０７２８．１５４４．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２１７９１３４）；国家自然科学基金重大项目（５２１９２６７０）
作者简介：张饶（１９９５ － ），博士生，主要从事水工结构抗震分析研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｂｚｘｚｒ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ
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