一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法

本发明涉及地震波模拟领域，特别涉及一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法。

背景技术：

1、在地震工程领域，准确模拟远场盆地的长周期地震动对于评估和设计抗震结构至关重要。远场盆地地震波的振幅和相位特征对结构物的影响同样重要，但现有技术在模拟这些地震波时存在一些局限性。

2、当前的设计地震输入多基于振幅，而对地震波的相位特征考虑不足。远场地震事件在沉积盆地中引起的长周期地面运动可能对结构物造成破坏。随机有限断层法是模拟地震效应的常用方法，它依赖于断层参数，不依赖于小地震的选择，可以模拟工程所需的地震效应。然而，该方法在设计地震输入时间序列时，通常使用随机相位角和振幅包络来近似真实地震的振幅时变特征，这种方法不能合理反映地震动的相位和非平稳特性。

3、纯随机相位角不能准确反映地震动的相位和非平稳特性。使用振幅包络近似非平稳的方法会改变原始序列的相位分布，影响模拟结果的准确性。

4、因此，现在亟需一种能准确反映地震动的相位和非平稳特性、并且不改变原始序列的相位分布的基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，能够准确反映地震动的相位和非平稳特性、并且不会改变原始序列的相位分布。

2、为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

3、一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，包括：

4、s1.使用改进的有限断层模拟方法计算子断层加速度的傅里叶幅谱；

5、s2.根据傅里叶振幅谱和相位谱，模型化源、路径、局部场地效应；

6、s3.根据相位谱和幅值谱合成地震波；

7、s4.利用谱元法进行数值正演低频地震动分量；

8、s5.合成宽频地震动波形，结合低频和高频分量。

9、基础方案原理及有益效果如下：本方案中采用改进的有限断层模拟方法，计算子断层加速度的傅里叶幅谱，为地震波的模拟提供频域特征。综合考虑地震源、传播路径和局部场地对地震波的影响，通过傅里叶振幅谱和相位谱进行模型化，确保模拟结果的精确性。根据相位谱和幅值谱，合成地震波，包括逆傅里叶变换以获取时间序列的地震信号，反映地震波的时域特性。利用谱元法对低频地震动分量进行数值正演，考虑盆地和震源区域的三维速度结构，实现对地震波传播过程的精确模拟。结合低频和高频分量，使用滤波器进行分频处理，合成宽频地震动波形，以模拟实际地震作用下的结构响应。

10、通过综合考虑源、路径、场地效应，本发明能够更准确地模拟远场盆地的长周期地震动。结合傅里叶幅谱和时间序列分析，本发明提供了地震波的全面特性，适用于结构抗震设计的多维度需求。通过概率分布特征的群延迟模型，本发明能够反映地震波的相位特征和频率非稳态性，提高模拟的真实性。采用谱元法和可变网格间距策略，本发明在保证模拟精度的同时，优化了计算时间和内存使用，提高了计算效率。通过低频和高频分量的合理合成，本发明能够生成符合实际地震记录的宽频地震动波形。通过与实际地震记录的比较，验证了本发明方法的有效性，并可应用于地震工程的抗震设计和地震风险评估。本发明能够准确预测盆地放大效应，为盆地地区的抗震设计提供了重要的参考依据。

11、综上，本方案实现了能够准确反映地震动的相位和非平稳特性、并且不会会改变原始序列的相位分布效果。

12、进一步，所述s1中所述傅里叶幅谱由公式(1)表示：

13、faij(f,rij)＝sij(f)·pi,j(f)·li,j(f)·exp(-πfκ)   (1)

14、其中faij为ij-th子断层加速度的fas；

15、si,j(f),pi,j(f),li,j(f)分别是傅里叶振幅谱和对φs(f)φs(f)φs(f)应的傅里叶相位谱；

16、方程(1)的左边可以表示如下：

17、exp(-πfκ)＝exp[i(φs(f)+φp(f)+φl(f))]   (2)。

18、进一步，所述s2中包括：傅里叶振幅谱faij(f,rij)的源模型，传播效应，局部场地效应模型化：

19、faij(f,rij)＝sij(f)·pi,j(f)·li,j(f)   (3)

20、sij(f)是源模型；pi,j(f)＝gij·aeij是路径分量模型，gij表示距离rij处的几何扩展模型；aeij是全路径非弹性衰减模型；是站点li,j(f)组件模型和li,j(f)＝am·an，am分别an是站点放大和递减模型。

21、进一步，所述s2中还包括：傅里叶相位幅谱exp(-πfκ)的源模型，传播效应，局部场地效应模型化：

22、exp(-πfκ)＝exp[i(φs(f)+φp(f)+φl(f))]   (4)

23、根据相位和群延迟关系

24、假定符合正态分布，通过建立具有概率分布特征群延迟模型来反应相位特征：

25、

26、其对应的均值μtgr(f)和方差下列形式表示

27、μtgr(f)＝μtgr,source(f)+μtgr,path(f)+μtgr,site(f)

28、

29、进一步，所述s3中还包括：

30、

31、其中：

32、δφ(f)＝-(μtgr(f)+σtgr(f)×s)×df×2π

33、φk+1＝φk+δφk

34、

35、其中a(t)是现场地震信号的总时间序列；yij表示每个子源ij贡献的加速度，该加速度由公式(1)所示的逆傅里叶变换获得；δtij是第ij个子断层沿路径的延迟时间；δtij是第ij个子断层的延迟时间，与子断层的源持续时间(t0ij)hij成正比；而m0为总地震震级；wij为第j次断层的相对滑移重量；nl和nw分别为有限断层走向和下倾的子断层数。

36、进一步，所述s4中包括：

37、根据勘察或者地震波反演得出的盆地和震源区域的三维速度结构，进行区域网格化，并利用谱元法进行数值正演低频地震动分量；区域模型采用可变网格间距策略，利用不连续网格在存在低速沉积层的上部一定距离处更精细的预设第一间距，在该深度以下的一定距离处设置更宽的间距。

38、进一步，所述s5中包括：

39、谱元法来精确模拟三维低频波传播，而高频分量则使用修正随机有限断层模型生成，使用四阶巴特沃斯滤波器，将低频和高频分频器设置为1hz，合成这两个部分，最终在时间域中形成统一的宽频地震动波形。

技术特征：

1.一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，其特征在于：所述s1中所述傅里叶幅谱由公式(1)表示：

3.根据权利要求2所述的一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，其特征在于：所述s2中包括：傅里叶振幅谱faij(f，rij)的源模型，传播效应，局部场地效应模型化：

4.根据权利要求3所述的一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，其特征在于：所述s2中还包括：傅里叶相位幅谱exp(-πτfκ)的源模型，传播效应，局部场地效应模型化：

5.根据权利要求4所述的一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，其特征在于：所述s3中还包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，其特征在于：所述s4中包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，其特征在于：所述s5中包括：

技术总结
本发明涉及地震波模拟领域，具体公开了一种基于群时滞模型的远场盆地长周期地震动混合宽带模拟方法，包括：S1.使用改进的有限断层模拟方法计算子断层加速度的傅里叶幅谱；S2.根据傅里叶振幅谱和相位谱，模型化源、路径、局部场地效应；S3.根据相位谱和幅值谱合成地震波；S4.利用谱元法进行数值正演低频地震动分量；S5.合成宽频地震动波形，结合低频和高频分量。采用本发明的技术方案能够准确反映地震动的相位和非平稳特性、并且不会改变原始序列的相位分布。

技术研发人员：李英民,吴哲骞,姬淑艳,潘潍浩,杨宏武,姜宝龙
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/28