基于目標波波形分析的核電樓層譜人工波擬合方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于目標波波形分析的核電樓層譜人工地震波擬合方法，屬于核 電設備工程抗震安全分析與評價技術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002] 保障核電安全是確保核電廠建設順利實施和安全運行的關(guān)鍵，這其中保證核電抗 震安全的關(guān)鍵是核電站核安全級工程結(jié)構(gòu)及設備要在OBE和SSE級地震條件下，滿足結(jié)構(gòu) 完整性和運行可行性的基本要求。相比核電工程結(jié)構(gòu)的極限抗震承載能力，安全級核電設 備能否正常運行往往是更為關(guān)注的控制條件之一，而核電設備的抗震分析是以其所在核電 工程結(jié)構(gòu)的樓層地震反應譜作為輸入依據(jù)的。
[0003] 遵循保守設計的原則，核電工程結(jié)構(gòu)的抗震分析往往采用多種模型，多條輸入地 震波進行對比計算，并對獲得的樓層譜反應結(jié)果取最大包絡。同時，按規(guī)范要求考慮計算參 數(shù)不確定性的影響，對樓層譜計算值進行拓展峰值頻段與降低峰值高度的人工處理，最終 形成可用于核電設備抗震復核的樓層反應譜?？梢姡罱K用于核電設備抗震的目標樓層譜 是相應于某一安全水準下核電樓層動力反應的統(tǒng)計結(jié)果。以此為依據(jù)，通過采用人工波擬 合技術(shù)形成樓層譜人工波，用于安全級核電設備的時域動力分析。相比較建筑結(jié)構(gòu)輸入的 地震工程學中的地表設計反應譜，樓層反應譜包含了更多的結(jié)構(gòu)的頻率特性，從而往往具 有形狀復雜的明顯特征，主要表現(xiàn)在峰值多、峰谷差異大等方面，給人工波高精度擬合，及 波形控制帶來不小困難。
[0004] 從直觀的角度，工程師與核安全監(jiān)管人員，一般希望設備抗震安全設計及評價中 所采用的輸入人工波應盡可能地具有所在樓層譜真實動力反應的時程特征，這也是本發(fā)明 考慮的出發(fā)點。即確定合理的技術(shù)指標與技術(shù)路徑，描述所在結(jié)構(gòu)樓層的真實動力反應特 征，并在具有統(tǒng)計特征的樓層譜人工波擬合中盡可能地繼承這些信息，獲得符合目標波波 形的人工波時程。
[0005] 目前，人工波擬合方面的研宄，主要集中在反應譜迭代擬合方法。通常做法是建立 數(shù)學模型把地震波看成頻率不同、相位角隨機的三角級數(shù)的疊加，利用MaharajK.Kaul推 導出的反應譜和功率譜近似關(guān)系式求出相應功率譜，再按此功率譜去合成人工波。通常人 工波擬合的核心步驟是：
[0006] (1)從目標加速度反應譜換算功率譜，由功率譜得幅值譜。
[0007] (2)基于隨機相位角生成初始人工地震波。
[0008] (3)通過調(diào)峰值和疊加強度包絡線等方法，控制生成的時程曲線的形狀。
[0009] (4)目標反應譜的迭代擬合過程。
[0010] 然而，上述人工波擬合過程只是從目標反應譜的近似關(guān)系出發(fā)得到功率譜即平均 傅立葉譜，同時采用隨機相位角，均沒有體現(xiàn)目標波的波形特征；迭代過程中的強度包絡線 一般也為統(tǒng)計結(jié)果，認為其與震級大小、震中距的遠近等因素有關(guān)，不針對某一目標波。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明是一種基于目標波波形分析的核電樓層譜人工地震波擬合的整體方法。為 了使樓層譜人工波同時具目標波的強度包絡、頻率非平穩(wěn)性、能量分布的波形特征，提出了 基于目標波波形特性分析的，能繼承目標波基本波形特征的樓層譜人工波擬合方法。
[0012] 本發(fā)明的創(chuàng)新之處有：初始人工波的傅立葉幅值譜基于優(yōu)化取目標波的傅立葉幅 值譜和來源于目標樓層譜的傅立葉幅值譜的線性組合；在反應譜迭代過程中采用目標波的 相位角和強度包絡線，即采用目標波的基本特征；基于能量曲線間與時程曲線間的線性相 關(guān)性來考察樓層譜人工波與目標波的特征關(guān)聯(lián)性。
[0013] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0014] (1)選用真實樓層響應時程為目標波，分析其幅值、相位角、頻率、能量特征，確定 目標波的絕對值強度包絡線；通過對目標波進行傅立葉變換得到目標波的傅立葉幅值譜Fjw)和相位譜9?、能量分布曲線E(t) =/a2(t)dt。
[0015] (2)對目標波的反應譜經(jīng)過不確定性人工處理得到目標譜，按公式計算目標譜的 近似功率譜，得到初始人工波對應于目標譜的傅立葉幅值譜F2 (w)。
[0016] (3)按公式F(w) =aFiOO+a-cOFjw)求得初始人工波所采用的最終傅立葉幅 值譜，〇<a<1，a可以取步長為0.01，生成多組備選初始人工波的傅里葉幅值譜。
[0017] (4)采用目標波的相位譜和強度包絡線來定義初始人工波的相角及形狀特征，即 采用目標波的基本特征，生成數(shù)條初始人工波。
[0018] (5)針對步驟（4)得到的各條初始人工波基于反應譜迭代擬合過程生成對應的多 條人工波時程，迭代擬合過程中以目標波的強度包絡線為控制條件。
[0019] (6)以步驟（5)得到的人工波和目標波能量曲線間與時程曲線間的線性相關(guān)系數(shù) 為指標從步驟（5)得到的人工波的集合中推薦相關(guān)系數(shù)高的人工波為待求人工地震波。其 中能量曲線間的相關(guān)系數(shù)反映了這些人工波的能量積累過程是否與目標波相似；時程曲線 間的相關(guān)系數(shù)則更為直接地反映了這些人工波與目標波在波形上的關(guān)聯(lián)性。
[0020] 本發(fā)明能使樓層譜人工波具有一定的目標樓層時程反應的特征，解決了目前進行 核電設備抗震安全設計與評價時所使用的樓層譜人工波與建筑結(jié)構(gòu)樓層反應時程在頻率 非平穩(wěn)性、能量分布、波形特征上差別較大的問題，能提高樓層譜人工波的表達效果和工程 適用性。
【附圖說明】
[0021] 圖1是基于目標波波形分析的核電樓層譜人工地震波擬合方法流程圖。
[0022] 圖2a是實施例中作為目標波的由某相互作用分析獲得的樓層響應時程。
[0023]圖2b是實施例中作為目標波的由某相互作用分析獲得的樓層響應時程絕對
[0024] 值及其絕對值強度包絡線。
[0025] 圖2c是實施例樓層譜目標波的傅立葉20%帶寬幅值譜。
[0026] 圖3是實施例目標波的反應譜及不確定性人工處理后的目標樓層譜。
[0027] 圖4是通常人工波擬合過程獲得的人工波時程樣例。
[0028] 圖5a是按實施例方法合成的樓層譜人工波時程。
[0029] 圖5b是按實施例方法合成的樓層譜人工波、通常人工波擬合過程獲得的人
[0030] 工波與目標波能量分布曲線對比圖。
[0031] 圖5c是按實施例方法合成的人工波的反應譜、通常人工波擬合過程獲得的
[0032] 人工波的反應譜與目標譜對比圖。
[0033]圖中：1選定樓層動力響應時程（目標波）曲線；
[0034] 2目標波加速度絕對值時程；3目標波加速度時程絕對值強度包絡線；
[0035] 4目標波傅立葉20%帶寬幅值譜；5目標波的反應譜；
[0036] 6經(jīng)不確定性人工處理得到的目標譜；
[0037] 7通常人工波擬合過程獲得的人工波時程樣例；
[0038] 8按實施例方法合成的樓層譜人工波時程；9目標波的能量曲線；
[0039] 10按實施例方法合成的樓層譜人工波的能量曲線；
[0040] 11通常人工波擬合過程獲得的人工波的能量曲線；
[0041] 12按實施例方法合成的樓層譜人工波的反應譜；
[0042] 13通常人工波擬合過程獲得的人工波的反應譜。
【具體實施方式】
[0043] 下面結(jié)合具體方案和附圖，詳細敘述本發(fā)明的具體實施例。
[0044] 本實施例方法以擬合5%阻尼比的目標樓層譜人工波為例進行說明。包括以下步 驟：
[0045] (1)目標波波形特性分析。選用真實樓層響應時程作為目標波，如圖2a;計算其反 應譜，如圖3;確定目標波絕對值包絡線作為人工波擬合過程的包絡線，如圖2b。
[0046]計算目標波的的傅立葉相位譜0i(w)和幅值譜Fi(w)，如圖2c。
[0047] 傅立葉幅值譜Fjw)、相位譜9?的定義如式1 :
【主權(quán)項】
1. 一種基于目標波波形分析的核電樓層譜人工地震波擬合方法，其特征在于包含以下 步驟： (1) 選用真實樓層響應時程為目標波，分析目標波的幅值、相位角、頻率和能量特征，確 定目標波的絕對值強度包絡線；通過對目標波進行傅立葉變換得到目標波的傅立葉幅值譜 F 1(W)和相位譜9 i(W)、能量分布曲線E(t) = / a2 (t) dt ; (2) 對目標波的反應譜經(jīng)過不確定性人工處理得到目標譜，按公式計算目標譜的近似 功率譜，得到初始人工波對應于目標譜的傅立葉幅值譜F 2 (w); (3) 按公式F(W) = a F1 (W) +(I-a )F2 (w)求得初始人工波所采用的最終傅立葉幅值譜， 〇 < a < 1，生成多組備選初始人工波的傅里葉幅值譜； (4) 采用目標波的相位譜和強度包絡線來定義初始人工波的相角及形狀特征，即采用 目標波的基本特征，生成數(shù)條初始人工波； (5) 針對步驟（4)得到的各條初始人工波基于反應譜迭代擬合過程生成對應的多條人 工波時程，迭代擬合過程中以目標波的強度包絡線為控制條件； (6) 以步驟（5)得到的人工波和目標波能量曲線間與時程曲線間的線性相關(guān)系數(shù)為指 標從步驟（5)得到的人工波的集合中推薦相關(guān)系數(shù)高的人工波為待求人工地震波。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于目標波形分析的核電樓層譜人工地震波擬合方法， 其特征在于包含以下步驟：所述a取步長為〇. 01。
【專利摘要】本發(fā)明屬于核電設備工程抗震安全分析與評價技術(shù)領域，涉及一種基于目標波波形分析的核電樓層譜人工地震波擬合方法。其特征是先分析選定樓層譜目標波的幅值、相位角、頻率和能量特征；對目標波的反應譜經(jīng)過不確定性人工處理得到目標譜；計算對應于目標譜的傅立葉幅值譜；線性組合目標波和來源于目標譜的傅立葉幅值譜求得初始人工波傅立葉幅值譜；以目標波的相位譜和強度包絡線定義初始人工波；初始人工波迭代擬合時以目標波的強度包絡線為控制條件生成多組人工波，以其和目標波能量曲線間與時程曲線間的線性相關(guān)系數(shù)為指標優(yōu)選樓層譜人工波。本發(fā)明能使樓層譜人工波具有一定的目標樓層時程反應的波形特征，能提高樓層譜人工波的表達效果和工程適用性。
【IPC分類】G01V1-30, G01V1-28
【公開號】CN104849750
【申請?zhí)枴緾N201510191268
【發(fā)明人】李建波, 周磊, 梅潤雨, 林皋, 劉俊
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月21日