[发明专利]基于目标波波形分析的核电楼层谱人工波拟合方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于目标波波形分析的核电楼层谱人工地震波拟合方法，属于核电设备工程抗震安全分析与评价技术领域。

背景技术

保障核电安全是确保核电厂建设顺利实施和安全运行的关键，这其中保证核电抗震安全的关键是核电站核安全级工程结构及设备要在OBE和SSE级地震条件下，满足结构完整性和运行可行性的基本要求。相比核电工程结构的极限抗震承载能力，安全级核电设备能否正常运行往往是更为关注的控制条件之一，而核电设备的抗震分析是以其所在核电工程结构的楼层地震反应谱作为输入依据的。

遵循保守设计的原则，核电工程结构的抗震分析往往采用多种模型，多条输入地震波进行对比计算，并对获得的楼层谱反应结果取最大包络。同时，按规范要求考虑计算参数不确定性的影响，对楼层谱计算值进行拓展峰值频段与降低峰值高度的人工处理，最终形成可用于核电设备抗震复核的楼层反应谱。可见，最终用于核电设备抗震的目标楼层谱是相应于某一安全水准下核电楼层动力反应的统计结果。以此为依据，通过采用人工波拟合技术形成楼层谱人工波，用于安全级核电设备的时域动力分析。相比较建筑结构输入的地震工程学中的地表设计反应谱，楼层反应谱包含了更多的结构的频率特性，从而往往具有形状复杂的明显特征，主要表现在峰值多、峰谷差异大等方面，给人工波高精度拟合，及波形控制带来不小困难。

从直观的角度，工程师与核安全监管人员，一般希望设备抗震安全设计及评价中所采用的输入人工波应尽可能地具有所在楼层谱真实动力反应的时程特征，这也是本发明考虑的出发点。即确定合理的技术指标与技术路径，描述所在结构楼层的真实动力反应特征，并在具有统计特征的楼层谱人工波拟合中尽可能地继承这些信息，获得符合目标波波形的人工波时程。

目前，人工波拟合方面的研究，主要集中在反应谱迭代拟合方法。通常做法是建立数学模型把地震波看成频率不同、相位角随机的三角级数的叠加，利用Maharaj K.Kaul推导出的反应谱和功率谱近似关系式求出相应功率谱，再按此功率谱去合成人工波。通常人工波拟合的核心步骤是：

(1)从目标加速度反应谱换算功率谱，由功率谱得幅值谱。

(2)基于随机相位角生成初始人工地震波。

(3)通过调峰值和叠加强度包络线等方法，控制生成的时程曲线的形状。

(4)目标反应谱的迭代拟合过程。

然而，上述人工波拟合过程只是从目标反应谱的近似关系出发得到功率谱即平均傅立叶谱，同时采用随机相位角，均没有体现目标波的波形特征；迭代过程中的强度包络线一般也为统计结果，认为其与震级大小、震中距的远近等因素有关，不针对某一目标波。

发明内容

本发明是一种基于目标波波形分析的核电楼层谱人工地震波拟合的整体方法。为了使楼层谱人工波同时具目标波的强度包络、频率非平稳性、能量分布的波形特征，提出了基于目标波波形特性分析的，能继承目标波基本波形特征的楼层谱人工波拟合方法。

本发明的创新之处有：初始人工波的傅立叶幅值谱基于优化取目标波的傅立叶幅值谱和来源于目标楼层谱的傅立叶幅值谱的线性组合；在反应谱迭代过程中采用目标波的相位角和强度包络线，即采用目标波的基本特征；基于能量曲线间与时程曲线间的线性相关性来考察楼层谱人工波与目标波的特征关联性。

本发明包括如下步骤：

(1)选用真实楼层响应时程为目标波，分析其幅值、相位角、频率、能量特征，确定目标波的绝对值强度包络线；通过对目标波进行傅立叶变换得到目标波的傅立叶幅值谱F₁(w)和相位谱θ₁(w)、能量分布曲线

E(t)＝∫β²(t)dt。

(2)对目标波的反应谱经过不确定性人工处理得到目标谱，按公式计算目标谱的近似功率谱，得到初始人工波对应于目标谱的傅立叶幅值谱F₂(w)。

(3)按公式F(w)＝αF₁(w)+(1-α)F₂(w)求得初始人工波所采用的最终傅立叶幅值谱，0≤α≤1，α可以取步长为0.01，生成多组备选初始人工波的傅里叶幅值谱。

(4)采用目标波的相位谱和强度包络线来定义初始人工波的相角及形状特征，即采用目标波的基本特征，生成数条初始人工波。

(5)针对步骤(4)得到的各条初始人工波基于反应谱迭代拟合过程生成对应的多条人工波时程，迭代拟合过程中以目标波的强度包络线为控制条件。