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研究亮點(diǎn)
基于特征提取匹配多強(qiáng)度指標(biāo)的地震動合成方法
發(fā)布時間： 2024-03-06 點(diǎn)擊數(shù)量：13299研究背景：
地震作為一個復(fù)雜的隨機(jī)過程，其潛在的破壞能力不能通過單一的地震動強(qiáng)度指標(biāo)（IMS）就能可靠地表示。反應(yīng)譜，可以反映地震動的幅值和頻譜特征，而在結(jié)構(gòu)動力分析中應(yīng)當(dāng)綜合考慮地震動的幅值、頻譜和持時等多類型特征。這一問題在為結(jié)構(gòu)動力分析而服務(wù)的地震動選取方法研究中已經(jīng)受到了重視。基于廣義條件參數(shù)分布（GCIM）的地震動選取方法就解決了僅以反應(yīng)譜作為選取依據(jù)的局限性。而在地震動模擬方法的研究中，目前尚未有以廣義強(qiáng)度指標(biāo)為模擬核心的地震動模擬方法被提出，探索這類型地震動模擬方法可以為結(jié)構(gòu)分析提供更為合理的輸入。
研究方法及結(jié)果：
本研究構(gòu)建了一套基于特征提取匹配多強(qiáng)度指標(biāo)的地震動模擬程序（GMSP，見圖1）。該地震動模擬程序的目的是在設(shè)定地震情景下為單一場點(diǎn)生成一組充分考慮地震動幅值、頻譜、持時和累積能量的加速度時程。多個標(biāo)量地震動強(qiáng)度指標(biāo)被選取建立了目標(biāo)矢量強(qiáng)度指標(biāo)（[IA, DS5-75, PGA, SA(T)]），該矢量強(qiáng)度指標(biāo)被用于在模擬過程中控制擬合優(yōu)度。GMSP通過將一組實(shí)際地震動記錄經(jīng)主成分分析方法（PCA）特征提取后得到一組標(biāo)準(zhǔn)的正交基向量，即eigenquakes。采用多目標(biāo)遺傳算法結(jié)合約束條件進(jìn)行迭代尋優(yōu)，求解每個eigenquake對應(yīng)的線性疊加系數(shù)。最終，在時域上完成縮放疊加得到模擬地震動記錄。
以日本關(guān)東為目標(biāo)區(qū)域，具體應(yīng)用了本文的地震動模擬程序。基于目標(biāo)矢量強(qiáng)度指標(biāo)的多元正態(tài)分布，由拉丁超立方抽樣（LHS）給出了目標(biāo)多強(qiáng)度指標(biāo)(見圖2)。由GMSP生成的11條模擬地震動記錄計(jì)算得到了多強(qiáng)度指標(biāo)的模擬值(見圖3)。從圖中可以看出，模擬反應(yīng)譜的譜值都分布在目標(biāo)均值譜兩倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，且非頻譜參數(shù)的模擬值與目標(biāo)值分布也基本一致。圖4中給出了算例6中地震動記錄詳細(xì)的模擬結(jié)果。這些模擬結(jié)果表明：該地震動模擬程序能夠?qū)崿F(xiàn)對于地震動幅值、頻譜、持時和累積能量的協(xié)調(diào)匹配，可以為結(jié)構(gòu)動力分析提供合理的輸入。
該成果發(fā)表在國際期刊《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（Chaoyue Jin, Jinjun Hu*. A new ground-motion simulation procedure based on feature extraction matching multiple intensity measures. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2023;168. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2023.107856）（IF：4.25，*通訊作者）。
圖1 本研究構(gòu)建的地震動模擬程序(GMSP）
（a） （b）
圖2 基于LHS抽樣得到的目標(biāo)多強(qiáng)度指標(biāo): (a) 目標(biāo)反應(yīng)譜; (b)目標(biāo)非頻譜IMs.
（a） （b）
圖3 由GMSP生成的地震動模擬結(jié)果: (a)反應(yīng)譜; (b)非頻譜IMs.
Case 6
（a） （b）
（c） （d）
圖4. 算例6中的模擬結(jié)果: (a) 最優(yōu)解集; (b) eigenquakes的線性疊加系數(shù); (c)模擬地震動記錄的加速度，速度和位移時程，以及計(jì)算得到的歸一化IA, 顯著持時DS5-75; (d) 反應(yīng)譜的匹配情況
