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研究亮點
基于特征提取匹配多強度指標的地震動合成方法
發布時間： 2024-03-06 點擊數量：21263研究背景：
地震作為一個復雜的隨機過程，其潛在的破壞能力不能通過單一的地震動強度指標（IMS）就能可靠地表示。反應譜，可以反映地震動的幅值和頻譜特征，而在結構動力分析中應當綜合考慮地震動的幅值、頻譜和持時等多類型特征。這一問題在為結構動力分析而服務的地震動選取方法研究中已經受到了重視。基于廣義條件參數分布（GCIM）的地震動選取方法就解決了僅以反應譜作為選取依據的局限性。而在地震動模擬方法的研究中，目前尚未有以廣義強度指標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構分析提供更為合理的輸入。
研究方法及結果：
本研究構建了一套基于特征提取匹配多強度指標的地震動模擬程序（GMSP，見圖1）。該地震動模擬程序的目的是在設定地震情景下為單一場點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。多個標量地震動強度指標被選取建立了目標矢量強度指標（[IA, DS5-75, PGA, SA(T)]），該矢量強度指標被用于在模擬過程中控制擬合優度。GMSP通過將一組實際地震動記錄經主成分分析方法（PCA）特征提取后得到一組標準的正交基向量，即eigenquakes。采用多目標遺傳算法結合約束條件進行迭代尋優，求解每個eigenquake對應的線性疊加系數。最終，在時域上完成縮放疊加得到模擬地震動記錄。
以日本關東為目標區域，具體應用了本文的地震動模擬程序。基于目標矢量強度指標的多元正態分布，由拉丁超立方抽樣（LHS）給出了目標多強度指標(見圖2)。由GMSP生成的11條模擬地震動記錄計算得到了多強度指標的模擬值(見圖3)。從圖中可以看出，模擬反應譜的譜值都分布在目標均值譜兩倍標準差范圍內，且非頻譜參數的模擬值與目標值分布也基本一致。圖4中給出了算例6中地震動記錄詳細的模擬結果。這些模擬結果表明：該地震動模擬程序能夠實現對于地震動幅值、頻譜、持時和累積能量的協調匹配，可以為結構動力分析提供合理的輸入。
該成果發表在國際期刊《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 本研究構建的地震動模擬程序(GMSP）
（a） （b）
圖2 基于LHS抽樣得到的目標多強度指標: (a) 目標反應譜; (b)目標非頻譜IMs.
（a） （b）
圖3 由GMSP生成的地震動模擬結果: (a)反應譜; (b)非頻譜IMs.
Case 6
（a） （b）
（c） （d）
圖4. 算例6中的模擬結果: (a) 最優解集; (b) eigenquakes的線性疊加系數; (c)模擬地震動記錄的加速度，速度和位移時程，以及計算得到的歸一化IA, 顯著持時DS5-75; (d) 反應譜的匹配情況
