中国地震局工程力学研究所科研亮点：基于特征提取匹配多强度指标的地震动合成方法

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科研亮点：基于特征提取匹配多强度指标的地震动合成方法

发布时间：2024/03/06

研究背景：

地震作为一个复杂的随机过程，其潜在的破坏能力不能通过单一的地震动强度指标（IMS）就能可靠地表示。反应谱，可以反映地震动的幅值和频谱特征，而在结构动力分析中应当综合考虑地震动的幅值、频谱和持时等多类型特征。这一问题在为结构动力分析而服务的地震动选取方法研究中已经受到了重视。基于广义条件参数分布（GCIM）的地震动选取方法就解决了仅以反应谱作为选取依据的局限性。而在地震动模拟方法的研究中，目前尚未有以广义强度指标为模拟核心的地震动模拟方法被提出，探索这类型地震动模拟方法可以为结构分析提供更为合理的输入。

研究方法及结果：

本研究构建了一套基于特征提取匹配多强度指标的地震动模拟程序（GMSP，见图1）。该地震动模拟程序的目的是在设定地震情景下为单一场点生成一组充分考虑地震动幅值、频谱、持时和累积能量的加速度时程。多个标量地震动强度指标被选取建立了目标矢量强度指标（[IA, DS5-75, PGA, SA(T)]），该矢量强度指标被用于在模拟过程中控制拟合优度。GMSP通过将一组实际地震动记录经主成分分析方法（PCA）特征提取后得到一组标准的正交基向量，即eigenquakes。采用多目标遗传算法结合约束条件进行迭代寻优，求解每个eigenquake对应的线性叠加系数。最终，在时域上完成缩放叠加得到模拟地震动记录。

以日本关东为目标区域，具体应用了本文的地震动模拟程序。基于目标矢量强度指标的多元正态分布，由拉丁超立方抽样（LHS）给出了目标多强度指标(见图2)。由GMSP生成的11条模拟地震动记录计算得到了多强度指标的模拟值(见图3)。从图中可以看出，模拟反应谱的谱值都分布在目标均值谱两倍标准差范围内，且非频谱参数的模拟值与目标值分布也基本一致。图4中给出了算例6中地震动记录详细的模拟结果。这些模拟结果表明：该地震动模拟程序能够实现对于地震动幅值、频谱、持时和累积能量的协调匹配，可以为结构动力分析提供合理的输入。

该成果发表在国际期刊《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，*通讯作者）。

图1 本研究构建的地震动模拟程序(GMSP）

（a）（b）

图2 基于LHS抽样得到的目标多强度指标: (a) 目标反应谱; (b)目标非频谱IMs.

（a）（b）

图3 由GMSP生成的地震动模拟结果: (a)反应谱; (b)非频谱IMs.

Case 6

（a）（b）

（c）（d）

图4. 算例6中的模拟结果: (a) 最优解集; (b) eigenquakes的线性叠加系数; (c)模拟地震动记录的加速度，速度和位移时程，以及计算得到的归一化I_A, 显著持时D_S5-75; (d) 反应谱的匹配情况