基于LSTM神经网络的牵引站电气设备耦联体系地震响应预测

铁路牵引变电站中,软导线-电气设备耦联体系具有较强的几何非线性。为提升系统分析效率,提出一种改进的软导线-电气设备耦联体系地震响应递归预测方法。基于长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络与Dropout防止过拟合技术搭建了LSTM神经网络预测模型。建立了充分考虑软导线对相邻设备的耦联作用的软导线-电气设备耦联体系理论分析模型。为验证预测模型的泛化能力,筛选出了41条在峰值、频谱和持续时间上具有较大差异的地震波。并按照递归方案,将选取的地震波以及软导线-电气设备耦联体系理论分析模型计算所得的位移响应,进行滑动切片处理,建立模型输入特征与输出响应标签的映射关系。在此基础上,利用该LSTM神经网络预测模型开展了软导线-电气设备耦联体系设备的地震位移响应预测,并采用多个评价指标进行较为全面的模型性能评估。研究结果表明:LSTM递归预测模型具有良好的地震响应预测性能,搭配Dropout技术能够有效防止模型训练过拟合,提高模型适应能力。对于差异较大的地震波数据,均能够快速预测出误差较小、相关度较高的地震响应,具有较好的准确性、高效性与泛化能力。所提方法能够较高效准确地预测任意时刻的软导线-电气设备耦联体系地震响应,为铁路牵引变电站抗震设计提供新的研究思路。

面向结构地震响应预测的Phy-LInformers方法

为了准确评估建筑结构在地震作用下的动力特性和延性性能并促进韧性城乡的建设,本文提出了一种名为Phy-LInformers的深度学习框架,该框架综合运用了长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)、Transformer类模型Informer以及物理先验知识,以实现对建筑结构非线性地震响应的精确预测。该框架的核心思想是结合Informer的编码(Encoder)和解码(Decoder)结构,在Decoder部分引入了LSTM以预测建筑物先前的历史状态信息。同时,通过将现有的物理知识(例如预测变量之间的状态依赖关系和运动控制方程等)编码到损失函数中,对Phy-LInformers进行指导并约束其学习空间,同时提高有限训练数据下深度学习模型的预测性能。随后,通过2个模拟数据算例验证所提框架的性能。结果表明,所提出的Phy-LInformers是一种鲁棒性良好、预测性能优秀的非线性地震响应预测方法,即使在训练样本非常少(例如仅有10条)的情况下依然能准确预测结构在地震作用下的动力响应。这一特性使得Phy-LInformers在工程实践中具有可行性,并且在建筑结构抗震性能评价领域展现出良好的应用前景。

基于LSTM网络的连续箱梁桥地震响应预测

现有的桥梁地震响应分析方法存在计算成本高、计算效率低等问题。快速有效地预测桥梁地震响应对桥梁结构的抗震性能评估和地震安全性有着重要的意义。建立了一种基于长短时记忆神经网络的混凝土连续箱梁桥地震响应预测模型。根据特征反应谱筛选出80条在峰值、持时和平均波速上有较大差异的地震波,利用ABAQUS建立桥梁有限元模型并生成加速度响应样本数据,以此对网络进行训练和测试。研究结果表明:基于LSTM网络的地震响应预测模型对差异较大的地震动均能够快速、有效地预测桥梁的加速度响应,表现出良好的预测性能和鲁棒性;与堆栈序列LSTM网络模型(LSTM-s)相比,该模型具有更高的预测精度。

长周期隔震结构基于反应谱理论的地震响应预测研究

在长周期基础隔震结构的地震响应计算或设计的某些阶段(如初步设计阶段或设计完成后的评估阶段),有必要建立一种地震响应实用计算方法,通过简单计算即能体现地震动长周期分量作用,提高隔震结构的地震安全性。通过选用合适的强震记录建立适合一定阻尼比和周期范围的、相应于规范设防烈度的相对位移、相对速度和绝对加速度反应谱,给出实用算式及地震动位移峰值和速度峰值;基于周期等效等准则,建立基础隔震结构的双质点系简化计算模型,推导简化计算模型参数、动力特性及地震响应的简化算式。建立基础隔震结构地震响应预测方法。利用建立的反应谱实用算式及两质点系计算模型的参数和动力特性的简化算式,可快速预测大阻尼比、长周期隔震结构地震响应。

基于能量平衡的建筑结构地震响应预测法基础研究

时程分析法作为获得结构地震响应值的有效手段之一,已经开始被工程界广泛采用,然而时程分析法有它的局限性。能量法是利用能量收支平衡概念,基于大量的数值解析结果构筑起来的一种抗震设计理论。介绍能量法的基本理论,并利用能量法和时程分析法对工程结构进行计算,比较其结果,最后得到一些有益的结论,可以为结构的抗震计算和设计提供参考。

基于能量原理的阻尼器隔震结构地震响应预测

建立在地震作用下设置阻尼器的基础隔震结构在最大地震响应时刻的能量平衡方程,给出了结构隔震支座和阻尼器的能量表达式,演算了基于能量平衡的设置阻尼器的基础隔震结构的地震响应预测式。选用人工地震波和天然地震波,利用时程分析法的解析值验证了地震响应预测式的精度,比较研究了仅设置粘性阻尼器和同时设置粘性阻尼器和滞回阻尼器的基础隔震结构的抗震性能。研究表明:对于不同的输入地震波,能量法的地震响应预测值包络了多数时程分析的结果,能较好地预测基础隔震结构的地震响应值。在基础隔震结构设计中,建议在隔震层同时设置粘性阻尼器和滞回阻尼器,粘性阻尼器的阻尼比在0.3～0.4之间。

基于能量原理的外钢框架-内剪力墙结构地震响应预测法

利用能量法研究了外钢框架-内剪力墙结构的地震响应.文中设计了一个钢框架结构,将其中跨满布剪力墙,得到外钢框架-内剪力墙结构.对其进行简化,并利用能量法和非线性动力时程分析法对其进行地震响应分析.结果表明,能量法预测的外钢框架-内剪力墙的地震响应与非线性动力时程分析法的计算结果相差不多,可以为实际工程提供参考.

基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测

合理准确描述堆石料的力学特性是高土石坝地震响应预测和安全评价的重要前提。以特高心墙坝填筑期变形的监测结果为目标值开展了三维反演分析,获取了反映大坝真实状态的坝料广义塑性模型和邓肯张E-B模型的参数,探讨了两种本构模型描述高土石坝变形的精度,随后采用反演的广义塑性模型参数开展了高土石坝的地震响应预测及安全评价。结果表明:目前反演分析常用的邓肯张E-B模型无法兼顾竖向和水平变形,且反演参数无法用于动力分析;静动统一的广义塑性模型计算的竖向和水平位移均与实测结果吻合良好,并可直接用于大坝的动力响应预测。所建立的一整套基于弹塑性模型参数反演的高土石坝地震响应预测分析方法,可为高土石坝的安全评价和风险预警提供可靠的技术支撑。

基于能量平衡的基础隔震结构地震响应预测及优化设计法研究

为了能快速准确地预测基础隔震结构隔震层响应的上限值,针对隔震层设置滞回型阻尼器的基础隔震结构建立地震能量平衡方程,根据等价往复滞回次数下限值经验公式提出考虑等价往复滞回次数降低的地震响应预测法。给出了预测式的推导过程,分析了阻尼量较大时等价往复滞回次数降低的现象,通过非线性时程分析验证了该预测法的准确性。分析了最优总剪力系数设计的剪力降低效果。利用总剪力降低率和位移降低率的线性组合构建优化设计目标函数,在此基础上提出能够考虑剪力和位移不同侧重需求的优化设计法。通过对6层钢框架基础隔震结构进行优化设计和时程分析验算,验证了优化设计法的可行性与高效性。

基于能量原理的隔震结构地震响应预测法研究

建立地震作用下隔震结构在最大地震响应时刻的能量平衡方程,给出隔震结构隔震层和非隔震层的弹性振动能、塑性能的表达式,推导出基于能量平衡的隔震结构地震响应预测式。以顶部隔震、层间隔震、基础隔震结构为仿真对象,利用时程分析法的数值解验证了地震响应预测式的准确性,比较研究了三种隔震结构的抗震性能。结果表明:对于不同的输入地震波,能量法的地震响应预测曲线包络了多数时程分析的结果,能量法能够较准确地预测隔震结构在地震作用下的响应值。

神经网络预测模型在高速铁路地震响应中的性能对比

为明确何种深度学习模型适用于高速铁路地震响应预测分析,该文利用振动台技术建立高速铁路无砟轨道Ⅱ型板缩尺模型,使用准分布式光纤光栅采集地震时缩尺桥梁响应,建立3种评估指标.从预测精度和稳定性等方面深入研究,对比多层前馈网络(multilayer feedforward network,BP)、长短期记忆神经网络(long short-term memory neural network,LSTM)和循环神经网络(recurrent neural network,RNN)在地震响应中的效果.实验结果说明LSTM网络比BP、RNN网络模型具有更高的预测精度,且在不同应变范围中表现稳定.LMST模型预测结果的平均误差最小,均方根误差、平均绝对误差、决定系数分别达到了0.22582、0.1471、0.91542,可以获得最佳预测精度.

基于集成学习的结构地震动响应预测方法研究

为获取建筑结构在地震过程中的位移响应,解决结构主动控制中的时滞问题,使用集成学习方法预测结构位移响应。提出了一套适用于结构地震动响应预测的集成学习模型,使用不同的神经网络和损失函数组合作为基学习器,在此基础上使用全连接网络构建二级学习器,得到最终预测模型。模型使用双向地震动加速度和结构位移响应作为输入,预测短期的结构位移响应;结构位移响应可实现多步预测,进行动态化输出。将该框架应用于某钢框架结构,进行数值实验,结果表明,集成后的模型预测结果要优于单一模型的预测结果,所有模型都表现出预测误差随着预测时间的增加而增加的规律。模型的预测随着地震过程在同步进行,当模型预测值第一次达到某一阈值时,则将预测结果反馈到主动控制系统中,提前进行结构振动控制,而不必等待位移传感器采集到真实的响应数据,从而减小甚至避免主动控制中时滞问题的影响。

塔里木盆地碳酸盐岩缝洞系统的地震响应特征及预测

塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩缝洞系统主要是由多期多旋回溶蚀、成岩和构造破裂作用形成的有成因联系的有效缝、洞及其所连通的孔、洞、缝构成的网络状储集体;缝洞系统的发育程度和规模是奥陶系碳酸盐岩油气成藏和稳产、高产关键。目前的地震技术方法难以检测和识别单个较小的孔洞缝,但由诸多孔洞缝组成的一定规模的缝洞系统是可以有效检测和预测,且地震波的动力学参数对识别和检测缝洞系统较运动学属性参数更为敏感可靠。缝洞系统的检测可以利用相干体分析、振幅属性、多尺度裂缝检测、频率差异分析和波阻抗反演等技术进行优化组合,但不同地区、不同成因、不同规模的缝洞系统需利用不同的方法技术组合去表征。

非线性结构地震响应的神经网络算法

提出一种基于长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络模型计算非线性结构地震响应的新方法,采用单向多层堆叠式LSTM架构,并借助滑动时间窗实现递推计算。改进了模型预测效果的评价指标,可考虑响应在不同幅值区间的敏感性差异,避免了传统评价指标的相位敏感问题。利用实测地震动和多层框架结构进行了新方法的验证,给出了网络超参数的取值原则,并讨论了不同工况下模型的泛化能力。结果表明,LSTM模型的计算精度较好、对地震动类型具有鲁棒性。由于神经网络模型便于分布式、云部署的特点,该方法可在城市区域地震响应快速模拟等传统数值方法受限的应用场景发挥作用。

长周期结构相对位移反应谱研究

在对长周期结构进行抗震设计时,或采用基于位移的性能设计方法进行结构设计时,或采用各种结构控制技术对结构进行减隔震设计时,需要用到相对位移反应谱,而目前各国规范给出的一般都是某种标准化的绝对加速度反应谱。本文指出了国内外目前在用的部分规范提出的长周期反应谱存在的问题,采用80条高通低截止频率(0.025 Hz～0.125 Hz)、加速度峰值≥0.10 g的水平向强震记录,计算了周期0～10 s、阻尼比0.10～0.40的相对位移反应谱,研究了位移谱的影响因素及控制参数,建立了考虑震源参数、地震动幅值特性、场地条件、谱控制参数、阻尼比调整系数的可供长周期结构设计使用的弹性相对位移谱,给出了实用化计算公式及地震动位移峰值。结果表明,相对位移谱卓越周期是控制位移谱谱值及形状的重要参数;本文研究得到的相对位移谱能较好地拟合实际相对位移谱。

基础隔震层附加黏滞阻尼器结构优化设计方法

为合理有效地进行基础隔震结构隔震层黏滞阻尼器设计,提出一种根据隔震层位移和剪力设计侧重需求确定阻尼器参数的优化设计方法。针对隔震层设置黏滞阻尼器的基础隔震结构建立地震能量平衡方程,给出由地震结束时刻总输入能量预测隔震层最大位移与总剪力系数的简易方法,并利用动力时程分析验证预测法的准确性,结果表明阻尼器附加阻尼比越大则预测精度越好。分析了最优剪力设计下的隔震层响应降低效果。基于求解响应比组合函数极小值的设计原则,利用隔震层位移响应比与总剪力响应比的线性组合构建优化设计目标函数,并分析了4种典型目标下的隔震层响应特性,在此基础上给出隔震层附加黏滞阻尼器的优化设计流程。最后通过对6层钢框架基础隔震结构进行优化设计和时程分析验算,验证了方法的可行性与高效性。本文预测法可作为一种具有较好的准确性及安全性的响应验算方法;设计法优化了基础隔震结构隔震层位移与剪力响应,设计流程简单且适合手算,是一种高效的隔震层附加黏滞阻尼器优化设计方法。

Gas sand distribution prediction by prestack elastic inversion based on rock physics modeling and analysis

Seismic inversion is one of the most widely used technologies for reservoir prediction. Many good results have been obtained but sometimes it fails to differentiate the lithologies and identify the fluids. However, seismic prestack elastic inversion based on rock physics modeling and analysis introduced in this paper is a significant method that can help seismic inversion and interpretation reach a new quantitative （or semi-quantitative） level from traditional qualitative interpretation. By doing rock physics modeling and forward perturbation analysis, we can quantitatively analyze the essential relationships between rock properties and seismic responses and try to find the sensitive elastic properties to the lithology, porosity, fluid type, and reservoir saturation. Finally, standard rock physics templates （RPT） can be built for specific reservoirs to guide seismic inversion interpretation results for reservoir characterization and fluids identification purpose. The gas sand distribution results of the case study in this paper proves that this method has unparalleled advantages over traditional post-stack methods, by which we can perform reservoir characterization and seismic data interpretation more quantitatively and efficiently.

Semi-active predictive control strategy for seismically excited structures using MRF-04K dampers

The theoretical study of a semi-active predictive control(SAPC) system with magnetorheological(MR) dampers to reduce the responses of seismically excited structures was presented.The SAPC scheme is based on a prediction model of the system response to obtain the control actions by minimizing an object function,which has a function of self-compensation for time delay occurring in real application.A double-ended shear mode combined with a valve mode MR damper,named MRF-04K damper,with the maximum force of 20 kN was designed and manufactured,and parameters of the Bouc-Wen hysteresis model were determined to portray the behavior of this damper.As an example,a 5-story building frame equipped with 2 MRF-04K dampers was presented to demonstrate the performance of the proposed SAPC scheme for addressing time delay and reducing the structural responses under different earthquakes.Comparison with the uncontrolled structure,the passive-off and passive-on cases indicates that both the peak and the norm values of structural responses are all clearly reduced,and the SAPC scheme has a better performance than the two passive cases.