基于深度学习算法的地震动重要持时预测模型

地震动持时对工程结构地震反应有重要影响,发展可靠的地震动持时预测模型是地震工程一个重要课题。基于日本K-NET和KiK-net在1997—2021年间获得的67813条地震动记录,将地震动记录按照震源类型分为浅地壳地震、俯冲带板间地震、俯冲带板内地震和上地幔地震四种类型,采用深度学习算法,建立了四种震源类型地震的地震动重要持时预测模型,并与传统预测方程进行了对比。结果表明,采用深度学习算法建立的地震动重要持时预测模型具有合理性和可靠性,能够取得良好的预测效果。四种类型地震的地震动重要持时的预测结果差异明显,尤其在震级较大的情况下,所以预测不同类型地震的地震动持时不应采用同一种预测模型。研究结果和结论可供地震动参数预测、地震区划、结构抗震设计和地震危险性分析等工作参考。

深厚沉积层对地震动持时影响的初步分析

基于NGA⁃West2和NIED数据库,以地震动70%重要持时和90%重要持时为研究对象。利用获取的9361组强震记录,采用随机效应回归和残差分析的方法,对典型持时预测模型进行改进,并探究了深厚沉积层对地震动重要持时的影响规律。结果表明:(1)场地沉积层厚度对地震动持时有显著影响,随着沉积层厚度的增大,地震动持时呈现出对数线性增长的趋势;(2)地震动持时的沉积层厚度效应与地震动强度具有相关性。重要持时随Z2.5的对数线性变化系数随地震动强度的增大而减小;(3)地震动持时分别随着震级和断层距的增大而增大,随着VS30的增大而减小;(4)在强震、远场以及软弱场地条件下,深厚沉积层对地震动持时的放大作用越显著。在高层结构的抗震设计时,考虑深厚沉积层场地对地震动持时的影响是有必要的。

地震动持时对考虑梁柱节点区不同破坏模式RC框架的地震易损性影响

地震动持时对非弹性结构的累积损伤和破坏有较大影响,但目前抗震分析设计中对地震动持时的规定是不明确的。从美国太平洋地震工程研究中心地震动数据库中选择具有不同持时和加速度峰值的60条地震动记录(PEER)中选取具有不同持时和加速度峰值的60条地震动记录,并划分为长、短持时两组各30条。利用Open Sees分析软件建立了一钢筋混凝土框架-填充墙结构教学楼的三维空间模型。分别以梁柱节点区不考虑非弹性变形、梁柱节点区考虑钢筋黏结滑移、梁柱节点区考虑钢筋黏结滑移和剪切变形三种工况来依次模拟节点区的破坏模式。以此60条地震动记录为输入进行结构的地震易损性分析,得到在五种损伤水平下,对应于不同工况两组持时记录的结构地震易损性曲线,进而评估地震动持时对考虑节点区不同破坏模式结构抗震性能的影响。分析结果表明,相对于短持时地震动记录,长持时地震动记录使结构在相应损伤水平和工况下的超越概率明显提高;同一损伤水平下,按照梁柱节点区不考虑非弹性变形,考虑钢筋黏结滑移,同时考虑钢筋黏结滑移和剪切变形的顺序,长、短持时地震动记录作用下其超越概率均显著提高,且长持时地震动记录对节点区考虑钢筋黏结滑移和剪切变形结构的影响更为明显。

考虑梁柱节点区非弹性变形评估地震动持时对RC框架震后可修复性的影响

可修复性评价是震后结构性能评估和决策的重要方面,残余变形是可用于评价结构震后可修复性的重要指标之一。为体现梁柱节点区可能的非弹性变形模式的影响,采用3种模拟工况,即梁柱节点区不考虑非弹性变形、考虑钢筋粘结滑移以及钢筋粘结滑移和剪切变形同时发生。以此为基础,选择一6层钢筋混凝土框架-填充墙结构为算例,利用Open Sees分析软件分别建立梁柱节点不同模拟工况所对应的有限元模型,选取长、短持时地震动记录各30条并进行基于规范目标谱的匹配。以此60条地震动记录为输入进行增量动力分析,得到对应于不同节点模拟工况两组持时地震动记录的结构增量动力分析曲线、地震动重要持时与结构残余变形之间的相关性和基于残余变形的结构地震易损性曲线,进而评估地震动持时对结构震后可修复性的影响。分析结果表明,随着地震动重要持时的增长,结构残余变形均有轻微增大的趋势,且随着梁柱节点区非弹性变形发展程度的增大,此趋势愈加明显;同一工况下,相对于短持时地震动记录,长持时地震动记录对结构可修复性评价结果的影响更为明显;同一损伤水平下,随着梁柱节点区非弹性变形发展的明显,长、短持时地震动记录对其可修复性评价结果的影响均依次明显。

基于汶川地震记录的旋转不变平均持时特征分析

强震持时计算分析中,选取记录不同分量会导致持时的离散性。针对持时与传感器布设方向存在不合理的依赖性这一问题,引入旋转不变平均持时概念。分析了断层距小于300km的87个台站汶川地震加速度记录的旋转不变平均持时与记录持时及合成时程持时的相关性,探讨了旋转不变平均持时随断层距的空间变化特性。结果表明:旋转不变平均持时与记录持时及合成时程持时均具有强相关性,其中:旋转不变平均持时与合成时程持时的相关性强于与记录持时的相关性;旋转不变平均持时与合成时程的重要持时的相关性强于Bolt持时,90%重要持时相关性强于70%重要持时,绝对Bolt持时相关性强于相对Bolt持时。分析认为可将合成时程的90%重要持时代替不受加速度传感器布设方向影响的旋转不变平均持时。旋转不变平均重要持时和相对Bolt持时将随断层距的增大而增加,旋转不变平均绝对Bolt持时则将随断层距的增大而减小。

考虑矩震级影响的位移谱阻尼调整系数

基于408条地震地面运动记录统计分析，首先研究了矩震级（ Mw ）对位移谱阻尼调整系数（ DSF ）的影响。结果表明：Mw 对DSF的影响与周期（ T ）和阻尼比（ξ）有关；在T ＞0．6 s的范围内，当ξ＜5％时， DSF随着Mw的增长而增长；当ξ＞5％时， DSF随着Mw的增长而减小。随着T的增长， Mw 对DSF的影响越显著；ξ越远离5％， Mw对DSF的影响越显著。在T ＜0．6 s的范围内， Mw对DSF无显著影响；当Mw ＝5～6时， DSF受T的影响显著；随着Mw的增大，在T ＞～0．6 s范围内， DSF受T的影响逐渐减弱；当Mw ＝7～8时，在T ＞0．6 s范围内，除阻尼比为0．5％和1％的DSF外， DSF基本不随T而变化；DSF相对于ξ存在异方差性。然后提出了只考虑周期和阻尼比影响的DSF回归方程，计算出在指定周期和阻尼比处的残差，根据在长周期处该回归方程的残差随Mw 显直线分布，最后提出了包含线性矩震级项的DSF回归模型并给出了模型的回归系数。该模型的残差随Mw 和相对能量持时（ D5-95）的分布表明：模型能体现Mw对DSF的影响，能间接地体现D 5-95对DSF的影响。模型的标准差能体现DSF相对于ξ的异方差性。

位移谱阻尼调整系数的影响分析

将848条地面加速度记录分别按矩震级(M)、观测点到断层面最近距离(R_(rup))和场地条件进行分类,研究了M、R_(rup)场地条件和重要持时(D_(5-59))对位移谱阻尼调整系数(DSF_d)的影响。结果表明:M对DSF_d的影响显著,R_(rup)对DSF_d的影响较弱,场地条件对DSF_d的影响微弱。D_(5-59)是影响DSF_d的一个重要因素。M、R_(rup)、场地条件和D_(5-59)对DSF_d的影响与阻尼比(ζ)和周期(T)有关:当ζ>5%时,在T≥1 s的范围内,随着M、R_(rup)和D_(5-95)的增大,DSF_d减小,且ζ和T越大,DSF_d减小的程度越大。当ζ<5%时,在T≥0.2 s范围内,随着M、R_(rup)和D_(5-59)的增大,DSF_d增大且ζ越小,DSF_d增大的程度越大。在短周期范围内(如ζ>5%时,T<1 s;ζ<5%时,T<0.2 s),M、R_(rup)和D_(5-95)对DSF_d的影响并不显著甚至有相反的趋势。在回归模型中,综合考虑M和R_(rup)两个参数可较全面地反映D_(5-59)对DSF_d的影响。