一种近断层海域地震动反应谱标定方法
文献发布时间：2023-06-19 16:06:26
技术领域
本发明涉及一种近断层海域地震动反应谱标定方法。
背景技术
现阶段对近断层海域地震动反应谱标定这方面的研究较少，由于目前近断层海域地震动台站和记录相对匮乏，近断层海域地震动特性和拟合方面的研究受到限制。然而根据已有研究表明，由于上覆海水层和海陆不同土层结构等影响，海域与陆地地震动有着显著区别。因此，海洋工程的抗震设计和安全评估依然参照陆地地震动的规范和特性展开是不合理的。为了研究近断层海域地震动第一步就需要反映出近断层海域反应谱真实特性，所以为了填补海域场地工程结构抗震设计的空白，有必要研究近断层海域地震动反应谱标定方法。近断层海域地震反应谱标定不仅可以得到更符合真实的地震动，而且在一定程度上也促进了结构抗震设计的发展。因此，研究近断层海域地震动反应谱标定方法显得尤为重要。
现有技术1【1】包括以下几个主要步骤：
步骤S1：根据式(1)求出速度放大系数设计谱β
其中β
β
式中：
β
T
T
T—结构自振周期；
Ω—各脉冲地震动记录速度放大系数谱最大值的平均值
其中，Ω的取值为2.2。
步骤S2：根据式(3)得等效加速度放大系数谱β
式中：
β
ω—结构自振频率；
PGV/PGA—峰值地面速度与峰值地面加速度比值；
其中，PGV/PGA为所选用的226条地震动的均值；
步骤S3：根据式(4)求得近断层地震动反应谱函数S
S
式中：
S
C
C
现有技术2【2】包括以下几个主要步骤：
(1)初始取值
将T0，Tg，βmax和γ这4个参数作为个体，并给出每个参数的最小值和最大值，利用式(1)随机产生s组第t代种群，t初始值为零，其表达形式为式(2)
Xi＝[xi1 xi2…xin] 式(1)
(2)若当前进化代数t为最大进化代数或目标函数Q＜10
(3)从当前的种群中随机选取3个行向量分别为x
x
x
x
按式(6)计算得到变异行向量V
V
(4)交叉操作
对于群体中目标矢量个体X
U
(5)选择操作
差分进化采用最优的搜索策略，对交叉变异后的向量U
(6)评价
对步骤(5)中计算结果进行评价，若向量计算的Q(Xi(t))小于设定的值则终止计算；若不满足，则将t+1代向量Xi(t+1)转向步骤(2)重复计算，直到满足终止条件或者达到进化次数，输出最优拟合解T0x，Tgx，βmax，γx。
(1)现有技术1提出的近断层地震动反应谱是基于陆地近断层地震动记录提出来的，没有考虑海域地震动特性，不适应于海域近断层地震动反应谱。海水层不仅会直接影响地震波在近海场地中的传播，还会增大近海场地土层的饱和度和孔隙水压力，进而影响地震动的场地放大效应。通过计算海域与陆地场地的地震动传递函数比值发现在地震动反应谱高频段存在附近地震动传递函数比值接近0，这说明海水层会显著抑制地震动的高频成分。因此，目前针对陆地场地的近断层地震动不能适用于海域近断层地震动反应谱。
(2)现有技术2在标定近断层海域地震动反应谱过程中直接将初始种群进行变异，交叉，操作，没有考虑种群差异性以及迭代过程中种群数量过大，该方法拟合效率低。由于初始种群差异性以及迭代过程中种群数量过大，若不按照种群差异性排序进行划分子种群，会使得初始种群失去多样性，直接进行变异，交叉，选择操作会受初始种群内部差异性较差的种群的干扰影响，会增加进化过程中迭代次数。由于近断层海域地震动反应谱拟合过程中具有迭代次数多，计算量大的特点，所以在标定过程中计算效率十分重要。然而，目前根据该方法标定近断层海域地震动反应谱拟合效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近断层海域地震动反应谱标定方法，该方法可以提高近断层海域地震动拟合精度，以使标定的设计反应谱更加真实反映近断层海域地震动反应谱，而且更加高效，并填补海域场地工程结构抗震设计的空白。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种近断层海域地震动反应谱标定方法，包括：选取近断层海域地震动记录；对近断层海域地震动记录进行预处理；获取近断层海域目标加速度反应谱；确定场地特征周期Tg、脉冲周期Tp、海水修正系数γ取值范围；随机生成初始种群；对初始种群进行适应度评价；划分新种群；得到变异新种群；得到交叉新种群；筛选出下一代种群，计算新种群的适应度，得到场地特征周期Tg、脉冲周期Tp，海水修正系数γ的最优解；得到标定的近断层海域地震动反应谱。
在本发明一实施例中，所述选取近断层海域地震动记录，即选取海域地震动记录和陆地地震动记录，并根据地震动场地条件进行分组，考虑竖向以及水平向地震动记录。
在本发明一实施例中，所述对近断层海域地震动记录进行预处理的具体实现步骤如下：
1)根据式(1)将地震动记录S(a)乘以缩放因子δ确定原始地震动记录S'(a)
S′(a)＝S(a)×δ (1)
式中：S'(a)为原始地震动记录；S(a)为地震动记录；δ为缩放因子，缩放因子的确定即下载后的地震动记录与原始地震动记录的比值；
2)计算原始地震动记录S'(a)全时长加速度数据的均值M(a)；
3)得到地震动数据D(a)：地震动数据D(a)是通过将原始地震动记录S'(a)全时长加速度数据减去均值M(a)得到；
4)根据式(2)对地震动数据D(a)进行基线校正得到地震动加速度时程D'(a)：
其中：
式中：D(a)为地震动数据；
5)对基线校正后的地震动加速度时程D'(a)进行滤波处理得到地震动加速度时程A(a)。滤波处理采用4阶Butterworth带通滤波器，截止频率为0.1-35Hz。
在本发明一实施例中，所述获取近断层海域目标加速度反应谱的具体实现步骤如下：
1)由于脉冲周期与近断层地震矩震级之间有很强的相关性，因此需要考虑脉冲周期对近断层地震动的影响，脉冲周期根据式(3)来确定；
ln(T
2)由于近断层地震动具有高低频成分特性，根据临界频率f
f
3)由于海水对竖向地震动的高频成分有削弱和压制作用，因此需要对近断层反应谱高频成分进行局部修正；根据临界频率f
4)确定目标加速度反应谱
速度放大系数设计谱β
其中β
β
S(T)＝βV(T)×α
式中：S(T)为目标加速度反应谱；β
在本发明一实施例中，所述场地特征周期Tg、脉冲周期Tp、海水修正系数γ取值范围的确定方式为：根据场地条件规定场地特征周期Tg范围为0.8s～1.4s，脉冲周期Tp范围由矩震级来确定，规定脉冲周期Tp范围为1.75s～3.25s；规定海水修正系数γ范围为1.1～1.6。
在本发明一实施例中，所述随机生成初始种群，对初始种群进行适应度评价，划分新种群，得到变异新种群，得到交叉新种群，筛选出下一代种群，计算新种群的适应度，得到场地特征周期Tg、脉冲周期Tp，海水修正系数γ的最优解的具体实现步骤如下：
1)根据式(7)随机生成初始种群X(t)：
式中：X(t)为初始种群；N为种群规模；t为种群进化代数；
2)根据式(8)计算第t代初始种群X(t)的适应度值
式中：β′(T)为第t代初始种群X(t)中某组
3)对初始种群适应度
4)筛选出新种群S1：将初始种群适应度值小于10
5)筛选出新种群S2、S3：将初始种群适应度等于10
6)从种群S1中随机选取3组向量
式中：M
7)将种群S1中的种群个体向量
式中：C
8)根据式(12)计算第t代交叉新种群C
式中：α(T)为第t代种群S1交叉新种群C
9)根据式(13)筛选出下一代种群S1(t+1)的个体向量
式中：S1(t+1)为下一代种群S1；
10)将筛选出的个体向量
11)从种群S2中随机选取3组向量
式中：M
12)将种群S2中的种群个体向量
式中：C
13)根据式(18)计算第t代交叉新种群C
式中：α
14)根据式(19)筛选出下一代种群S2(t+1)的个体向量
式中：S2(t+1)为下一代种群S2；
15)将筛选出的个体向量
16)从种群S3中随机选取3组向量
式中：M
17)将种群S3中的种群个体向量
式中：C
18)根据式(24)计算第t代交叉新种群C
式中：α
19)根据式(25)筛选出下一代种群S3(t+1)的个体向量
式中：S3(t+1)为下一代种群S3；
20)将筛选出的个体向量
21)将步骤9)、14)、19)得到的种群S1(t+1)、S2(t+1)、S3(t+1)组合成下一代种群X(t+1)；
22)将组合得到的下一代种群X(t+1)进行重复变异、交叉和筛选操作5)～21)，直到找到某组个体向量的适应度值小于限定值10
23)求出场地特征周期Tg、反应谱的脉冲周期Tp、海水修正系数γ最优解。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出了一种近断层海域地震动反应谱，同时考虑了近断层地震动特性及海域地震动特性。本发明通过对临界频率f
(2)本发明提出了一种近断层海域地震动反应谱标定方法，该方法标定的地震动反应谱拟合效率高。本发明标定近断层海域地震动反应谱根据初始种群差异性将种群分为多个子种群。将多个子种群分别进行变异，交叉，选择操作可以避免由于种群间差异性过大受其他种群的干扰，多种群的存在可以使该标定方法能够并行同时进行操作并且每个子种群按照相同的变异，交叉，选择策略同时进化，在步骤S18中可看出，只有当变异新种群适应度小于初始新种群适应度才会进入下一代，否则将会一直循环不满足条件的子种群。在步骤S7通过对初始种群按照适应度大小进行排序并划分新种群S1-S3即可避免在步骤S18中由于不满足条件的子种群进而增加不必要的迭代次数，同时由于种群S1都满足迭代终止条件，本方法相对原有方法可以省略掉种群S1的迭代次数，故本方法可以减少运算迭代次数，有效的减少计算时间，根据该方法标定近断层海域地震动反应谱拟合效率高。因此基于差分进化方法的近断层海域地震动反应谱标定与实际近断层海域反应谱拟合效果更好。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种近断层海域地震动反应谱标定方法，包括：选取近断层海域地震动记录；对近断层海域地震动记录进行预处理；获取近断层海域目标加速度反应谱；确定场地特征周期Tg、脉冲周期Tp、海水修正系数γ取值范围；随机生成初始种群；对初始种群进行适应度评价；划分新种群；得到变异新种群；得到交叉新种群；筛选出下一代种群，计算新种群的适应度，得到场地特征周期Tg、脉冲周期Tp，海水修正系数γ的最优解；得到标定的近断层海域地震动反应谱。
以下为本发明具体实现过程。
如图1所示，本发明一种近断层海域地震动反应谱标定方法，具体实现步骤如下：
步骤S1：选取地震动记录S(a)
选取海域地震动记录和陆地地震动记录，并根据地震动场地条件进行分组，考虑竖向以及水平向地震动记录。
步骤S2：根据步骤S1下载的地震动记录S(a)进行预处理
步骤S2.1：根据式(1)将地震动记录S(a)乘以缩放因子δ确定原始地震动记录S'(a)
S′(a)＝S(a)×δ (1)
式中：
S'(a)—原始地震动记录；
S(a)—地震动记录；
δ—缩放因子，缩放因子的确定即下载后的地震动记录与原始地震动记录的比值
步骤S2.2：计算原始地震动记录S'(a)全时长加速度数据的均值M(a)，
步骤S2.3：得到地震动数据D(a)
地震动数据D(a)是通过将原始地震动记录S'(a)全时长加速度数据减去均值M(a)得到的。
步骤S2.4：根据式(2)对地震动数据D(a)进行基线校正得到地震动加速度时程D'(a)
其中：
式中：
D(a)—地震动数据；
D'(a)—地震动加速度时程；
a
a—时间参数；
T—周期；
步骤S2.5：对基线校正后的地震动加速度时程D'(a)进行滤波处理得到地震动加速度时程A(a)，滤波处理采用4阶Butterworth带通滤波器，截止频率为0.1-35Hz。
步骤S3：确定近断层海域目标加速度反应谱S(T)
步骤S3.1：由于脉冲周期与近断层地震矩震级之间有很强的相关性，因此需要考虑脉冲周期对近断层地震动的影响，脉冲周期根据式(3)来确定；
ln(T
步骤S3.2：由于近断层地震动具有高低频成分特性，根据临界频率f
f
步骤S3.3：由于海水对竖向地震动的高频成分有削弱和压制作用，因此需要对近断层反应谱高频成分进行局部修正；
根据临界频率f
步骤S3.4：根据式(6)确定目标加速度反应谱
速度放大系数设计谱β
其中β
β
S(T)＝β
式中：
S(T)—目标加速度反应谱；
β
T
T
T—结构自振周期；
γ—海水修正系数，其范围可确定为1.1～1.6；
Ω—各脉冲地震动记录速度放大系数谱最大值的平均值；
其中，Ω的取值为2.2。
步骤S4：确定场地特征周期Tg、脉冲周期Tp和海水修正系数γ取值范围
根据场地条件规定场地特征周期Tg范围为0.8s～1.4s,脉冲周期Tp范围可由矩震级来确定，规定脉冲周期Tp范围为1.75s～3.25s；规定海水修正系数γ范围为1.1～1.6；
步骤S5：根据式(7)随机生成初始种群X(t)
式中：
X(t)—初始种群；
N—种群规模；
t—种群进化代数；
步骤S6：根据式(8)计算第t代初始种群X(t)的适应度值
式中：
β′(T)—第t代初始种群X(t)中某组X
T
步骤S7：对初始种群适应度
将初始种群适应度根据大小进行从最小值到最大值依次排序,评价标准为初始种群X(t)的适应度值
步骤S8：筛选出新种群S1
将初始种群适应度值小于10
步骤S9：筛选出新种群S2，S3
将初始种群适应度等于10
步骤S10：从种群S1中随机选取3组向量
式中：
M
N1—种群S1规模
F—变异缩放因子，取0.5
步骤S11：将种群S1中的种群个体向量
式中：
C
M
X
n1—种群S1标定参数总数；
N1—种群S1规模；
rand
CR—交叉概率，取值范围为[0,1]；
Randn1
步骤S12：根据式(12)计算第t代交叉新种群C
式中：
α(T)—第t代种群S1交叉新种群C
T
步骤S13：根据式(13)筛选出下一代种群S1(t+1)的个体向量
式中：
S1(t+1)—下一代种群S1
步骤S14：将筛选出的个体向量
步骤S15：从种群S2中随机选取3组向量
式中：
M
N2—种群S2规模；
F—变异缩放因子，取0.5；
步骤S16：将种群S2中的种群个体向量
式中：
C
M
X
n2—种群S2标定参数总数；
N2—种群S2规模；
rand
CR—交叉概率，取值范围为[0,1]；
Randn2
步骤S17：根据式(18)计算第t代交叉新种群C
式中：
α
T
步骤S18：根据式(19)筛选出下一代种群S2(t+1)的个体向量
式中：
S2(t+1)—下一代种群S2；
步骤S19：将筛选出的个体向量
步骤S20：从种群S3中随机选取3组向量
式中：
M
N3—种群S3规模；
F—变异缩放因子，取0.5；
步骤S21：将种群S3中的种群个体向量
式中：
C
M
X
n3—种群S3标定参数总数；
N3—种群S3规模；
rand
Randn3
步骤S22：根据式(24)计算第t代交叉新种群C
式中：
α
T
步骤S23：根据式(25)筛选出下一代种群S3(t+1)的个体向量
式中：
S3(t+1)—下一代种群S3；
步骤S24：将筛选出的个体向量
步骤S25：将步骤S13,S18,S23得到的种群S1(t+1),S2(t+1),S3(t+1)组合成下一代种群X(t+1)；
步骤S26：将组合得到的下一代种群X(t+1)进行重复变异、交叉和筛选操作(S9～S24)，直到找到某组个体向量的适应度值小于限定值10
步骤S27：求出场地特征周期Tg、反应谱的脉冲周期Tp、海水修正系数γ最优解。
步骤S28：根据步骤S27标定的参数值得进行拟合得到近断层海域地震动反应谱。
参考文献：
【1】杨华平，钱永久，黎璟，等.近断层脉冲型地震设计谱研究[J].中国公路学报.2017,30(12):159-168.
【2】赵培培,王振宇,薄景山.利用差分进化算法标定设计反应谱[J].地震工程与工程振动,2017,37(05):45-50.。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。