Page 98 - 《振动工程学报》2026年第2期
P. 98

414                                振     动     工     程     学     报                     第 39 卷

              验统计关系及随机过程理论的地震动工程拟合方法                            震动拟合，进一步讨论地震动样本数量和                    CVE  阈值
              广泛用于结构抗震设计           [3-4] 。该方法不探究引起不规            的相关性，及其对地震动拟合结果的影响。

              则地震动时程的物理背景，把重点放在对其波形的
              数学刻画上，目标是使地震动拟合的最终结果与经                            1    地  震  动  数  据  来  源  和  分  组
              验统计关系的结果相一致，因此计算工作量小，效率
              高。然而，工程拟合方法对地震动特性描述的准确                                地震动特性受到震源模型、地震波传播方式和
              性依赖于经验统计关系的合理性，比如广泛应用于                            传播介质、场地条件等多个因素的影响                   [19-20] 。基于
              工程实践的强度包线仅能描述地震动幅值随时间的                            实际地震加速度记录进行地震动拟合时，为保证地
              变化，而时-频包线函数则可以同时表征地震动强度                           震加速度记录有相近的频谱、持时等特征，需按照
              和频率的非平稳特性          [5-6] 。                        影响地震动特性的因素进行分组。本文按照震级、
                  随着地震记录越来越多，学者们尝试将机器学                          震中距、场地条件及记录方向对地震数据进行分
              习方法引入地震数据的处理              [7-8] ，利用机器学习实现         组，形成具有特定频谱目标的地震动数据集，实现对
              对数据集的统一和标准化 ；并构建了一系列地震基                           大量地震动记录数据的第一次降维，即确保一个地
                                     [9]
              准数据集    [10-12] 。这些数据集覆盖了各种潜在地震环                  震动数据集中，不仅主要特征相似，而且数据数量合适。
              境，并可直接用于训练鲁棒算法。由于地震记录中                                本文所用的地震加速度数据来源于美国                     NGA-
              包含着来自震源、传播路径和场地的信息，如果能                            West2  数 据 库  [21-22] 。 采 用  0.5  的 震 级 间 隔 将 矩 震 级
              直接采用实际记录进行设计地震动拟合，则可更好                            Mw  划分为   5  个震级档，即    Mw<5.5、[5.5,6.0)、[6.0,6.5)、
              地反映实际工程场地的地震地质环境。然而，如何                            [6.5,7.0) 和  Mw≥7.0；采用  20 km  的距离间隔，将震中
              利用人工智能算法进行地震动整个时间序列的处                             距  R  划分为了   6  个距离档，即     [0，20) km、[20，40) km、
              理，还存在许多问题，比如，如何筛选庞大的地震记                           [40， 60) km、 [60， 80) km、 [80， 100) km  和  R≥100 km。
              录，并从中找到地震动的主要特征。ALIMORADI 等                 [13]  考虑到《建筑抗震设计规范》（GB 50011―2001）              [23]  中
              采 用 主 成 分 分 析（ principal component analysis， PCA）  的场地条件划分采用了         V s20 ，因此基于平均剪切波速       V s30
              讨 论 对 大 量 数 据 的 缩 减 方 法     [14-16] ； 文 献  [17-18] 对  进行场地类别划分时，考虑了          V s2 和 0  V s3 之间的近似
                                                                                                   0
              PCA  算法提取出的特征母波进行了分析，结果表明                         关 系  [24] ， 划 分 为 Ⅰ 类 场 地 （ V s30 >510 m/s） 、 Ⅱ 类 场 地
              采用   PCA  算法进行大量地震动记录的缩减是可行                       （260<V s30 ≤510  m/s） 、 Ⅲ 类 场 地 （ 150<V s30 ≤260  m/s）
              的。鉴于此，本文主要目的是探讨采用人工智能算                            和Ⅳ 类场地（V s30 ≤150 m/s）。需要注意的是，由于满
              法进行地震动全时间序列的拟合时，实际地震加速                            足第Ⅳ 类场地条件的地震动数据量较少，因此，本文
              度记录数据集的构建方法及对拟合结果的影响。首                            将该部分数据归入Ⅲ 类场地中，并统一称为软土场
              先，考虑影响地震动特性的主要因素，基于震级、距                           地，相应于Ⅰ 类和Ⅱ 类的场地分别称为硬土场地和中
              离和场地条件，对强震记录进行分组并形成地震动                            硬土场地。
              数据集；其次，对分组后的地震动数据集，采用                     PCA         本文筛选了      10000  多条地震加速度记录，按照上
              算法形成特征向量（母波）集，研究特征值、特征母                           述分组指标，将地震加速度记录分为                  90  组（每个组
              波与原始地震动数据之间的相关性；然后，通过对比                           内包含    2  个水平方向和     1  个竖直方向），如表       1  所示，
              分析不同数量的特征母波和原始地震动的频谱特                             数据分布如图       1  所示。可以看出，地震动数据在各
              征，确定能够表征原始地震动频谱特征的特征母波                            分组中分布不均匀，有些分组内的地震动数据量过
              数 量， 即 确 定 合 理 的 累 计 方 差 解 释 率 （ cumulative       少，在进行实际地震动拟合中，可以并入相邻分组进
              variance explanatory rate，CVE）阈值；最后，以土耳其          行数据补充。
              地震的    0122  台站的加速度反应谱为目标进行了地                         以上分组所采用的加速度记录来源于                  7122  个地

                                      表 1 按照矩震级、震中距和场地条件划分的地震动记录分组
                    Tab. 1 Ground motions records are grouped according to moment magnitude, epicentral distance and site conditions

                         [0，20) km     [20，40) km     [40，60) km     [60，80) km     [80，100) km    R≥100 km
                Mw
                      硬土 中硬土 软土 硬土 中硬土 软土 硬土 中硬土 软土 硬土 中硬土 软土 硬土 中硬土 软土 硬土 中硬土 软土
                <5.5  46   205   22  30   149   8   22   106   12  10   42    6   19   39    7   75   150   18
              [5.5, 6.0)  39  91  10  31  104   8   36   95    12  21   43    13  22   24    12  40   50    54
              [6.0, 6.5)  24  79  23  44  88    14  94   162   45  106  165   60  69   124   41  179  262  142
              [6.5, 7.0)  25  49  13  40  88    26  47   111   24  35   77    20  45   56    19  407  853  302
                ≥7.0  12   14    3   16   50    7   27   38    34  46   86    18  29   56    13  158  690  136
   93   94   95   96   97   98   99   100   101   102   103