一种城市地震灾害情景匹配方法

摘要

本申请公开了一种城市地震灾害情景匹配方法，匹配方法包括地震动库，城市地震灾害情景库，快速匹配算法。快速匹配算法包括单波法，多波拼接法，多波叠加法。本发明方法提前建立地震动库，提前采用地震动库中的所有地震动计算城市模型的地震反应，并存储于地震灾害情景库。当需要构建目标地震动的城市地震灾害情景时，通过对比目标地震动与地震动库中地震动的加速度反应谱，直接从城市地震灾害情景库中匹配出最优的地震灾害情景作为目标地震动的地震灾害情景，为城市地震灾害情景构建提供了快速可行的方法。

说明书

技术领域

本发明属于城市地震灾害快速评估技术领域，具体涉及一种城市地震灾害情景匹配 方法。

背景技术

近年来，随着我国城市化的快速推进，城市规模越来越大、人口越来越多，城市面临的地震风险也大幅增加。为了在地震未发生时，对城市潜在地震风险进行研究，在地震发生时，对震害进行快速评估，从而减轻城市的地震风险，区域震害仿真模拟技术应运而生。该类型的模拟系统一般采用有限元方法对区域内所有房屋结构建模并进行地震反应分析，得 到精细化的区域建筑群的地震反应情况。

然而，城市区域内往往包含数量巨大的建筑，采用非线性有限元方法时计算量非常 大，因此在构建城市地震灾害情景时用时长、占用计算资源多，尤其在地震发生的紧急情况 下，计算机硬件和电力设备可能随时遭受地震的影响，此时大量的计算工作可能由于各种原 因中断或出现错误，因此，计算简单、计算量较小的方法更具有优势。

发明内容

有鉴于此，针对目前对于城市震害快速评估的需求以及现有区域震害模拟仿真系统 的不足，提供了城市地震灾害情景匹配方法。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种城市地震灾害情景匹配方法，其特征在 于，包括建立地震动库，建立城市地震灾害情景库，所述地震动库包括地震波和对应的反应 谱，所述地震动库通过城市地震灾害模拟器计算出城市地震灾害情景库，根据目标地震动的 加速度反应谱特征直接从城市地震灾害情景库当中通过快速匹配算法匹配地震灾害情景库中 的地震灾害情景来快速构建目标地震动的地震灾害情景。

进一步地，所述地震动库包括天然地震动加速度时程记录，所述加速度时程记录包 括峰值、持时、频谱特征。

进一步地，所述城市地震灾害情景库是地震动库中所有地震动的城市地震灾害情景 的集合，所述城市地震灾害情景由城市模型内所有建筑结构的损伤指数和最大层间位移角组 成，所述损伤指数和最大层间位移角由非线性时程分析计算得出。

进一步地，所述快速匹配算法包括单波法，多波拼接法，多波叠加法。

进一步地，所述单波法为直接从城市地震灾害情景库中匹配同一对地震动的城市地 震灾害情景作为目标地震动的城市地震灾害情景构建结果。

进一步地，所述多波拼接法为将城市建筑按基本周期分组，为每组建筑根据该组建 筑结构的基本周期从城市地震灾害情景库中匹配不同地震动的城市地震灾害情景片段，最后 进行拼接作为目标地震动的城市地震灾害情景构建结果。

进一步地，所述多波叠加法为将城市地震灾害情景库中的一组地震动的城市地震灾害 情景的线性组合作为目标地震动的城市地震灾害情景构建结果。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

本发明提供的城市地震灾害情景匹配方法可以大幅度减少紧急情况下的计算时间和计算资源 的占用，确保快速、稳定的得到可靠的城市地震灾害情景构建结果。城市地震灾害情景匹配 方法将计算量较大的工作，即建立城市地震灾害情景库的工作提前完成，在对目标地震动的 城市震害情景进行构建时，仅需要从城市地震灾害情景库中匹配出最优的震害情景，匹配算 法所需的计算量和计算时间远小于非线性时程分析，且计算复杂度低，稳定性高。因此，城 市地震灾害情景匹配方法可以快速、稳定、可靠的建立城市地震灾害情景，具有良好的经济 性和实用性，应用前景广泛。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请 的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是城市地震灾害情景匹配方法流程图；

图2是多波拼接法的算法流程图；

图3是多波叠加法的算法流程图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技 术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

城市地震灾害情景快速匹配方法如图1所示，包括以下步骤：地震动库的建立，城市地震灾害情景库的建立，快速匹配算法。快速匹配算法包括但不限于以下三种：单波法，多波拼接法，多波叠加法。

如图1所示，所述地震动库按照以下原则建立：所选地震动为天然地震动；来自一次地震的地震动不超过两对；所选地震震级分布范围广且均匀；所选地震动的震中距、峰值加速度、持时、场地土类别分布范围广且均匀。

如图1所示，所属城市地震灾害情景库是采用城市地震灾害模拟器YouSimulator平 台建立的，具体如下：(1)根据城市GIS数据以及相关建筑属性数据采用YouSimulator自动 建立城市区域建筑群模型；(2)将地震动库中的所有地震动作为输入，在YouSimulator中启 动地震动非线性时程分析；(3)将分析结果，如对应于每对地震动的每栋建筑结构的最大层 间位移角和损伤指数存储，以建立该城市的地震灾害情景库。

单波法的概念。步骤包括从地震动库中选取与目标地震动最匹配的地震动1，从城市 地震灾害情景库中选择对应的城市地震灾害情景2作为目标地震动的匹配震害情景。

步骤1中地震动之间的匹配程度是根据地震动反应谱之间的相似程度决定的。参考 《GB50011-2010(2016年版)建筑抗震设计规范》中的设计反应谱，取反应谱周期范围为0.00s～6.00s，以0.02s划分一个周期段可以得到300个周期段，每条地震动可由300个周期点对应的加速度反应谱值来代表，因此可将每条地震动看作一个维度为300的向量。求两条地震动反应谱之间相似度的问题转化为求两个向量之间距离的问题。两向量的距离计算采用 欧式距离公式，如下：

式中，n为向量的维度，x

多波拼接法的算法流程图如图2所示。主要步骤包括将城市区域内的建筑按照结构基 本周期分组并计算每组建筑的敏感周期段；从地震动库中选择每个敏感周期段内与目标地震 动最匹配的地震动；从城市震害情景库中选择每组建筑对应的城市震害情景片段；将多组建 筑的震害情景片段拼接组合以构建目标地震动的城市地震灾害情景。图2中数组N

该匹配算法的原理为：从降低匹配向量的维度入手来降低地震动匹配的难度、增加 匹配效率。该算法依然将地震动加速度反应谱之间的相似程度作为匹配的依据。虽然地震动 加速度反应谱的周期范围跨度很大具体为0.00s～6.00s,但是对于一个确定的结构，其基本周 期是确定的，地震动对其产生影响的频段只局限于基本周期及其附近的一段周期范围。因此 可以将区域建筑群根据基本周期进行分组，为每组结构筛选在相应周期段内与目标地震动相 似的地震动，从而得到一组相似地震动。然后从城市震害情景库中选择每组结构对应的一组 地震动的城市震害情景片段，将多组结构的震害情景片段拼接组合得到最终完整的匹配震害 情景。

如图2所示，结构敏感周期段定义为0.2T

多波叠加法的概念：步骤包括从地震动库中选出一组地震动1，计算得出一组组合系 数2，从城市地震灾害情景库中选出与步骤1对应的一组城市地震灾害情景并进行线性组合 3。

如图3所示，步骤1中一组地震动的筛选原则是该组地震动加速度峰值与目标地震动 基本相同，该组内各条地震动的频谱特征差异大。

如图3所示，步骤2计算组合系数采用线性规划方法，以各条地震动的加速度反应谱 平方值线性组合之后与目标地震动的加速度反应谱平方值各周期点对应值之差的平方和最小 为原则。

该匹配算法采用叠加地震动的思路提高匹配效率，原理如下：地震动是随机过程，几条无关的地震动带来的结构反应可以作为几个独立事件。根据随机独立事件的概率统计规 律，多条不相关的地震动各自作用下的结构最大反应的叠加可以采用平方和开平方SRSS的 方式。因此，在线性叠加地震动作用下结构的最大加速度反应以及最大位移反应的平方值均 可由组成叠加地震动的每条地震动作用下结构的最大加速度反应以及最大位移反应的平方值 线性组合得到。

假定向量A(a

式中，d