CN108170906B - 一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法 - Google Patents

一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，包括：选取地震动记录；建立结构的非线性有限元分析模型；选取多个典型地震动强度参数作为基本地震动强度参数，计算地震动记录的地震动强度；选取多个典型结构损伤参数作为基本结构损伤参数，计算结构损伤；通过典型相关分析，使得典型地震动强度变量和典型结构损伤变量的相关性最大；以典型地震动强度变量作为描述多元地震破坏势的参数，评估基本地震动强度参数对多元地震破坏势的相对贡献率，确定地震破坏势的重要地震动强度参数。本发明考虑了多个地震动强度参数的影响，因此可以更加准确地预测地震破坏势的大小，更加合理地评估结构在不同地震动作用下的损伤程度大小。

Description

一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法
技术领域
本发明属于地震工程及防灾减灾工程技术领域，尤其涉及一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法。
背景技术
在地震工程研究中，由于地震动记录的随机性和结构破坏状态的复杂机理，去评估由地震动引起结构的破坏成为国内外抗震研究的一个重要的问题。国内外学者提出一些宏观地震烈度去评估地震动破坏势，其主要通过人为主观去衡量地震破坏力大小，但不能定量地评估由地震引起结构的破坏。直到地震监测仪器出现，根据仪器记录结果，研究者提出各种仪器烈度，开始从定性的宏观烈度，逐步过渡到仪器测量烈度来表征地震动破坏势，最后选取地震动强度参数作为烈度的物理衡量标准。地震烈度是地震发生时一定范围内地面震动强弱程度的平均水平，并且衡量烈度的物理标准比较复杂，人们总是通过与宏观烈度的统计相关性来找到某些物理量。
如何量化和预测不同地震动激励对不同结构的损伤程度是地震工程领域的难题。地震动破坏势是在地震作用下结构破坏的大小，其核心是研究地震动强度参数和结构损伤参数这两者之间的关系。单独的地震动强度参数不能很好地描述地震动的特性，无法全面、准确地评估地震动破坏势。并且由于地面结构的复杂和多样性，建筑材料、建筑功能、结构形式、结构场地等其他原因，单独的结构损伤参数也不能真实反映结构的破坏状态。
鉴于此，一方面有必要综合考虑多个地震动强度参数，另一方面还要综合考虑多个结构损伤参数，包括结构和非结构损伤，以此来全面评估地震动破坏势。因此，亟需一种能够全面评估地震破坏势的评估方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，通过多元统计学中的典型相关分析方法构造典型变量，进行多元地震动强度参数和结构损伤参数的相关性分析，通过地震动多元破坏势指标准确地描述地震动作用下结构的损伤程度。
本发明提供了一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，包括如下步骤：
步骤1，基于强震数据库选取地震动记录；
步骤2，建立结构的非线性有限元分析模型，并以选取的地震动记录为输入，对结构进行非线性动力分析；
步骤3，选取多个典型地震动强度参数作为基本地震动强度参数，计算选取的地震动记录的地震动强度；选取多个典型结构损伤参数作为基本结构损伤参数，根据结构非线性动力分析结果，计算结构在输入地震动作用下的结构损伤；
步骤4，将基本地震动强度参数的线性组合作为典型地震动强度变量，将基本结构损伤参数的线性组合作为典型结构损伤变量，通过典型相关分析，使得典型地震动强度变量和典型结构损伤变量的相关性最大；
步骤5，以典型地震动强度变量作为描述多元地震破坏势的参数，评估基本地震动强度参数对多元地震破坏势的相对贡献率，确定地震破坏势的重要地震动强度参数。
进一步地，步骤1中，地震动记录基于使震级和震中距均匀分布的原则进行选取。
进一步地，步骤2具体包括：
基于OpenSEES有限元平台，基于目标建筑结构，建立结构的非线性有限元分析模型；
将选取的地震动记录输入非线性有限元分析模型中，对结构进行非线性动力分析，获得结构损伤参数。
进一步地，步骤2中，结构损伤参数包括：最大层间位移角、整体损伤指数及最大楼层加速度。
进一步地，步骤3中，多个典型地震动强度参数根据不同地震动强度参数的物理意义，力求覆盖地震动幅值、频率和持时三要素特性的原则进行选取；多个典型结构损伤参数根据不同结构损伤参数的物理意义，力求覆盖结构构件损伤和非结构构件损伤，同时涵盖基于变形和基于耗能的结构损伤的原则进行选取。
进一步地，步骤4中，典型地震动强度变量和典型结构损伤变量相关性的大小通过典型相关系数进行表述。
进一步地，步骤5包括：
将用于评估地震动多元破坏势的指标，与结构损伤参数进行相关性分析，并通过计算典型载荷和典型交叉载荷来衡量单个参数在地震动多元破坏势指标的相对贡献。
借由上述方案，基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，考虑多个地震动参数对地震破坏势影响，基于多元统计学中的典型分析方法，将多个地震动参数的线性组合作为地震动强度的典型变量，将多个结构损伤参数的线性作何作为结构损伤的典型变量，使得地震动强度的典型变量与结构损伤的典型变量具有最大的相关性，能够全面评估地震破坏势，提升地震破坏势的预测精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法的流程图；
图2是本发明挑选地震动的反应谱；
图3是结构立面布置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参图1所示，本实施例提供了一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，包括如下步骤：
步骤S1，基于强震数据库选取地震动记录；
步骤S2，建立结构的非线性有限元分析模型，并以选取的地震动记录为输入，对结构进行非线性动力分析；
步骤S3，选取多个典型地震动强度参数作为基本地震动强度参数，计算选取的地震动记录的地震动强度；选取多个典型结构损伤参数作为基本结构损伤参数，根据结构非线性动力分析结果，计算结构在输入地震动作用下的结构损伤；
步骤S4，将基本地震动强度参数的线性组合作为典型地震动强度变量，将基本结构损伤参数的线性组合作为典型结构损伤变量，通过典型相关分析，使得典型地震动强度变量和典型结构损伤变量的相关性最大；
步骤S5，以典型地震动强度变量作为描述多元地震破坏势的参数(其包含了多个地震动参数的贡献)，评估基本地震动强度参数对多元地震破坏势的相对贡献率，确定地震破坏势的重要地震动强度参数。
本实施例提供的地震破坏势评估方法，将多个地震动强度参数线性组合成为地震动强度的典型变量来表征多元地震破坏势，使得该地震动强度的典型变量与结构损伤之间具有最大的相关系数，由于考虑了多个地震动强度参数的影响，因此可以更加准确地预测地震破坏势的大小，更加合理地评估结构在不同地震动作用下的损伤程度大小。
该方法的具体步骤为：
1、基于国内外数据库的地震动选择。
(1)选取地震动的根本原则是力求使震级Mw和震中距R分布均匀，分别给出在四个震级Mw-震中距R条带的取值范围为：
SMLR：5.8<Mw<6.5，30<R<60km；
LMLR：6.5<Mw<7.0，30<R<60km；
SMSR：5.8<Mw<6.5，13<R<30km；
LMSR：6.5<Mw<7.0，13<R<30km。
通过上述挑选规则精选出100条地震动用于本专利的后续分析中。图2给出了这三个集合所对应地震动的反应谱。
2、目标建筑结构的设计和建模。
(1)采用PKPM软件，考虑结构高度和设防烈度进行荷载取值，设计满足我国规范的钢筋混凝土框架结构原模型，共计16个结构具体信息参见表1，图3分别给出3、5、8、10层结构的立面布置图。
表1不同设防水准的模型
Figure GDA0003068444550000051
(2)基于OpenSEES有限元平台，采用杆系模型和纤维模型来建立结构分析模型，采用刚性连接的梁和柱为基本单元，并且采用集中塑性单元对每一个框架的一榀平面框架进行有限元建模。
(3)基于非线性动力分析结果，分别选取最大层间位移角ISD、整体损伤指标OSDI、最大楼层加速度Amax作为结构损伤参数。
3、基本地震动强度参数的选取。
选取23个地震动强度参数作为候选参数，具体信息如表2所示。为了避免在分析过程中一些信息重叠，将对一些地震动强度参数进行筛选，具体筛选原则为：有些参数在表达式只相差一个指数或相差一个常数，有些参数相关性较大，还有些参数在对数坐标系下是一些参数的线性组合。
综上，选出8个地震动强度参数作为基本参数，分别为峰值加速度PGA、均方加速度asq、峰值速度PGV、均方速度vsq、破坏指数PD、谱烈度SI、峰值位移PGD以及均方位移dsq。
表2备选的地震动强度参数
Figure GDA0003068444550000061
4、基本结构损伤参数的选取。
选择结构最大层间位移角ISD、整体损伤指数OSDI、最大楼层加速度Amax作为结构损伤的基本参数。
5、基于典型相关分析的地震动强度典型变量和结构损伤典型变量的构造。
因为地震动强度参数和结构损伤参数之间符合对数线性关系，因此将地震动强度参数和结构损伤参数取对数之后进行线性组合，其典型变量的表达式为：
Figure GDA0003068444550000062
Figure GDA0003068444550000063
式中，IM＝[PGA,asq,PGV,vsq,PD,SI,PGD,dsq]，DM＝[ISD,OSDI,Amax]，a和b为典型相关矢量。
6、建立基于典型相关分析的地震多元破坏势评估。
根据不同结构设计高度和设防水平得到的16个结构模型，给出这些结构模型的地震动破坏势指标与结构损伤参数的相关系数，如表3所示。
Figure GDA0003068444550000071
7、对不同基本地震动强度参数对多元地震破坏势的相对贡献率进行评估。
通过典型载荷和典型交叉载荷来衡量单个参数在典型变量中的相对贡献，典型载荷和典型交叉载荷即求单个地震动强度参数和每一对典型变量的相关系数，其表达式为：
Figure GDA0003068444550000081
Figure GDA0003068444550000082
计算不同结构模型的典型载荷和典型交叉载荷，通过典型载荷和典型交叉载荷来衡量单个参数在地震动多元破坏势指标的相对贡献。
该方法将传统由单个地震动强度参数表征的地震破坏势评估扩展到多个地震动强度参数表征的地震多元破坏势评估，为结构的抗震性能评估提供理论基础，可用于结构承灾体的震害预测及震后分析中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，基于强震数据库选取地震动记录；
步骤2，建立结构的非线性有限元分析模型，并以选取的地震动记录为输入，对结构进行非线性动力分析；
步骤3，选取多个典型地震动强度参数作为基本地震动强度参数，计算选取的地震动记录的地震动强度；选取多个典型结构损伤参数作为基本结构损伤参数，根据结构非线性动力分析结果，计算结构在输入地震动作用下的结构损伤；
步骤4，将基本地震动强度参数的线性组合作为典型地震动强度变量，将基本结构损伤参数的线性组合作为典型结构损伤变量，通过典型相关分析，使得典型地震动强度变量和典型结构损伤变量的相关性最大，包括：
基于地震动强度参数和结构损伤参数之间符合对数线性关系，将地震动强度参数和结构损伤参数取对数之后进行线性组合，其典型变量的表达式为：
Figure FDA0003088892310000011
Figure FDA0003088892310000012
式中，IM＝[PGA,asq,PGV,vsq,PD,SI,PGD,dsq]，DM＝[ISD,OSDI,Amax]，PGA为峰值加速度，asq为均方加速度，PGV为峰值速度，vsq为均方速度，PD为破坏指数，SI为谱烈度，PGD为峰值位移，dsq为均方位移，ISD为最大层间位移角，OSDI为整体损伤指标，Amax为最大楼层加速度；a和b为典型相关矢量；
步骤5，以典型地震动强度变量作为描述多元地震破坏势的参数，评估基本地震动强度参数对多元地震破坏势的相对贡献率，确定地震破坏势的重要地震动强度参数，包括：
通过典型载荷和典型交叉载荷衡量单个参数在典型变量中的相对贡献，典型载荷和典型交叉载荷即求单个地震动强度参数和每一对典型变量的相关系数，其表达式为：
Figure FDA0003088892310000013
Figure FDA0003088892310000021
计算不同结构模型的典型载荷和典型交叉载荷，通过典型载荷和典型交叉载荷衡量单个参数在地震动多元破坏势指标的相对贡献。
2.根据权利要求1所述的一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，其特征在于，步骤1中，所述地震动记录基于使震级和震中距均匀分布的原则进行选取。
3.根据权利要求2所述的一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
基于OpenSEES有限元平台，基于目标建筑结构，建立结构的非线性有限元分析模型；
将选取的地震动记录输入非线性有限元分析模型中，对结构进行非线性动力分析，获得结构损伤参数。
4.根据权利要求3所述的一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，其特征在于，步骤2中，所述结构损伤参数包括：最大层间位移角、整体损伤指数及最大楼层加速度。
5.根据权利要求4所述的一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，其特征在于，步骤3中，所述多个典型地震动强度参数根据不同地震动强度参数的物理意义，力求覆盖地震动幅值、频率和持时三要素特性的原则进行选取；所述多个典型结构损伤参数根据不同结构损伤参数的物理意义，力求覆盖结构构件损伤和非结构构件损伤，同时涵盖基于变形和基于耗能的结构损伤的原则进行选取。
6.根据权利要求5所述的一种基于典型相关分析的多元地震破坏势评估方法，其特征在于，步骤4中，所述典型地震动强度变量和典型结构损伤变量相关性的大小通过典型相关系数进行表述。
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