一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法技术

本发明专利技术公开了一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法，提出基于帕累托多目标优化来选择最不利地震动，以多个地震动强度指标为目标，就地震动库中的大样本数据进行优化筛选具有更大破坏力的小样本最不利地震动，有效减少弹塑性时程分析成本。地震动指标步骤上提出基于抗震结构的等效单自由度体系，对各IM与单自由度体系下的抗震结构响应进行相关性分析，有效解决地震动强度指标选取的高效性。同时也考虑了不同抗震结构对不同类地震动指标的敏感程度，对各种不同类地震动指标综合选取高相关度IM。以所选高相关度IMs向量组为目标，通过帕累托多目标优化的方法，确定不同地震动间的支配关系，为最不利地震动选取作出科学理论依据。

A method for selecting the most unfavorable ground motion based on Pareto multi objective optimization

The invention discloses a multi objective optimization of Pareto's adverse selection method based on ground motion, Pareto put forward based on the multi-objective optimization to select the most unfavorable earthquake, earthquake intensity index to multiple target, large sample data of earthquake in the library were optimized with greater destructive power of a small sample of the most the adverse shock, effectively reduce the cost of the elastic-plastic time history analysis. Ground motion index is put forward on the steps of equivalent single degree of freedom system of aseismatic structure based on the correlation analysis of seismic response of IM and the structure of the single degree of freedom system, effectively solve the ground motion intensity index selection efficiency. At the same time, the sensitivity of different seismic structures to different kinds of ground motion indexes is also considered, and the high correlation IM is selected for various kinds of ground motion indexes. Taking the selected IMs vectors of high correlation degree as the target, the dominant relation between the different seismic motions is determined by means of Pareto's multi-objective optimization method, and the theoretical basis for the selection of the most unfavorable ground motion is made.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地震动选择
，具体涉及一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法。
技术介绍
目前，抗震结构抗震设计普遍运用弹塑性时程分析的方法，地震动作为时程分析的输入对抗震结构地震响应分析具有至关重要的影响。对于如核电站、大型大坝以及一些影响生命线工程的重要抗震结构，为满足这些重要抗震结构的抗震要求，最为简单的是对抗震结构所在场地下的所有地震动记录进行弹塑性时程分析，但这样做的成本十分高，所需计算量十分巨大，是不切实际的。进而需要对地震动记录进行一个筛选，要求在进行弹塑性时程分析进行抗震设计以及验算时，使抗震结构处于最不利的状态，即所输入的地震动要属于满足场地特征下的对抗震结构破坏破坏力最大的地震动(简称最不利震动)。最不利地震动的选择方法目前已有不少研究。如哈尔滨工业大学翟长海教授提出的基于潜在破坏势的最不利地震动选取方法，先选择两个与抗震结构反应呈良好相关性的强度指标，然后通过分配强度指标权重，来确定最不利地震动。但其所选择的地震动强度指标权重值还停留在设想阶段，缺乏理论依据，需要进一步深入研究以进行支持。再如清华大学潘鹏教授提出的基于天际线的最不利地震动选择方法，运用一组强度指标来表示地震动的潜在破坏力，但其所用强度指标是根据一般经验所选取，并非是与抗震结构地震反应呈高相关性的指标，甚至可能出现了负相关，不能有效表示地震动的强弱，对其后续的优化选择有一定的不利影响。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术旨在提供一种简单、高效、准确的最不利地震动选择方法。为了实现上述目的，本专利技术提供一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法，包括如下步骤：步骤一：根据抗震结构所在场地及周边特征，选出一个能反映抗震结构所在场地地震风险的地震动数据库，作备选地震动库；步骤二：通过静力弹塑性分析，将实际抗震结构转化成等效双线性单自由度体系；步骤三：基于单自由度体系进行备选地震库内所有地震动的时程分析，并将抗震结构反应与不同地震动强度指标进行相关性分析，从中选取一组高相关性的地震动强度指标IM；不同地震动下的抗震结构反应用等效单自由度体系最大相对位移u表示，同时计算各个地震动下的不同IM值；抗震结构反应与IM之间的相关性公式为：式中，N是地震动数量；ui是在第i条地震动下抗震结构的最大相对位移；是所有地震动下抗震结构响应的平均值；IMi是第i条地震动的某一选定强度指标值；是所有地震动下某一选定强度指标的平均值；步骤四：根据帕累托多目标优化思想，以上一步所选的一组地震动强度指标IM为目标，从步骤一所选的备选地震动库中筛选最不利地震动集合；具体方法如下：通过定义支配关系以及排序分配，确定备选地震动库数据集合中不被支配或排位在前的数据点，构成最优解集，即最不利地震动集合；其中，支配关系是指：假设最大相对位移为u时对应的第k个IM目标为uk，最大相对位移为v时对应的第k个IM目标为vk，可以得到两个具有k维特征目标的数据点u和v，有如下(6a)、(6b)关系，表示u支配v，说明数据点u优于数据点v；u＝[u1,u2,u3,…,uk]v＝[v1,v2,v3,…,vk](6a)ui≥vi且ui＞vi,则u＞v(6b)排序分配是指：在备选地震动库中的N个数据点中，任取一个数据点以选定的一组地震动强度指标IM为目标与剩余数据点进行支配关系比较，如果存在一个数据点u，使得支配u的数据点有i个，则u的排序分配值是Ranku＝1+i；如果存在一个数据点v不被剩余任何数据点支配，则v的排序分配值是Rankv＝1；所有支配关系比较完毕后，得到所有排序分配值Rankv＝1的数据点的集合，即最不利地震动集合。进一步地，步骤二中，将实际抗震结构转化成等效双线性单自由度体系包括多自由度体系转换到单自由度体系以及将单自由度体系的实际能力曲线简化为双线性力与位移的关系曲线；多自由度体系转换到单自由度体系的转换公式如下：ueff、Meff、Veff分别是单自由度体系的等效位移、等效质量、等效基底剪力，γ1是第一振型的参与系数，ur是原多自由度体系的顶点位移，φ1i为第一振型第i质点的振型值，Vr是多自由度体系的基底剪力；进一步地，将单自由度体系的实际能力曲线简化为双线性力与位移的关系曲线的方法如下：(1)初始刚度k1为基底剪力达到抗震结构屈服力Vy的指定比例时的割线刚度，屈后刚度k2为屈服点到塑性点之间的斜率；(2)转换过程需满足能量守恒，在塑性点之前，实际能力曲线位于双线性力与位移的关系曲线上方和下方的面积大致相等；(3)塑性点抗震结构位移du＝0.02H，等效单自由度抗震结构位移dueff＝0.02H/γ1，其中H为抗震结构高度，γ1是第一振型的参与系数。进一步地，从四类IM中分别选取一个与抗震结构反应相关性系数最高的IM，再从所有剩余IM中选取一个相关性系数最高的IM作为补充；组成的五个IM作为估计地震动潜在破坏力的地震动强度指标向量组。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本方法提出基于帕累托多目标优化来选择最不利地震动，以多个地震动强度指标为目标，就地震动库中的大样本数据进行优化筛选具有更大破坏力的小样本最不利地震动，有效减少了弹塑性时程分析成本。(2)在选择地震动指标步骤上，本方法提出基于抗震结构的等效单自由度体系，对各IM与单自由度体系下的抗震结构响应进行相关性分析。由于目前所发现和提出的单个IM不能有效稳定估计不同地震动对不同抗震结构的破坏力，故本方法运用基于单自由度相关性分析计算，有效解决地震动强度指标选取的高效性。同时也考虑了不同抗震结构对不同类地震动指标的敏感程度，对各种不同类地震动指标综合选取高相关度IM。(3)本方法以所选高相关度IMs向量组为目标，为实现各个IM指标综合最大化，通过帕累托多目标优化的方法，确定不同地震动间的支配关系，为最不利地震动选取作出科学理论依据。(4)本方法普遍可用于各类抗震要求极高的重要抗震结构，方法简单易实现，在工程实践中可以直接运用。附图说明图1为本专利技术实施例的一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法涉及的能力曲线双线性简化；图2为本专利技术实施例的一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法涉及的最不利地震动选择流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本文基于帕累托多目标优化选择最不利地震动的方法包含以下四个步骤：步骤一：根据抗震结构所在场地及周边特征(包括震源机制、断层分布、设防烈度等特征)，选出一个能反映抗震结构所在场地地震风险的地震动数据库，作备选地震动库。可从PacificEarthquakeEngineeringResearch(PEER)网站上的地震动数据库中，根据抗震结构所在场地特征(一般包括面波震级，地震动峰值加速度PGA，场地类别等要求)，可选取大量满足要求的未调幅地震波记录。根据中国抗震规范，需要就建筑所在地设防烈度以及抗震结构重要程度将PGA调幅到相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：根据抗震结构所在场地及周边特征，选出一个能反映抗震结构所在场地地震风险的地震动数据库，作备选地震动库；步骤二：通过静力弹塑性分析，将实际抗震结构转化成等效双线性单自由度体系；步骤三：基于单自由度体系进行备选地震库内所有地震动的时程分析，并将抗震结构反应与不同地震动强度指标进行相关性分析，从中选取一组高相关性的地震动强度指标IM；不同地震动下的抗震结构反应用等效单自由度体系最大相对位移u表示，同时计算各个地震动下的不同IM值；抗震结构反应与IM之间的相关性公式为：式中，N是地震动数量；ui是在第i条地震动下抗震结构的最大相对位移；是所有地震动下抗震结构响应的平均值；IMi是第i条地震动的某一选定强度指标值；是所有地震动下某一选定强度指标的平均值；步骤四：根据帕累托多目标优化思想，以上一步所选的一组地震动强度指标IM为目标，从步骤一所选的备选地震动库中筛选最不利地震动集合；具体方法如下：通过定义支配关系以及排序分配，确定备选地震动库数据集合中不被支配或排位在前的数据点，构成最优解集，即最不利地震动集合；其中，支配关系是指：假设最大相对位移为u时对应的第k个IM目标为uk，最大相对位移为v时对应的第k个IM目标为vk，可以得到两个具有k维特征目标的数据点u和v，有如下(6a)、(6b)关系，表示u支配v，说明数据点u优于数据点v；u＝[u1,u2,u3,…,uk] v＝[v1,v2,v3,…,vk]        (6a)排序分配是指：在备选地震动库中的N个数据点中，任取一个数据点以选定的一组地震动强度指标IM为目标与剩余数据点进行支配关系比较，如果存在一个数据点u，使得支配u的数据点有i个，则u的排序分配值是Ranku＝1+i；如果存在一个数据点v不被剩余任何数据点支配，则v的排序分配值是Rankv＝1；所有支配关系比较完毕后，得到所有排序分配值Rankv＝1的数据点的集合，即最不利地震动集合。...

【技术特征摘要】
1.一种基于帕累托多目标优化的最不利地震动选择方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：根据抗震结构所在场地及周边特征，选出一个能反映抗震结构所在场地地震风险的地震动数据库，作备选地震动库；步骤二：通过静力弹塑性分析，将实际抗震结构转化成等效双线性单自由度体系；步骤三：基于单自由度体系进行备选地震库内所有地震动的时程分析，并将抗震结构反应与不同地震动强度指标进行相关性分析，从中选取一组高相关性的地震动强度指标IM；不同地震动下的抗震结构反应用等效单自由度体系最大相对位移u表示，同时计算各个地震动下的不同IM值；抗震结构反应与IM之间的相关性公式为：式中，N是地震动数量；ui是在第i条地震动下抗震结构的最大相对位移；是所有地震动下抗震结构响应的平均值；IMi是第i条地震动的某一选定强度指标值；是所有地震动下某一选定强度指标的平均值；步骤四：根据帕累托多目标优化思想，以上一步所选的一组地震动强度指标IM为目标，从步骤一所选的备选地震动库中筛选最不利地震动集合；具体方法如下：通过定义支配关系以及排序分配，确定备选地震动库数据集合中不被支配或排位在前的数据点，构成最优解集，即最不利地震动集合；其中，支配关系是指：假设最大相对位移为u时对应的第k个IM目标为uk，最大相对位移为v时对应的第k个IM目标为vk，可以得到两个具有k维特征目标的数据点u和v，有如下(6a)、(6b)关系，表示u支配v，说明数据点u优于数据点v；u＝[u1,u2,u3,…,uk]v＝[v1,v2,v3,…,vk](6a)排序分配是指：在备选地震动库中的N个数据点中，任取一个数据点以选定的一组地震动强度指标IM为目标与剩余数据点进行支配关系比较，如果存在一个数据点u，使得支配u的数据点有i...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶昆，骆江成，张宇璇，严文轩，李沙，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42