一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，包括如下步骤：对于特定建筑结构，输入给定条件，包括场地条件、设计地震分组、设防烈度以及原始地震动加速度时程；计算得出场地特征周期和水平地震影响系数最大值，根据场地特征周期和水平地震影响系数最大值得出目标设计谱；对原始地震动加速度时程调幅，得出加速度反应谱；计算每一条加速度反应谱与目标设计谱之间的ST

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法


[0001]本专利技术涉及大坝安全结构抗震领域，具体涉及一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法。

技术介绍

[0002]我国江河众多，水利资源丰富，人工修建的水利设施如大坝、河道、水库也很多，且很多水库大坝修在地震区。地震一旦发生，会引起剧烈地面震动及变形，导致建筑物倒塌和损害、设备和设施损坏和其他生命线工程设施等被破坏，威胁着国家和人民的生命财产安全。同时，由于地震灾害突发性极强，与洪水、干旱和台风等气象灾害相比，地震的预测要困难得多，对大坝等水利设施事故的反馈分析表明，大多灾难性后果的形成与设计阶段的失误、施工阶段留下的隐患和运行管理的差错等因素有关。因此，为了尽可能减小地震带来的危害，应在结构建造之初就对其进行抗震设计。
[0003]精确计算建筑结构的地震响应是建筑结构抗震设计的基础和关键。近年来，计算机在抗震领域上的智能应用及结构抗震理论的飞速发展使相关研究人员能够更加高效、精确地评估特定建筑结构抗震响应。相较于其他结构抗震设计的基本方法，时程反应分析法能够考虑地震动的振幅、频谱和持时三个要素，同时也能够考虑到场地条件和地震环境的影响，做到对环境的非线性分析、计算能量损耗及损伤，从而能更精确细致地得出结构的薄弱部位。因此，以时程反应分析为主的高精度数值计算方法已经成为计算建筑结构抗震性能的首选方法。
[0004]但时程反应分析方法对地震动记录较为敏感，即使对于同一建筑结构，使用不同的地震动记录分析也会得到相差较大的结构抗震性能，难以有效指导同一建筑结构。因此，如何针对同一建筑结构选取合理的地震动记录是各国在建筑结构抗震设计过程中的难点和热点问题之一，地震动选取工作也成为了结构时程反应分析乃至结构抗震设计过程中的关键工作和重要步骤。
[0005]目前针对建筑结构时程反应分析的地震动选取方法有很多，且大多都是对某一建筑结构选取匹配该建筑结构的特定地震动，但该方法有一定的局限性。首先，即使建筑结构的数量较多，该方法也只能依次对每个建筑重复该操作，增加工程设计成本。其次，发生地震时，同一区域建筑物应受到相同程度的地震影响，而对不同特性的建筑物选取不同的地震波与该常识违背。
[0006]另外，通过对地震动选取方法进行分析，可以看出地震动选取方法中控制和匹配范围是沿着从点到区间段再到全周期的路线发展的。在全周期范围内与加速度目标设计谱进行匹配，得出的最优匹配结果适用与不同自振周期的建筑结构，这样选取的地震动通用性较强，方便设计人员使用。因此，在全周期范围内控制并选取地震动将成为目前乃至将来研究的趋势。
[0007]目前研究者已将DTW算法初步应用到地震动分析和比较中，如采用DTW距离代替相关系数作为地震动相似性度量标准、利用DTW对相邻地震波进行动态波形匹配并计算波形
匹配费用等。然而，DTW算法无法反映轨迹的趋势性且容易丢失有用信息。
[0008]所以，需要一个新的技术方案来解决这个问题。

技术实现思路

[0009]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，能够选取在全周期范围内与目标设计谱匹配最优的地震动。
[0010]技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，包括如下步骤：
[0011]S1：对于特定建筑结构，输入给定条件，所述给定条件包括能够反映场地的工程地质情况的场地条件、与场址的特征周期相关的地震分组、反映特定地区抗震设防能力的设防烈度以及能够反映由地震引起地面运动时间历程的原始地震动加速度时程；
[0012]场地条件、设计地震分组、设防烈度以及原始地震动加速度时程都是影响反应谱形状的重要因素，如其中设防烈度就能够精确反应地震加速度及地震动参数。因此，将这四个因素作为输入条件以匹配加速度目标设计谱以度量地震动间相似度。
[0013]S2：地震动的谱特征与弹性结构地震反应程度相结合构成反应谱，不同烈度和不同场地条件下反应谱的设计参数即为设计谱，根据场地条件和设计地震分组计算得出场地特征周期，根据设防烈度计算得出水平地震影响系数最大值，根据场地特征周期和水平地震影响系数最大值得出目标设计谱；
[0014]场地条件能够反映建筑物所在位置的地质构造，结合场地条件与地震分组，能够对场地特征周期进行调整，设防烈度反映了建筑物需要抵抗地震波的破坏程度，可以通过设防烈度确定水平地震影响系数最大值，结合以上参数就可以确定目标设计谱。
[0015]S3：根据设防烈度下时程分析所采用的地震动加速度时程最大值，对原始地震动加速度时程调幅，得出加速度反应谱；
[0016]地震动的加速度波形蕴含着丰富的地震特性信息，通过设防烈度下时程分析采用的地震动加速度时程最大值，对原始地震动加速度时程调幅计算得加速度反应谱，能够更有效反映出地震动的非平稳性。
[0017]通过加速度反应谱可有效反映出不同结构的自振周期与地震影响系数的关系曲线。
[0018]S4：通过改进的动态时间规整方法，计算每一条加速度反应谱与目标设计谱之间的ST
‑
DTW距；
[0019]S5：挑出与目标设计谱之间的ST
‑
DTW距离最小的topN条地震动，作为该目标设计谱匹配的地震动库，以供设计人员结构设计时参考和使用。
[0020]进一步地，所述步骤S3中对原始地震动加速度时程进行调幅的公式为：
[0021][0022]其中，A(t)代表调幅后的地震动加速度时程，A
max
为对应设防烈度下时程分析所用地震动加速度时程最大值，B(t)为原始地震动加速度时程，B
max
为原始地震动加速度的峰值。
[0023]本专利技术的步骤S4中用ST
‑
DTW距代替DTW距，能够更好反映线段的趋势。动态时间规
整算法(DTW)是一种通过动态规划来计算两个时间序列之间的最优映射，从而表示两个序列之间相似度的方法。在DTW中，两个序列相同的时间点并不一定两两对应，而是需要通过动态规划找到更好的对应关系，使得两个序列中近似状态的点相对应起来。本专利技术对DTW算法进行改进，得出一种基于线段变换距离的动态时间规整算法(ST
‑
DTW)。
[0024]所以步骤S4中ST
‑
DTW距的计算方法为：
[0025]A1：提出并且定义线段变换距离；
[0026]A2：对两条轨迹线段求线段变换距离；
[0027]A3：根据线段变换距离，采用ST
‑
DTW算法获取到每一条加速度反应谱与目标设计谱之间的ST
‑
DTW距。
[0028]进一步地，所述步骤A1中线段变换距离的定义包括：
[0029]定义线段变换距离过程中的四种操作的计算方式：旋转、缩放、横向平移和纵向平移；
[0030]定义线段变换距离过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：对于特定建筑结构，输入给定条件，所述给定条件包括场地条件、设计地震分组、设防烈度以及原始地震动加速度时程；S2：根据场地条件和设计地震分组计算得出场地特征周期，根据设防烈度计算得出水平地震影响系数最大值，根据场地特征周期和水平地震影响系数最大值得出目标设计谱；S3：根据设防烈度下时程分析所采用的地震动加速度时程最大值，对原始地震动加速度时程调幅，得出加速度反应谱；S4：通过改进的动态时间规整方法，计算每一条加速度反应谱与目标设计谱之间的ST
‑
DTW距；S5：挑出与目标设计谱之间的ST
‑
DTW距离最小的topN条地震动，作为该目标设计谱匹配的地震动库，以供设计人员结构设计时参考和使用。2.根据权利要求1所述的一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，其特征在于，所述步骤S3中对原始地震动加速度时程进行调幅的公式为：其中，A(t)代表调幅后的地震动加速度时程，A
max
为对应设防烈度下时程分析所用地震动加速度时程最大值，B(t)为原始地震动加速度时程，B
max
为原始地震动加速度的峰值。3.根据权利要求1所述的一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，其特征在于，所述步骤S4中ST
‑
DTW距的计算方法为：A1：提出并且定义线段变换距离；A2：对两条轨迹线段求线段变换距离；A3：根据线段变换距离，采用ST
‑
DTW算法获取到每一条加速度反应谱与目标设计谱之间的ST
‑
DTW距。4.根据权利要求3所述的一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，其特征在于，所述步骤A1中线段变换距离的定义包括：定义线段变换距离过程中的四种操作的计算方式：旋转、缩放、横向平移和纵向平移；定义线段变换距离过程中的近距离端点、角度距离、缩放距离、横向平移距离、纵向平移距离；线段变换表示一条线段经过旋转、伸缩、横向平移和纵向平移四种操作转换为另一条线段的过程，线段变换距离则是对四种操作的代价量化为数值后的加权求和。5.根据权利要求4所述的一种基于改进动态时间规整算法的地震动相似性度量方法，其特征在于，所述近距离端点、角度距离、缩放距离、横向平移距离、纵向平移距离的定义如下：近距离端点：假设存在两条轨迹线段R和S，且R的长度小于等于S的长度，R上距离S所在的直线距离最小的端点为近距离点；角度距离：表示轨迹线段沿其近距离点旋转θ所需要的代价，其计算公式为：d
r
＝(1
‑
cos(θ))L
R
ꢀꢀꢀꢀ
(1)缩放距离：表示两条轨迹线段长度差的绝对值，即
d
s
＝|d
R
‑
d
S
|
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)横向平移距离：规定当且仅当两条轨迹线段长度相等、方向相同时才可以计算横向平移距离，假设两条方向相同且长度相等的轨迹线段R和S，其中一条线段沿着其向量方向移动规定长度后两条轨迹线段组成的四边...

【专利技术属性】
技术研发人员：王龙宝，龙冲，陈力，张泽宇，高东禹，毛莺池，徐淑芳，张本腾，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：