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基于机器学习的IBIEM控制方程基本解构造模型

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计算力学学报 2024年

作者：刘中宪黄珑孟思博黄振恩天津大学建筑工程学院天津市软土特性与工程环境重点实验室天津城建大学土木工程学院

间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method， IBIEM)求解波动问题时控制方程基本解构造依赖经验判断和试算，导致宽频散射求解不够稳定。本文通过粒子群优化—人工神经网络建立IBIEM控制方程基本解构造模型，以... 详细信息

间接边界积分方程法(indirect boundary integral equation method， IBIEM)求解波动问题时控制方程基本解构造依赖经验判断和试算，导致宽频散射求解不够稳定。本文通过粒子群优化—人工神经网络建立IBIEM控制方程基本解构造模型，以数据驱动代替经验判断，处理基本解构造过程中的不确定性。以二维峡谷对平面SH波散射IBIEM模拟为例验证所建模型的可靠性。结果表明：所建IBIEM控制方程基本解构造模型可对虚拟波源位置和数量的最优设置进行有效预测，兼顾计算效率和精度，大幅提高IBIEM求解波动问题时的稳定性和高效性；虚拟波源位置和数量最优设置方案受入射波频率和场地几何条件影响显著，且表现出非单调变化特征，依据经验设置基本解可靠性较差，以数据驱动的预测模型具有明显优势。本文所建方法可为IBIEM求解其它类型场地地震波动问题提供参考。

关键词：间接边界积分方程法虚拟波源人工神经网络粒子群优化波动问题求解

考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估方法

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地震学报 2024年第1期46卷 129-143页

作者：刘中宪孟思博张妤乔云帆陈龙伟天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384 天津城建大学土木工程学院天津300384 天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程振动重点实验室哈尔滨150086

我国大量城镇位于沉积盆地,沉积盆地对地震动具有显著的幅值放大和持时增长效应,同时沉积盆地与建筑群间的动力相互作用将导致地震动空间重分布。针对此问题,本文提出了一种考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估方法:首先,... 详细信息

我国大量城镇位于沉积盆地,沉积盆地对地震动具有显著的幅值放大和持时增长效应,同时沉积盆地与建筑群间的动力相互作用将导致地震动空间重分布。针对此问题,本文提出了一种考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估方法:首先,以剪切层模型、弯剪耦合模型等简化力学模型模拟建筑结构,计算建筑群-沉积盆地动力相互作用,获得建筑群的基础顶面地震动;然后,基于精细化有限元模型分析典型单体建筑的地震易损性;最后,结合所求建筑群元模型模拟建筑结构时,上部建筑对基础顶面地震动的影响具有等?效?性,因此所建方法适用于考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的建筑群震害评估;建筑群-沉积盆地动力相互作用主要导致盆地内地表地震动峰值降低,但局部位置会在盆地效应基础上产生附加放大效应;建筑群-沉积盆地动力相互作用导致不同地表点地震动加速度反应谱峰值相差3倍,同时放大邻近建筑出现相同等级震害的概率差异,所分析算例中,在是否考虑建筑群-沉积盆地动力相互作用的情况下,邻近四栋相同框架结构发生中等损坏的概率范围分别为66%—92%和87%—93%,此结果与实际震害中建筑结构交替破坏的现象一致。

关键词：盆地效应场地-城市相互作用易损性震害评估

近断层峡谷场地深水刚构桥地震响应参数敏感性研究

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振动工程学报 2024年

作者：孟思博魏石涛刘中宪程喜李文轩中铁十九局集团广州工程有限公司天津城建大土木工程学院天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室

峡谷地区大量高墩刚构桥位于近地震活动断层（以下简称近断层）区域，若跨河流或位于库区等有水环境，其抗震分析应综合考虑近断层效应、场地效应和流固耦合作用，目前多采用近断层地震记录作为一致输入，可能低估桥梁地震响应，且对震... 详细信息

峡谷地区大量高墩刚构桥位于近地震活动断层（以下简称近断层）区域，若跨河流或位于库区等有水环境，其抗震分析应综合考虑近断层效应、场地效应和流固耦合作用，目前多采用近断层地震记录作为一致输入，可能低估桥梁地震响应，且对震源、场地参数与桥梁地震响应相关性缺乏探讨。本文结合随机有限断层法和边界元法生成近断层上覆水层峡谷场地多维多点地震动加速度，开展近断层峡谷场地深水大跨高墩刚构桥地震响应分析。以从震源到结构全物理过程的视角，研究桥墩、支座响应对震源、场地参数的敏感性。结果表明：桥梁地震响应对断层破裂面尺寸最为敏感，整体上，震源参数对桥梁地震响应的影响较场地参数更为显著；场地效应导致主墩纵、横桥向曲率延性比均值相差8 5%,100%；桥梁主墩和支座对各参数敏感性存在差异；断层倾角处于3 3°～60°之间时，桥梁地震响应呈现先增大后减小趋势，主墩曲率延性比可相差3 5%；水层对地震动具有抑制效应，但动水压力对其地震响应的放大作用更突出。

关键词：近断层地震动局部场地效应深水刚构桥敏感性

考虑岩土参数随机性的三维沉积盆地地震动高效模拟方法

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岩土工程学报 2024年第3期46卷 529-538页

作者：刘中宪孟思博李文轩赵嘉玮黄振恩天津城建大学天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384 天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384 天津城建大学土木工程学院天津300384 天津大学建筑工程学院天津300072

沉积盆地对地震波的散射导致盆地放大效应,增大结构震害。盆地的岩土参数通常具有显著的随机特征,导致盆地响应的可变性。旨在基于快速多极边界元法(FM-IBEM)和人工神经网络(ANN),提出一种考虑岩土参数不确定性的三维沉积盆地地震动有... 详细信息

沉积盆地对地震波的散射导致盆地放大效应,增大结构震害。盆地的岩土参数通常具有显著的随机特征,导致盆地响应的可变性。旨在基于快速多极边界元法(FM-IBEM)和人工神经网络(ANN),提出一种考虑岩土参数不确定性的三维沉积盆地地震动有效模拟方法。首先,以岩土参数、入射波频率和地表位置为输入参数,以三维沉积盆地响应为输出参数,建立了人工神经网络模型。其次,利用蒙特卡罗模拟(MCS)来评估沉积盆地地面运动的随机性,并使用ANN模型和数据集中现有的结果来代替数值模拟来求解样本,通过减少计算时间来提高随机问题的计算效率。结果表明,该方法可用于求解和评估考虑岩土参数随机性的三维沉积盆地地震响应,计算效率高。岩土参数的随机性对沉积盆地地震响应的影响不容忽视,沉积盆地地表响应的可变性与地表点的位置、入射频率和分布有关,表现出与均值分布非线性相关的特征。岩土参数的随机性对高频入射波作用下盆地地震动有显著影响,放大效应变异系数可达0.3,是岩土参数变异系数的3倍;与平均值相比,对应于95%置信水平的盆地峰值加速度增加了56%。

关键词：盆地效应人工神经网络岩土参数随机性快速多极边界元法

综合管廊燃气爆炸对下穿隧道结构安全性的影响研究

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振动与冲击 2023年第8期42卷 160-166,185页

作者：王岱陈昌昊张海刘中宪孟思博天津城建大学土木工程学院基础设施防护和环境绿色生物技术国际联合研究中心天津300384 天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384

针对综合管廊燃气爆炸时下穿隧道可能遭受破坏的风险,首先通过野外管廊燃气爆炸试验确定综合管廊超压时程,而后建立综合管廊-土体-下穿隧道整体三维有限元模型,并在综合管廊燃气舱内壁施加荷载,计算分析了下穿隧道的动力响应规律。结果... 详细信息

针对综合管廊燃气爆炸时下穿隧道可能遭受破坏的风险,首先通过野外管廊燃气爆炸试验确定综合管廊超压时程,而后建立综合管廊-土体-下穿隧道整体三维有限元模型,并在综合管廊燃气舱内壁施加荷载,计算分析了下穿隧道的动力响应规律。结果表明:野外管廊燃气爆炸试验实测超压峰值高达0.63 MPa,且升压和降压持续时间均为0.1 s左右;隧道衬砌拱顶区域最先受到冲击,衬砌位移随时间的增大而增大,而衬砌应力则在超压峰值时刻达到最大,且隧道平行下穿时的衬砌应力超过正交下穿时的3.5倍;随着隧道和管廊间距的增大,隧道动力响应如衬砌应力、振动速度等均逐渐减小,且隧道正交下穿管廊时的减小趋势更明显;综合考虑各因素的影响,建议优先考虑隧道正交下穿综合管廊,且隧道与管廊的安全距离控制在7 m以上。研究结果可为综合管廊抗爆及下穿隧道工程设计等提供参考。

关键词：野外试验数值模拟综合管廊燃气爆炸下穿隧道动力响应

基于差分进化-人工神经网络的沉积河谷地震动放大效应预测模型

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地震学报 2022年第1期44卷 170-181页

作者：孟思博赵嘉玮刘中宪天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384 天津城建大学土木工程学院天津300384 天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384

探讨了基于差分进化-人工神经网络构建沉积河谷地震响应代理模型的可行性.首先建立沉积河谷对地震波散射的求解方法,以半圆形、V形沉积河谷为例,以入射波条件、沉积内外介质属性、场地形状为特征参数,以沉积河谷地震动放大系数为预测目... 详细信息

探讨了基于差分进化-人工神经网络构建沉积河谷地震响应代理模型的可行性.首先建立沉积河谷对地震波散射的求解方法,以半圆形、V形沉积河谷为例,以入射波条件、沉积内外介质属性、场地形状为特征参数,以沉积河谷地震动放大系数为预测目标参数,构建数据集;其次,建立沉积河谷地震动放大效应人工神经网络、差分进化-人工神经网络算法预测模型,对比两种算法计算精度和稳定性,并进行了特征参数敏感性分析.结果表明:人工神经网络能较好地预测沉积河谷地震动放大效应,使差分进化-人工神经网络预测模型的精度和稳定性显著提高;入射波频率是影响沉积河谷地震动放大系数的主要原因,沉积内外介质密度比的影响较小.本研究结论可对地震作用下更为复杂的局部场地效应预测和评估提供参考.

关键词：场地效应沉积河谷人工神经网络差分进化算法敏感性分析

近断层地震动作用下浅埋综合管廊地震易损性研究

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工程力学 2023年

作者：王岱王程西张海刘中宪孟思博天津城建大学土木工程学院基础设施防护和环境绿色生物技术国际联合研究中心天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室

为准确评估近断层地震动作用下浅埋综合管廊的地震损伤，利用ABAQUS建立土-结构整体有限元模型，以综合管廊层间位移角最大值为损伤指标，基于IDA方法进行结构地震易损性分析，重点考察近断层地震动强度指标和场地土特性对综合管廊抗震... 详细信息

为准确评估近断层地震动作用下浅埋综合管廊的地震损伤，利用ABAQUS建立土-结构整体有限元模型，以综合管廊层间位移角最大值为损伤指标，基于IDA方法进行结构地震易损性分析，重点考察近断层地震动强度指标和场地土特性对综合管廊抗震性能的影响。结果表明，近断层地震动加速度型指标的离散性最小，建议选取加速度型指标PGA、Sa作为地震动强度指标；以有限元计算数据为样本，采用BP神经网络可高效预测综合管廊结构的地震损伤，PGA、Sa及土体剪切模量对综合管廊地震易损性分析的影响较大，随着土体剪切模量的增大，超越概率逐渐减小，同时，LS、CP状态的超越概率变化范围要明显大于OP、IO状态；考虑PGA和Sa双参数更能准确反映不同地震动参数对结构损伤的影响，而仅考虑PGA或Sa单参数有可能高估结构的损伤程度，因此，对综合管廊等浅埋地下结构进行地震易损性分析时，建议综合考虑PGA和Sa的影响。

关键词：综合管廊近断层地震动地震易损性强度指标 BP神经网络

基于有限断层动力学模型的逆断层—三维层状沉积盆地地震动模拟

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世界地震工程 2023年第2期39卷 158-166页

作者：孟思博金威苗岳云刘中宪天津城建大学天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室天津300384 中国人民武装警察部队后勤学院后勤保障系天津300309 中铁上海设计院集团有限公司天津分院天津300073 天津城建大学天津市软土特性与工程环境重点实验室天津300384

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分... 详细信息

近断层效应使得沉积盆地对地震动放大效应更为复杂。本文针对逆断层发震下三维层状沉积盆地地震反应,基于波动谱元法,采用有限断层动力学模型,模拟断层动力破裂、地壳层地震波传播和层状沉积盆地对地震波散射全过程。在此基础上,对比分析了层状和均质沉积盆地对近断层地震动放大效应的影响,讨论了不同断层倾角下层状沉积盆地地震动加速度特性。结果表明:层状沉积盆地PGA空间分布与均质沉积盆地存在较大差异,由于近断层效应和盆地效应,层状沉积盆地地表局部范围竖向PGA大于水平向PGA;90°断层倾角下层状沉积盆地地表地震动放大范围与60°断层倾角结果明显不同,主要集中在盆地中心区域和断层附近,且幅值远小于60°断层倾角下结果;沿断层走向,盆地内地表地震动加速度峰值对应时刻较盆地外延后。

关键词：层状沉积盆地动力学震源模型谱元法断层倾角

地震和波浪联合作用下斜拉桥随机动力分析方法

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振动与冲击 2020年第17期39卷 194-202页

作者：孟思博丁阳天津大学建筑工程学院天津300350 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300350

分别采用Morison方程、辐射波浪理论和绕射波浪理论求解桩基、承台所受动水压力和波浪力,考虑行波效应、空间相干效应和局部场地效应,基于虚拟激励法,建立了多维多点地震和波浪联合作用下斜拉桥随机动力分析方法。采用蒙特卡罗法计算了... 详细信息

分别采用Morison方程、辐射波浪理论和绕射波浪理论求解桩基、承台所受动水压力和波浪力,考虑行波效应、空间相干效应和局部场地效应,基于虚拟激励法,建立了多维多点地震和波浪联合作用下斜拉桥随机动力分析方法。采用蒙特卡罗法计算了考虑、不考虑荷载非线性时的结构响应,通过比较计算结果验证了所建立方法的适用性;分析动水压力和波浪力对斜拉桥随机地震响应均方根的影响,研究了斜拉桥随机响应功率谱密度分布趋势和变化规律。结果表明:该方法可以考虑荷载随机性,计算多维多点地震和波浪联合作用下斜拉桥响应;动水压力刚性附加质量是导致斜拉桥水下结构纵向内力增大的原因;动水压力和波浪力对桥塔水下结构地震响应的影响随场地条件改变,地震输入能量分布在高频域时,动水压力和波浪力对桥塔水下结构影响更大。

关键词：斜拉桥多点地震动水压力波浪联合作用随机响应