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Prediction of damage potential in mainshock–aftershock sequences using machine learning algorithms

Earthquake Engineering and Engineering Vibration 2024年第4期23卷 919-938页

作者： Zhou Zhou Wang Meng Han Miao Yu Xiaohui lu dagang School of Civil and Transportation Engineering Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureBeijing 100044China Multi-Functional Shaking Tables Laboratory Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureBeijing 100044China College of Civil Engineering Tongji UniversityShanghai 200092China College of Civil Engineering and Architecture Guilin University of TechnologyGuilin 541004China School of Civil Engineering Harbin Institute of TechnologyHarbin 150090China

Assessing the potential damage caused by earthquakes is crucial for a community’s emergency *** this study,four machine learning(ML)methods—random forest,extremely randomized trees,AdaBoost(AB),and gradient boosting(GB)—were employed to develop prediction models for the damage potential of the mainshock(DIMS)and mainshock–aftershock sequences(DIMA).Building structures were modeled using eight single-degree-of-freedom(SDOF)systems with different hysteretic rules.A set of 662 recorded mainshock–aftershock(MS-AS)ground motions was selected from the PEER *** intensity measures(IMs)were chosen to represent the characteristics of the mainshock and *** results revealed that the selected ML methods can well predict the structural damage potential of the SDOF systems,except for the AB *** GB model exhibited the best performance,making it the recommended choice for predicting DIMS and DIMA among the four ML ***,the impact of input variables in the prediction was investigated using the shapley additive explanations(SHAP)*** high-correlation variables were sensitive to the structural period(T).At T=1.0 s,the mainshock peak ground velocity(PGVM)and aftershock peak ground displacement(PGDA)significantly influenced the prediction of *** T increased to 5.0 s,the primary high-correlation factor of the mainshock IMs changed from PGVM to the mainshock peak ground displacement(PGDM);however,the highcorrelation variable of the aftershock IMs remained *** high-correlation factors for DIMS showed trends similar to those of ***,a table summarizing the first and second high-correlation variables for predicting DIMS and DIMA were provided,offering a valuable reference for parameter selection in seismic damage prediction for mainshock–aftershock sequences.

关键词： machine learning mainshock-aftershock damage potential prediction the high-correlation variables SDOF systems

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建筑结构一致风险抗震设计理论研究进展

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建筑结构学报 2024年第10期45卷 1-30页

作者：吕大刚王丛董尧冯云幸哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业与信息化部重点实验室山东建筑大学土木工程学院

从一致危险向一致风险的范式转换，已成为各国地震区划和抗震设计方法的主要发展趋势，但是我国的地震区划和抗震设计实践仍然属于一致危险的旧范式，不能充分考虑不同地区地震危险性的特征差异和建筑结构抗地震倒塌能力存在的不确定性... 详细信息

从一致危险向一致风险的范式转换，已成为各国地震区划和抗震设计方法的主要发展趋势，但是我国的地震区划和抗震设计实践仍然属于一致危险的旧范式，不能充分考虑不同地区地震危险性的特征差异和建筑结构抗地震倒塌能力存在的不确定性，从而导致不同地区建筑结构地震倒塌风险的不一致性。2022年5月，我国发布《“十四五”国家防震减灾规划》,明确提出要提升地震灾害风险防治能力，包括摸清风险底数、强化抗震设防、增强城市韧性等要求，提出修订国家强制性标准GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》,开展第六代地震灾害风险区划工作等。在此背景下，迫切需要开展风险导向地震动参数区划和建筑结构一致风险抗震设计理论的研究，从而为第六代地震动参数区划图的编制以及现行建筑抗震设计规范的修订提供决策依据。为此，从风险导向地震动参数、风险导向地震反应谱、一致风险抗震设计方法等方面，全面梳理和总结建筑结构一致风险抗震设计理论国内外的最新研究现状和发展趋势，并指出当前研究存在的主要问题和对策，以期为建筑结构一致风险抗震设计的研究提供概念性释疑和方向性导引。

关键词：一致风险风险导向地震动风险导向地震反应谱一致倒塌风险设计抗震性能设计抗震韧性设计

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一致风险谱作用下RC框架结构响应预测及其设计值确定

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建筑结构学报 2023年第4期44卷 216-226页

作者：王丛吕大刚哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业与信息化部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学地震灾害防治应急管理部重点实验室黑龙江哈尔滨150090

基于一致风险谱的抗震设计,能够综合考虑地震危险性和结构易损性,使不同地区的结构在地震作用下实现同一目标倒塌风险。为了确定用于抗震设计的具有一致倒塌风险的风险导向地震动参数设计值和最大层间位移角设计值,以巨震和大震一致风... 详细信息

基于一致风险谱的抗震设计,能够综合考虑地震危险性和结构易损性,使不同地区的结构在地震作用下实现同一目标倒塌风险。为了确定用于抗震设计的具有一致倒塌风险的风险导向地震动参数设计值和最大层间位移角设计值,以巨震和大震一致风险谱为目标谱选取地震动记录;采用比较点法对8层3跨RC框架结构的响应(最大层间位移角)进行了预测;基于优选的地震动记录对结构进行增量动力分析(IDA),采用小样本均值乘以修正系数的方法确定最大层间位移角设计值,并对最大层间位移角设计值与其预测值之间的关系进行了研究;在此基础上,基于IDA结果确定了风险导向谱加速度设计值。研究表明,基于巨震和大震一致风险谱对RC框架结构进行抗震设计,中位值IDA曲线上对应的最大层间位移角设计值分别为0.010和0.007,既满足50年倒塌概率1%的目标倒塌风险,也满足CECS 392:2021《建筑结构抗倒塌设计标准》中对RC框架结构在地震作用下不发生倒塌的层间位移角限值1/50的要求。

关键词：一致风险谱比较点法结构响应设计值最大层间位移角风险导向谱加速度

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基于抗震规范和地震动区划图的风险导向地震动决策参数分析

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建筑结构学报 2020年第8期41卷 19-28页

作者：王丛吕大刚哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业与信息化部重点实验室黑龙江哈尔滨150090

基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》中给出的地震动强度,对普通建筑结构的风险导向地震动决策参数进行分析,探讨目标倒塌风险、易损性对数标准差,以及大震、中震、巨震条件倒塌概率的取... 详细信息

基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》中给出的地震动强度,对普通建筑结构的风险导向地震动决策参数进行分析,探讨目标倒塌风险、易损性对数标准差,以及大震、中震、巨震条件倒塌概率的取值。基于抗震规范和地震动区划图中的地震动强度进行风险导向地震动决策,验证了决策参数分析结果的合理性,给出了我国单体结构和群体结构的风险导向地震动决策参数建议值,并对风险导向地震动决策参数进行了相关分析。结果表明:对于单体结构,易损性对数标准差取0.3时,目标倒塌风险及大震、中震、巨震的条件倒塌概率分别为1.0%、10.0%、0.04%、54.7%,易损性对数标准差取0.4时,该值分别为1.0%、11.0%、0.2%、44.6%;对于群体结构,目标倒塌风险取1.0%时,易损性对数标准差及大震、中震、巨震的条件倒塌概率分别为0.6、10.4%、1.1%、30.2%,目标倒塌风险取0.4%时,该值分别为0.6、3.6%、0.2%、13.2%。通过分析可以发现:易损性对数标准差不大于0.6时,随着易损性对数标准差的增大,中震的条件倒塌概率逐渐增大,巨震的条件倒塌概率逐渐减小,大震的条件倒塌概率变化不大;易损性对数标准差相同时,随着目标倒塌风险的增大,大震、中震、巨震的条件倒塌概率逐渐增大。

关键词：风险导向地震动决策目标倒塌风险易损性对数标准差条件倒塌概率

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核电厂地震概率风险评估研究综述

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土木工程学报 2016年第11期49卷 52-68页

作者：王晓磊吕大刚哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨150090 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

日本福岛核事故之后,核电厂抗震安全评估受到广泛关注。地震概率风险评估方法是核电厂抗震安全评估方法之一。该文针对地震概率风险评估方法进展做了全面综述:首先介绍核工程领域地震概率风险评估方法的发展历史;并总结核电厂地震概率... 详细信息

日本福岛核事故之后,核电厂抗震安全评估受到广泛关注。地震概率风险评估方法是核电厂抗震安全评估方法之一。该文针对地震概率风险评估方法进展做了全面综述:首先介绍核工程领域地震概率风险评估方法的发展历史;并总结核电厂地震概率风险评估方法的基本原理和研究进展;然后论述三种改进的地震概率风险评估方法:基于SMA的地震概率风险评估方法、基于性能的概率地震风险评估方法和先进的地震概率风险评估方法;最后对全文做了总结和展望。

关键词：综述核电厂概率风险评估地震风险地震危险性地震易损性系统分析风险可接受准则

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基于随机Pushdown方法的钢筋混凝土框架结构抗连续倒塌能力概率评估

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建筑结构学报 2017年第2期38卷 83-89页

作者：于晓辉钱凯吕大刚哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 广西大学土木建筑工程学院广西南宁530004

为了评估钢筋混凝土框架结构的不确定性参数对其抗连续倒塌能力的影响,将确定性Pushdown分析与可以控制相关性的拉丁超立方体抽样方法(LHS)相结合,提出一种随机Pushdown方法。为说明方法的建立和应用,选择一栋8层4跨的钢筋混凝土框架结... 详细信息

为了评估钢筋混凝土框架结构的不确定性参数对其抗连续倒塌能力的影响,将确定性Pushdown分析与可以控制相关性的拉丁超立方体抽样方法(LHS)相结合,提出一种随机Pushdown方法。为说明方法的建立和应用,选择一栋8层4跨的钢筋混凝土框架结构,考虑结构的荷载、材料强度以及几何尺寸等17个不确定性参数,采用Pushdown方法分析获得的结构所能承受的最大竖向荷载作为其抗连续倒塌能力,统计得到结构连续倒塌易损性函数,并采用"龙卷风图"方法对不确定性参数的灵敏度进行了分析。结果表明,结构不确定性参数对抗连续倒塌能力影响显著,结构的抗连续倒塌能力的变异系数达到20%,其中,活荷载、楼层恒荷载、钢筋极限应力以及梁截面钢筋面积等参数对结构抗连续倒塌能力的影响最为显著。

关键词：钢筋混凝土框架随机Pushdown方法连续倒塌拉丁超立方体抽样易损性

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考虑非线性相关性影响的结构整体可靠度评估——增强型高阶矩方法

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Acta Mechanica Sinica 2023年第4期39卷 3-13页

作者：宋鹏彦王涛吕大刚 College of Civil Engineering and Architecture Hebei UniversityBaoding071002China School of Transportation Science and Engineering Harbin Institute of TechnologyHarbin150040China Chongqing Research Institute of Harbin Institute of Technology Harbin Institute of TechnologyChongqing401151China Key Lab of Structure Dynamic Behavior and Control of China Ministry of Education Harbin Institute of TechnologyHarbin150090China

考虑随机变量间相关性的复杂工程结构整体可靠性分析仍然是一个挑战,特别是对于非线性相关问题.该文考虑到随机变量之间非线性相关的影响,提出了一种用于结构整体可靠性分析的增强型高阶矩方法.该文首先回顾了传统的Nataf变换,进而通过... 详细信息

考虑随机变量间相关性的复杂工程结构整体可靠性分析仍然是一个挑战,特别是对于非线性相关问题.该文考虑到随机变量之间非线性相关的影响,提出了一种用于结构整体可靠性分析的增强型高阶矩方法.该文首先回顾了传统的Nataf变换,进而通过引入Copula理论提出了广义Nataf变换;其次,采用状态变量描述法统一描述整体可靠性问题对应的功能函数,并发展了基于GL_(2)-偏差点集的状态变量高阶矩估计和灵敏度分析方法;再次,通过改进的最大熵法准确估计了结构整体可靠度;最后,通过两个算例验证了所提方法的准确性和有效性以及考虑随机变量间的非线性相关性对结构整体可靠度影响的必要性.算例结果与蒙特卡洛模拟方法比较表明,随机变量间的非线性相关性对结构的整体可靠度有显著影响,所提方法对结构高阶矩估计和全局可靠度分析具有较高的精度和效率.

关键词：最大熵法非线性相关整体可靠性随机变量状态变量可靠度评估蒙特卡洛模拟方法功能函数

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基于文献调研的我国建筑结构地震倒塌风险概率评估

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建筑结构学报 2020年第8期41卷 1-18页

作者：周洲吕大刚于晓辉中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程与工程振动重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090

基于文献调研,搜集和整理了我国近年来关于建筑结构地震倒塌易损性方面的研究成果,建立了我国建筑结构地震倒塌易损性数据库。基于经典的Cornell地震风险概率计算公式,分别以谱加速度和峰值加速度为地震动强度参数,计算了我国建筑结构... 详细信息

基于文献调研,搜集和整理了我国近年来关于建筑结构地震倒塌易损性方面的研究成果,建立了我国建筑结构地震倒塌易损性数据库。基于经典的Cornell地震风险概率计算公式,分别以谱加速度和峰值加速度为地震动强度参数,计算了我国建筑结构的地震倒塌风险概率。通过与美国抗震设计规范FEMA P750和欧洲学者建议的关于建筑结构地震倒塌风险的相关要求进行对比,对我国建筑结构的地震倒塌风险水平进行了评估。分析结果表明:由于我国现行抗震设计规范GB 50011—2010中并未对结构地震倒塌风险做一致性要求,因此,我国建筑结构的地震倒塌风险概率结果分布较广;随着建筑结构抗震设防等级的提高,其地震倒塌风险概率也随之增加;相比于美国规范和欧洲学者研究成果,我国现行抗震设计规范尚不能对结构的地震倒塌风险进行有效控制。

关键词：建筑结构地震倒塌易损性文献调研风险评估

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采用不同目标谱的RC框架结构一致地震倒塌风险评价

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土木工程学报 2022年第S01期55卷 75-82页

作者：吕大刚王丛乔卓琦哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业与信息化部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学地震灾害防治应急管理部重点实验室黑龙江哈尔滨150090

当前的抗震设防参数和抗震设计方法基于传统的“一致危险”范式,需要向更为合理的“一致风险”范式转换。为了实现“一致风险”的防控目标,需要对结构的绝对倒塌风险和相对倒塌风险进行双控,并基于目标谱选取实际地震动记录对结构的两... 详细信息

当前的抗震设防参数和抗震设计方法基于传统的“一致危险”范式,需要向更为合理的“一致风险”范式转换。为了实现“一致风险”的防控目标,需要对结构的绝对倒塌风险和相对倒塌风险进行双控,并基于目标谱选取实际地震动记录对结构的两种倒塌风险进行一致风险验算。该文以钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架结构为研究对象,采用三种目标谱(规范设计谱、一致危险谱和一致风险谱)选取地震动记录,采用增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)方法获取结构倒塌易损性曲线和函数,分别选取基于抗震设防参数的地震危险性函数和基于场地安评的概率地震危险性函数,对结构的地震倒塌风险进行验算。分析结果表明:基于规范设计谱对结构进行地震倒塌风险评价偏于保守,而场地相关谱可考虑地震构造环境不同造成的不同区域地震危险性的差异,可更好实现一致风险的抗震设计目标。

关键词：一致风险抗震设计绝对倒塌风险相对倒塌风险规范设计谱一致危险谱一致风险谱 RC框架结构

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基于CPU并行计算的概率地震需求分析与地震易损性分析

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土木工程学报 2020年第S02期53卷 190-197页

作者：徐铭阳贾明明吕大刚哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150090 哈尔滨工业大学土木工程智能防灾减灾工业与信息化部重点实验室黑龙江哈尔滨150090

概率地震需求分析体现了不确定性从地震动强度参数到工程需求参数的传递过程,文中介绍并对比概率地震需求分析中云图法、单条带法与多条带法的优缺点。以MATLAB+OpenSEES实时交互方式,提出基于CPU并行计算架构的概率地震需求分析方法,... 详细信息

概率地震需求分析体现了不确定性从地震动强度参数到工程需求参数的传递过程,文中介绍并对比概率地震需求分析中云图法、单条带法与多条带法的优缺点。以MATLAB+OpenSEES实时交互方式,提出基于CPU并行计算架构的概率地震需求分析方法,显著提高分析效率。提出并行-云图法、并行-单条带法与并行-多条带法,通过RC框剪结构的概率地震需求分析,开展不同层高RC框剪结构的地震易损性分析。研究表明:云图法的对数标准差普遍大于单条带法与多条带法,过高地估计了结构的抗震性能,而单条带法与多条带法在易损性中位值与对数标准差确定方法上存在差异,单条带法的对数标准差普遍低于多条带法。

关键词：概率地震需求分析 CPU并行计算云图法单条带法多条带法 RC框剪结构地震易损性

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