研发适用于我国城市地震构造环境的基岩地震动确定方法与技术，为城市建筑群地震损伤模式库和震害快速评估技术研究提供更加合理的地震动输入。基于课题三建筑结构震前抗力预测和灾害风险评估技术，建立砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框支结构、筒体结构、框筒结构、大跨结构等8种代表性建筑结构的地震损伤模式库。基于信号分解技术分析结构地震响应监测数据并提取特征指标，建立基于模式匹配技术的城市建筑群地震灾害快速评估方法。研究成果为课题五城市建筑群地震灾害预警平台研发及相关规范编制提供支撑。
1.研究目标
建立适用于城市重点建筑地震损伤评估的地震动输入确定方法；研发震后地震动影响场快速评估技术，为震后城市建筑群震害快速评估提供地震动输入；建立基于刚度退化的结构抗震性能评价方法，为城市建筑群震害准确高效评估提供技术支撑；考虑地震动特征和结构抗侧力特点，建立8种代表性建筑结构的地震损伤模式库。建立一套对结构损伤敏感、对复杂激励环境鲁棒的振动特征指标提取方法，通过融合技术得到包含结构线性和非线性效应的结构状态综合诊断指标；建立基于监测数据特征与地震损伤模式匹配的建筑群震害快速评估技术。
2.主要研究内容
（1） 面向城市建筑群地震损伤模拟的地震动输入方法
基于近年来获得的城市地震活断层探测最新成果，结合地震动参数区划编制基础资料，利用我国、美国、日本、新西兰等国的强震动记录数据库，考虑地震规模、震源距离、发震断层性质、覆盖层厚度、岩土介质性能等因素对地震动特性的控制作用，统计分析区域地震构造环境、工程地质条件对地震动频谱特性、特别是对长周期地震动的显著影响，建立适用于应用示范城市实际地震构造环境与工程地质条件的地震动输入确定方法与技术，为城市建筑结构损伤模拟与地震损伤模式库建立提供更加合理的设定地震动输入组合。
（2） 面向震后城市建筑群震害评估的地震动影响场快速生成技术
基于历史地震资料，考虑震源参数（震级、震中距、震源深度）等因素的影响，研究震源点源、线源与面源假设的适用范围；基于城市周边现有强震动观测台网与本项目所建立的传感器网络记录数据，建立适用于多密度（百米至十公里量级）监测台网的地震动参数衰减关系（地震动预测方程）校正模型；考虑地震动场地放大效应，研发利用即时观测数据建立城市建筑群地震动影响场分布的快速评估技术，为震后城市建筑群震害快速评估提供考虑单次地震震源频谱特性与地震动衰减速率的地震动影响场分布图。
（3） 城市建筑群区域化建筑结构损伤性能评价模型研究
城市建筑群区域化建筑结构损伤性能评价模型的构建需综合考虑建筑数量庞大、结构类型多变、分区区域广泛、计算效率要求高等问题。据此，本专题首先针对地震动从震源传播到建筑群过程中的强度、频谱、衰减等差异性，将城市建筑群地震影响的场地划分成大小相近的不同区域，并以每个区域代表点的地震数据简化该区域，为后续建筑群的损伤性能分析提供基础，完成地震场地的区域化划分。针对砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框支结构、筒体结构、框筒结构、大跨结构等不同类型抗侧力结构，开发多平台建筑结构模型转换接口程序，实现城市建筑群非线性结构模型快速自动化建模和批量化后处理。通过课题二实时监测数据校准并完善有限元模型，开展参数化数值分析。考虑到构件层次损伤的分析计算量大，对整个城市群而言大区域震害评估指导意义不大，拟采用层损伤指标或整体损伤指标作为分析目标，确定单体结构系统损伤性能指标。此基础上，建立基于刚度退化的结构抗震性能评价方法，采用结构刚度退化作为结构整体抗震性能的主要评价指标，为基于少量传感器的城市建筑群震害高效评估提供技术支撑。
图1 城市建筑群区域化建筑结构损伤性能评价模型示意图
（4） 基于多目标匹配技术的代表性建筑结构地震损伤模式库搭建
以地震动（PGA、持时、频谱特征）、结构抗侧力类型（砌体结构、框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框支结构、筒体结构、框筒结构、大跨结构）和结构设计参数（高宽比、楼层数、平面布置）为数据库列表，构建上述列表对象与结构整体抗震性能指标（楼层侧移、位移角、刚度退化）的映射关系，形成多目标状态向量，为基于监测数据特征与地震损伤模式匹配的建筑群震害快速评估提供技术支撑。
（5） 基于信号分解技术的结构地震响应监测数据与特征指标提取方法
基于希尔伯特变换、小波包变换、随机子空间法和主成分分析等多种信号分解技术，从结构地震响应中得到频率、振型分量、小波包能量、主成分、协方差参数等多种时变和时不变振动指标，最后通过数据融合形成结构线性和非线性特征指标，用于建筑结构震害快速评估。
（6） 基于监测数据特征与地震损伤模式匹配的建筑群震害快速评估技术
以建筑结构地震损伤模式库为基础，利用实测结构地震响应，通过损伤模式数据库的模式发现和模式匹配方法，建立响应和损伤模式库的映射关系，从而进行建筑结构震后损害快速评估。模式发现主要采用小枝算法，从已知的模式库中查找给定的查询模式树；模式匹配则利用所测数据信息，采用多个单一匹配器如深度学习匹配、关联分析匹配、主成分分析匹配，得到多个单一数据模式与损伤模式的映射及相应的相似度指标。由于单一匹配器所用信息有限，因此将多个匹配映射进行数据融合得到融合匹配映射，从而提高相似度和模式匹配精准度。
3.拟解决的重大科学问题或关键技术问题：
（1） 考虑地震构造环境与工程地质条件影响的城市建筑群地震动确定方法。建立考虑示范城市地震构造环境和工程地质条件影响的地震动确定方法，特别是长周期地震动输入模型，为城市建筑结构损伤模拟与地震损伤模式库建立提供更加合理的设定地震动输入组合。
（2） 研发适用于多密度（百米至十公里量级）监测台网即时观测数据的地震动影响场快速评估技术，捕捉单次地震的震源频谱特性与地震动衰减速率，为震后城市建筑群震害快速评估提供更加快速、可靠的地震动影响场分布图。
（3） 建立基于刚度退化的结构抗震性能评价理论方法，采用结构刚度退化作为结构整体抗震性能的主要评价指标，为基于少量传感器的城市建筑群震害准确高效评估提供科学依据。
（4） 构建城市代表性建筑地震损伤模式库，通过地震动特征、结构抗侧力类型、结构设计参数等多目标匹配，实现城市建筑群震害快速评估。
（5） 利用建构筑物地震损伤模式库和实测地震响应，通过模式发现和模式匹配方法，建立响应和损伤模式库的映射关系，构建建构筑物震后损害快速评估模型。
图2 课题四技术路线图
4.考核指标及评测手段/方法：
考核指标：
（1）考虑地震构造环境与工程地质条件的城市建筑群地震动确定方法；
（2）建立基于多目标匹配技术的城市建筑群地震损伤模式库；
（3）开发基于监测数据特征与地震损伤模式匹配的建筑群震害快速评估技术。
（4）申请发明专利4项、实用新型专利4项、软件著作权4项，发表论文15篇，其中SCI/EI论文10篇。
测评方法：
第三方测试报告、专家鉴定验收证明、相关机构证书、论文收录或检索证明及学位论文等。
5.参加单位任务分工
北京工业大学团队负责城市建筑群地震动输入；深圳防灾减灾技术研究院团队负责震后城市地震动影响场快速评估；东莞理工学院团队负责城市建筑群地震损伤模式库；暨南大学负责基于监测数据特征与地震损伤模式匹配的建筑群震害快速评估。
