《強(qiáng)地震動(dòng)模擬及工程應(yīng)用專輯》前言＊

梁建文 劉中憲 巴振寧 任葉飛

1） 中國天津 300350 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院

2） 中國天津 300384 天津城建大學(xué)土木工程學(xué)院

3） 中國哈爾濱 150080 中國地震局工程力學(xué)研究所

強(qiáng)地震動(dòng)模擬分析涉及地震學(xué)、巖石力學(xué)、土動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是工程地震學(xué)的核心內(nèi)容之一，國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域已取得較多重要進(jìn)展.近年來，隨著國家韌性城鄉(xiāng)建設(shè)的需要，區(qū)域復(fù)雜場地地震區(qū)劃及重大工程建設(shè)對(duì)地震動(dòng)場的準(zhǔn)確模擬提出了更高要求.綜合考慮震源、路徑和場地效應(yīng)的區(qū)域尺度地震動(dòng)模擬以及場地-結(jié)構(gòu)（群）地震相互作用等已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn).隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速提升及三維地質(zhì)信息、地震觀測數(shù)據(jù)的積累，目前已可實(shí)現(xiàn)從斷層動(dòng)力破裂到城市建筑群地震破壞的全過程模擬（陸新征，2020）.

基于物理模型的數(shù)值模擬方面，有限差分法、有限元法、譜元法、邊界元法等數(shù)值方法取得了長足的進(jìn)步，對(duì)實(shí)際巖土層復(fù)雜的介質(zhì)特性和幾何特征的適應(yīng)性越發(fā)良好（賀春暉等，2017）；針對(duì)近斷層地震動(dòng)模擬，考慮實(shí)際復(fù)雜幾何特征及局部參數(shù)的斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型逐步完善.由于核電站等抗震設(shè)計(jì)對(duì)地震動(dòng)頻帶的要求較高，近年來地震動(dòng)模擬有效頻率范圍也在不斷提升（Poursartipet al，2020）.各類數(shù)值模擬方法均有其優(yōu)勢和局限性，仍需不斷發(fā)展完善，如有限元、有限差分法在處理高頻波動(dòng)時(shí)存在的數(shù)值頻散問題，譜元法在處理跨尺度、復(fù)雜幾何形狀等問題中存在的不均勻網(wǎng)格協(xié)調(diào)性問題，以及邊界元方法存在的介質(zhì)非線性的高效積分難題等.另外，由于地震動(dòng)形成的全過程存在不確定性，隨機(jī)有限斷層法、經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)法等隨機(jī)方法也在不斷發(fā)展.綜合確定性數(shù)值法和隨機(jī)法的優(yōu)勢，采用隨機(jī)有限斷層法模擬高頻地震動(dòng)、數(shù)值法模擬低頻地震動(dòng)的確定性與隨機(jī)性混合的模擬方法在區(qū)域尺度場地寬頻地震動(dòng)模擬中被廣泛應(yīng)用.

國內(nèi)外有大量城市坐落于高地震烈度的沉積盆地或河谷之中，盆地或河谷的地震動(dòng)放大效應(yīng)研究已取得豐碩成果（Triffunac，2016）.但對(duì)城市直下型地震，對(duì)于坐落在沉積盆地或河谷之中的城市而言，需考慮近斷層效應(yīng)和盆地或河谷效應(yīng)的耦合作用，極大地增加了問題的復(fù)雜性，如何進(jìn)一步提高現(xiàn)有數(shù)值方法的有效模擬頻率、計(jì)算效率、穩(wěn)定性，以及科學(xué)考慮盆地表層松軟土層非線性效應(yīng)，還需要進(jìn)行地震學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算科學(xué)等的跨學(xué)科探索與攻關(guān).

場地-結(jié)構(gòu)（群）相互作用方面，目前關(guān)于區(qū)域場地如盆地、山體地形等與建筑群的地震相互作用已有較多進(jìn)展，揭示了密集建筑群對(duì)地震動(dòng)的明顯影響.另外，城市地下空間大規(guī)模開發(fā)利用，地下結(jié)構(gòu)（群）對(duì)地震動(dòng)的影響及臨近結(jié)構(gòu)物抗震問題亦引起廣泛關(guān)注，特別是超大型地下結(jié)構(gòu)（群）對(duì)地震波的散射效應(yīng)需充分考慮結(jié)構(gòu)形式、上覆土層厚度以及鄰近結(jié)構(gòu)相互作用等因素.

此外，隨著近幾年人工智能技術(shù)的推進(jìn)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的地震動(dòng)模擬與預(yù)測成為工程地震學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要探索方向.典型應(yīng)用為采用實(shí)測數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬結(jié)果構(gòu)建數(shù)據(jù)集，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)建地震動(dòng)預(yù)測方程.為進(jìn)一步揭示地震動(dòng)形成的全過程物理機(jī)制，機(jī)器學(xué)習(xí)算法在近斷層地震動(dòng)和寬頻地震動(dòng)模擬中也有所發(fā)展（Khosravikia，Clayton，2021）.

為了集中展示強(qiáng)地震動(dòng)模擬及工程應(yīng)用的最新進(jìn)展，特組織出版 《 強(qiáng)地震動(dòng)模擬及工程應(yīng)用專輯 》 .本專輯論文共16 篇，研究內(nèi)容主要涵蓋斷層效應(yīng)模擬、場地地震響應(yīng)分析、地震動(dòng)模擬方法以及場地-結(jié)構(gòu)（群）相互作用等方面，具體如下：

1） 斷層效應(yīng)模擬

盆地直下型斷層發(fā)震常導(dǎo)致坐落于盆地之上的城市發(fā)生嚴(yán)重震害.于彥彥等采用譜元法模擬不同位置直下型有限斷層破裂時(shí)盆地內(nèi)的強(qiáng)地震動(dòng)分布場，重點(diǎn)研究了斷層位置對(duì)三維沉積盆地地震動(dòng)影響的機(jī)理，可為盆地區(qū)域地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考.

為拓展單臺(tái)工作站模擬大尺度復(fù)雜場地地震動(dòng)的能力，巴振寧等基于CUDA 編程平臺(tái)提出了工作站級(jí)的CPU-GPU 并行異構(gòu)方法.研究表明，CPU-GPU 異構(gòu)并行方法可以有效地提高譜元法模擬的計(jì)算效率，具有良好的應(yīng)用前景.

2） 場地地震響應(yīng)分析

高玉峰等基于1992 年在我國臺(tái)灣翡翠河谷上觀測到的六條地形影響臺(tái)陣記錄，利用線源SH 波入射下非對(duì)稱V 形河谷地震波傳播解析理論，模擬了河谷臺(tái)陣各點(diǎn)的地震動(dòng)，從理論上揭示了翡翠河谷地形效應(yīng)對(duì)地震動(dòng)影響的規(guī)律.

劉啟方和陳長龍利用模擬和觀測記錄分析了場地非線性時(shí)變特征，研究表明，相較于移動(dòng)窗譜比法，基于移動(dòng)窗解卷積法可以較好地揭示場地非線性隨震動(dòng)水平的變化過程，識(shí)別非線性發(fā)生的閾值、非線性的變化程度及強(qiáng)震動(dòng)后的恢復(fù)程度.

楊彩紅等給出了圓弧形凹陷在SH 波入射下瞬態(tài)反應(yīng)的解析解，研究了凹陷在脈沖輸入與實(shí)際地震動(dòng)輸入下瞬態(tài)反應(yīng)的基本特征，并重點(diǎn)分析了凹陷對(duì)地震動(dòng)的放大效應(yīng)，該研究對(duì)于深入認(rèn)識(shí)圓弧形凹陷對(duì)地震動(dòng)放大效應(yīng)具有參考價(jià)值.

韓璐等以1979 年帝王谷地震地震為例，分別使用小波變換法、峰點(diǎn)法和零點(diǎn)法等三種方法識(shí)別近斷層強(qiáng)震觀測記錄的速度脈沖，并借助FK 法合成的地震動(dòng)，探討了近斷層脈沖型地震動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制.

孟思博等以半圓形、V 形沉積河谷為例，以入射波條件、沉積內(nèi)外介質(zhì)屬性和河谷形狀為特征參數(shù)，以沉積河谷地震動(dòng)放大系數(shù)為預(yù)測目標(biāo)參數(shù)，建立了基于差分進(jìn)化—人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的沉積河谷地震動(dòng)放大效應(yīng)預(yù)測模型，具有工程參考價(jià)值.

3） 地震動(dòng)模擬方法

波動(dòng)輸入是場地地震反應(yīng)分析的重要環(huán)節(jié)，由于近海工程場地存在向海洋傾斜的單體邊坡，且邊坡一側(cè)直接與海水耦合，其特殊的場地條件導(dǎo)致難以直接求解得到自由場分布，對(duì)現(xiàn)有的基于自由波場的場地地震波動(dòng)輸入方法提出了挑戰(zhàn).為此，寶鑫等提出了一種基于混合波場地震動(dòng)輸入技術(shù)的近海場地地震反應(yīng)分析方法，解決了這一工程難題.

邢浩潔等將其最近發(fā)展的多人工波速優(yōu)化透射邊界應(yīng)用于高精度譜元法的地震波動(dòng)模擬當(dāng)中，通過與經(jīng)典的人工邊界進(jìn)行比較分析，證明該方法是一種便捷、高效的人工邊界條件實(shí)現(xiàn)手段，該研究為實(shí)現(xiàn)簡單高效的地震波動(dòng)模擬提供了一種新途徑.

李鴻晶和王競雄研究了構(gòu)建時(shí)域譜單元質(zhì)量特性模型的數(shù)學(xué)機(jī)制，針對(duì)時(shí)域切比雪夫譜單元和勒讓德譜單元建立了一種直接導(dǎo)出譜單元一致質(zhì)量矩陣和集中質(zhì)量矩陣的統(tǒng)一數(shù)學(xué)方法，從物理角度探討了譜單元質(zhì)量特性模型的合理性.

地震動(dòng)合成方法的應(yīng)用前景與其所能表達(dá)的有效頻帶范圍緊密相關(guān).曹澤林等研究基于頻率波數(shù)域格林函數(shù)的地震動(dòng)合成FK 方法，分析了頻帶范圍的關(guān)鍵影響要素及處理措施.該研究表明，地震動(dòng)合成FK 方法具有合成寬頻帶地震動(dòng)的能力.

王競雄等提出了一種求解水平成層場地地震反應(yīng)的時(shí)域集中質(zhì)量切比雪夫譜元法，通過節(jié)點(diǎn)積分法嚴(yán)格地導(dǎo)出集中質(zhì)量矩陣，克服了傳統(tǒng)切比雪夫譜元法由于質(zhì)量矩陣為非對(duì)角矩陣形式所帶來的計(jì)算效率不高的問題，具有良好應(yīng)用前景.

4） 場地-結(jié)構(gòu)（群）相互作用

針對(duì)地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中埋深這一重要因素，趙密等從一維場地地震響應(yīng)進(jìn)行分析，研究了面向地下結(jié)構(gòu)的最優(yōu)地震動(dòng)峰值指標(biāo)隨埋深變化規(guī)律，確定不同埋深下的最優(yōu)地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，可為結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)提供合理的地震動(dòng)指標(biāo)參考.

董瑞等給出了一種模擬地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)耦聯(lián)災(zāi)變過程的模擬方法，并通過對(duì)地鐵車站-橋梁相互作用模型地震災(zāi)變過程的仿真模擬，給出了地鐵車站和鄰近橋梁的耦聯(lián)災(zāi)變機(jī)理，該研究對(duì)于地下結(jié)構(gòu)選址及抗震設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值.

輸入地震動(dòng)的選取是地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析的首要環(huán)節(jié)，禹海濤等為探討最不利地震動(dòng)在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的適用性，開展了軟土隧道基于地震響應(yīng)的輸入地震動(dòng)排序研究，該研究對(duì)軟土隧道的輸入地震動(dòng)選擇具有參考價(jià)值.

禹海濤等基于Biot 飽和兩相介質(zhì)理論，采用間接邊界積分方程法分別建立水平和豎向雙線隧道動(dòng)力作用分析模型，研究了SV 波垂直入射下飽和地層淺埋平行隧道動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制，該研究對(duì)飽和地層淺埋平行隧道抗震設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值.

值此專輯出版之際，感謝審稿專家對(duì)本專輯文章提出的寶貴意見，感謝各位作者給予的大力支持.