沥青-混凝土芯墙坝在近断层脉冲型随机地面运动作用下的随机动态响应分析

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Analysis of the stochastic dynamic response of Asphalt–concrete core wall dams under near-fault pulse-type stochastic ground motions

研究采用随机森林算法建立近断层脉冲型地震动参数与地震学参数的回归关系，提出高低频组合生成方法，并基于数论点选法与直接概率积分法（DPIM）开发了ACCRDs随机动态响应分析方法，通过实际案例验证了考虑地震动随机性的重要性。

　　在现代水利工程中，沥青混凝土芯体堆石坝（ACCRD）因其出色的抗震性能和良好的环境适应能力，已成为一种广泛应用的坝型。随着工程规模的扩大、地质条件的复杂化以及地震防护要求的提高，尤其是在近断层区域，地震波的响应变得更加复杂，其特点主要体现在脉冲型地面运动的特性上。因此，研究ACCRD在近断层脉冲型地面运动下的地震响应具有重要的现实意义。

本文提出了一种基于实际近断层地面运动记录的方法，利用随机森林算法建立脉冲参数与地震参数之间的回归关系。同时，结合高频和低频成分，开发了一种生成适用于不同场地条件的近断层脉冲型随机地面运动的方法。此外，通过将数论点选择方法与直接概率积分方法（DPIM）相结合，构建了一种用于ACCRD的随机动态响应分析方法。通过一个实际案例研究，本文对ACCRD在近断层脉冲型地面运动下的随机动态响应进行了计算分析，揭示了沥青芯体中的主拉应力概率演化以及最大破坏概率。

研究表明，仅基于单次地面运动进行响应计算，无法全面反映实际地震作用下坝体的行为。因此，在近断层地震响应分析中，考虑地面运动的随机性至关重要。近断层地震运动具有显著的脉冲效应、大振幅长周期成分以及明显的方向性，这些特性与远场地震有所不同。近断层地震不仅可能引发结构的局部应力集中和非线性变形，还可能加剧整体动态响应的不确定性。已有研究表明，近断层脉冲型地面运动的能量谱值显著高于非脉冲型地面运动。同时，近断层地震对砌体结构的动态响应影响更大，导致更严重的结构损伤。

在高坝的设计与评估中，近断层脉冲型地面运动应被纳入考虑范围。近断层垂直地震运动虽然对支座的损伤影响较小，但对塔体和桥墩的损伤具有显著的负面影响。已有研究对混凝土重力坝在近断层脉冲激励下的地震需求进行了评估，通过修改耐久时间实现更准确的分析。此外，近断层地面运动下的混凝土面板堆石坝加速度分布系数也高于规范指定的人工谱结果。

尽管近断层地震的脉冲效应、长周期成分和方向性对结构的动态响应有显著影响，但由于近断层地面运动数据的有限性，其在地震设计中的应用受到一定限制。因此，开发更精确的模拟方法，以提高对地震响应的评估准确性，成为研究近断层地震对ACCRD影响的关键问题。

为了解决上述问题，本文对大量记录的近断层脉冲型地面运动进行了统计分析，并利用随机森林算法建立与实际记录数据相匹配的脉冲参数与地震参数之间的回归关系。同时，将脉冲参数的随机性引入地面运动的生成过程中，基于实际近断层脉冲型地面运动的统计特性，开发了一种适用于不同场地类型的近断层脉冲型随机地面运动生成方法。通过这种方法，本文对ACCRD在近断层脉冲型随机地震激励下的随机动态响应进行了分析，重点揭示了芯体墙和坝体关键部位的动态响应模式，以及加速度的放大效应和应力分布特征。

在现有研究中，多数关注于沥青芯体墙的静态力学性能和基本动态响应。然而，对于复杂地震作用下沥青芯体墙的动态响应研究仍显不足。这种研究空白限制了对芯体墙在地震作用下实际性能的全面理解。因此，本文在直接概率积分方法（DPIM）的基础上，对坝体在近断层脉冲型随机地震激励下的破坏概率进行了定量评估。通过这种分析，能够更准确地预测ACCRD在实际地震作用下的行为，为工程设计和地震风险评估提供科学依据。

近断层脉冲型地面运动的生成方法通常可以分为三类：源模型、场地模型和混合模型。源模型主要关注地震源的物理过程，包括地震波的传播路径和场地效应，通常采用动态或运动学方法来模拟断层破裂过程。虽然这种方法能够准确再现地震波的传播特性，但其计算量较大，限制了其在大规模工程中的应用。相比之下，场地模型通过统计分析和参数化不同场地的地震记录来模拟地震波的传播，这种方法计算简单，适用于大规模应用，但其依赖于已有数据，难以适应新的或未观测到的场地条件。混合模型则分别模拟地震波的高频和低频成分，并在时域或频域中进行组合，生成近断层脉冲型地面运动。这种方法特别关注高频运动的时频非平稳特性，使得具有非平稳特征的随机近断层地震波得以生成。

尽管在近断层地面运动的模拟技术方面取得了一定进展，但其生成过程仍需进一步研究。目前，许多方法依赖于已有的脉冲参数与地震参数之间的回归关系，这往往导致对地震结构响应的误差。因此，采用更精确的方法来提高对地震响应的评估准确性，成为研究近断层地震对ACCRD影响的关键问题。

本文提出的方法不仅能够更准确地生成近断层脉冲型随机地面运动，还能在不同的地震环境和场地条件下进行模拟。通过这种方法，对ACCRD的随机动态响应进行计算，能够更全面地评估其在地震作用下的性能。同时，本文对沥青芯体墙在复杂地震作用下的动态响应进行了深入研究，填补了现有研究的空白，为提高ACCRD的抗震设计和评估提供了新的思路。

在实际工程中，近断层地震的模拟和分析对于确保坝体的抗震安全至关重要。本文通过实际案例研究，验证了所提出方法的有效性。研究结果表明，基于近断层脉冲型随机地面运动的分析，能够更准确地预测ACCRD的动态响应模式和破坏概率。这种方法不仅适用于现有场地条件，还能够适应未来可能遇到的复杂地震环境。

通过本文的研究，可以更好地理解近断层地震对ACCRD的影响，并为地震设计和评估提供科学依据。同时，本文还强调了在实际工程中，需要考虑地面运动的随机性，以提高对地震作用下坝体行为的预测准确性。这种方法的提出，不仅有助于提高ACCRD的抗震性能，还能够为其他类似结构的地震分析提供参考。

总之，本文的研究为近断层地震作用下ACCRD的地震响应分析提供了新的方法和技术支持。通过结合实际数据和先进的算法，构建了更准确的随机动态响应分析模型，能够更全面地评估ACCRD在复杂地震环境下的性能。这种方法的应用，有助于提高坝体的抗震设计水平，增强其在近断层区域的抗震能力，为水利工程的安全运行提供保障。