基于土-结构相互作用与地震动输入聚类的简明地震易损性计算方法

本文提出了一种结合改进归一化谱聚类(N-SPC)算法与土-结构相互作用(SSI)模型的简明地震易损性计算方法。通过从场地地震动数据集中筛选代表性输入，显著降低了传统非线性时程分析(NLTHA)的计算成本，仅需15组输入即可复现109组计算结果。该方法为水坝等基础设施的抗震性能评估提供了高效精准的解决方案，尤其适用于考虑无限域辐射阻尼的精细化SSI场景。

　　

Highlight

本研究提出了一种结合改进归一化谱聚类(N-SPC)算法与土-结构相互作用(SSI)模型的简明地震易损性计算方法。该方法通过智能筛选代表性地震动输入，在保证精度的同时将计算量降低至传统方法的1/7，为重大基础设施抗震评估提供了新范式。

Methodology

忽略复杂的SSI效应可能导致抗震性能评估失真。如图1所示，该方法包含两大核心模块：(1) 基于粘弹性人工边界的精细化SSI模型构建；(2) 采用改进N-SPC算法实现地震动输入的"降维-聚类-代表筛选"三级优化。该算法通过归一化割图技术解决了传统聚类中常见的类不平衡问题。

Quick Seismic Fragility Evaluation Framework

图4展示了以水坝为例的快速评估流程：

1. 1.

   精准SSI建模：采用粘弹性人工边界模拟无限域辐射阻尼效应；

2. 2.

   智能输入筛选：通过N-SPC算法从109组场地地震动中提取15组代表性输入；

3. 3.

   高效易损性计算：基于少量NLTHA结果构建全概率抗震性能曲线。

The SSI Model Validation

通过6m×6m×50m的弹性地基模型验证（E_e=24MPa，υ=0.2，ρ=1000kg/m³），计算结果与文献[34]高度吻合，最大误差<5%。

The Clustering Algorithm Validation

采用Jia等[36]提出的验证方法，对32组地震动进行聚类测试。结果显示N-SPC算法相较于传统k-means(KM)和模糊c均值(FCM)，其类内相似度提升40%，类间区分度提高25%。

Engineering Application

在某拱坝工程中，N-SPC算法在三种分析场景下均表现出色：

• •

  仅用13.8%的计算量即复现完整数据集的易损性曲线；

• •

  峰值加速度预测误差控制在±0.05g以内；

• •

  破坏概率估计偏差<3%。

Conclusions

本研究发展的N-SPC-SSI联合框架，为重大基础设施抗震评估提供了"又快又准"的解决方案。工程应用表明，该方法可节省86%计算资源，且精度满足工程需求，特别适用于需考虑无限域辐射阻尼的精细化分析场景。