天河新一代超级计算机应用成果报道—基于物理的大规模复杂场地全过程宽频带地震动模拟取得新进展
应用背景简介
地震灾害主要是由于地震引起的强烈的地面运动造成的，影响地面运动特征及强度的主要因素包括：震源破裂、地震波地壳层传播以及局部地形与近地表土体地质条件（即场地效应）。综合上述因素，通过正确地求解物理方程，能够模拟地震发生时地面运动情况，进而给出研究区域震害分布情况，可为地震区划以及地震危险性提供参考，也可为近场重大工程结构的抗震分析提供合理的多维宽频带地震动输入。
天津大学建筑工程学院巴振宁教授课题组基于开源谱元法数值计算代码SPECFEM3D进行二次开发，将GP14.3运动学混合震源模型和Davidenkov土体非线性本构模型开发到SPECFEM3D中，进而针对1679年三河-平谷_M_s8.0、2001年施甸_M_s5.9、2021年漾濞_M_s6.4、2022年门源_M_s6.9、2022年泸定_M_s6.8等地震开展了地震动模拟工作，将模拟频率从低频段（1-2Hz）扩展到工程结构敏感频带(5-10Hz)，介质本构从线性扩展到非线性情况，并应用BP神经网络模型，基于大量数值模拟计算得到的宽频带地震动数据库，给出了天津地区设定地震的地震动预测模型。
上述地震动模拟工作均在天河新一代超级计算机完成，该系统能够很好处理上亿自由度数量模型的存储、计算以及文件结果输出并且计算效率较快、精度较高，为地震动模拟提供了计算支撑。
应用成果说明
针对SPECFEM3D的二次开发工作
1) 建立了一种激发宽频地震波的运动学混合震源模型（图1）。首先，在断层面上建立确定性的凹凸体震源模型，进而在波数域内引入Von Karmen自相关函数，该函数以波数平方倒数（k2）的形式衰减，合理地表达出高频随机成分，并通过滤波函数将低频确定性成分和高频随机函数有效结合，生成运动学有限断层混合震源破裂过程
2) 采用目前具有丰富工程应用且适用于不同土类的三参数 Martin-Seed-Davidenkov 本构模型，结合已有的不规则加卸载准则，通过在SPECFEM3D程序中修改每个显式时间步下的应力增量（图2），实现了土体剪切模量的实时更新和加卸载拐点的有效识别，将土体的非线性特性纳入到三维复杂场地地震动模拟中。
图1运动学混合震源模型断层破裂动态破裂过程
图2 Davidenkov非线性本构模型在SEM中的开发
主要研究成果应用
1）针对2022年9月5日泸定_M_s6.8地震，模拟了频带范围0-5 Hz，区域范围101.5°E~102.5°E,29.0° N~30.0°N范围内的地震动场结果（图3）。基于波场快照图和合成地震图结果研究了近断层地震动的方向性效应和滑冲效应。对比有无地形结果的差异，研究了泸定地区典型的高山-峡谷场地对地震动的影响，研究表明高山-峡谷地形的聚焦效应对地震动有明显的放大作用，且PGV放大与地形高程的相关性更强，可进一步通过建立放大因子与高程的关系进一步预测地震动放大。
图3高山-峡谷地形对地震动（PGA和PGV）分布的影响。地震波在高差悬殊的峡谷与山岭之间发生多次散射，其相干效应十分复杂，山体和山谷区域出现地震波叠加的情况，某些区域可能会成为能量会聚的“焦点”，造成地震动的显著放大。
2）针对2022年1月8日门源_M_s6.9地震，模拟了频带范围0-10 Hz，区域范围100.7°E~102.0°E, 37.4°N~38.2°N内的地震动场结果（图4）。模拟结果表明，近断层效应与局部地形的放大效应相结合可能出现空间变异性更强的地震动放大情况。在近断层区域的山峰和山脊的部分位置上，PGV放大系数可达2.7且放大系数在周期范围1-2s最为明显。因此可以推断，近断层和地形效应的耦合可能导致近断层区域的高铁桥梁产生了严重的地震破坏。
图4 通过数值模拟对比有无地形下时程结果（加速度、速度、位移）、反应谱结果以及谱分布结果，分析了近断层和地形耦合效应对地震动场的影响
3) 创新性的提出了一种结合宽频带地震动模拟和机器学习的地震动预测方法（图5），方法采用宽频带地震动的混合模拟方法（低频确定性+高频随机性），基于天津市活动断层探测与地震危险性评价结果，模拟了天津地区93个设定地震，形成了包含9267组数据的模拟数据集，应用BP神经网络算法，建立了天津地区的宽频带地震动参数预测模型，主要给出了PGA和Sa（T=0.1s、0.2s、1.0s、5.0s和10.0s）相对于矩震级_M_w和震中距_R_的衰减关系，并且进一步绘制了关于矩震级_M_w和震中距_R_在不同工况组合下的加速度反应谱曲线，最终给出天津地区不同设定地震下的PGA分布云图。该方法可以为区域的结构抗震设计和地震危险性分析等工作提供一种新思路。
图5 基于混合方法的天津地区宽频带地震动参数BP神经网络预测模型及应用研究流程图
该成果基金资助情况
上述研究成果数值模拟部分的主要完成人为天津大学建筑工程学院巴振宁教授和赵靖轩博士生。研究得到了国家自然科学基金地震科学联合基金（重点）项目（U2139208）、国家自然科学基金（52178495）和天津市自然科学基金（20JCYBJC01090）等项目支持。
应用成果出处
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相关论文发表于Bulletin of the Seismological Society of America ,Soil Dynamics and Earthquake Engineering，Pure and Applied Geophysics, 地球物理学报和岩土工程学报等国内外领域主流期刊。
论文链接： https://doi.org/10.1785/0120230052 https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2023.108048 https://link.springer.com/article/10.1007/s00024-024-03431-1 |