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)地震動模擬分析涉及地震學(xué)、巖石力學(xué)、土動力學(xué)等多個學(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)對地震動場的準(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)前研究的熱點和難點.隨著計算機(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，目前已可實現(xiàn)從斷層動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，對實際巖土層復(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）；針對近斷層地震動模擬，考慮實際復(fù)雜幾何特征及局部參數(shù)的斷層運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)模型逐步完善.由于核電站等抗震設(shè)計對地震動頻帶的要求較高，近年來地震動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時存在的數(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，由于地震動形成的全過程存在不確定性，隨機(jī)有限斷層法、經(jīng)驗格林函數(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、數(shù)值法模擬低頻地震動的確定性與隨機(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放大效應(yīng)研究已取得豐碩成果（Triffunac，2016）.但對城市直下型地震，對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地震動的明顯影響.另外，城市地下空間大規(guī)模開發(fā)利用，地下結(jié)構(gòu)（群）對地震動的影響及臨近結(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)的地震動模擬與預(yù)測成為工程地震學(xué)領(lǐng)域的一個重要探索方向.典型應(yīng)用為采用實測數(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)建地震動預(yù)測方程.為進(jìn)一步揭示地震動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和寬頻地震動模擬中也有所發(fā)展（Khosravikia，Clayton，2021）.

為了集中展示強(qiáng)地震動模擬及工程應(yīng)用的最新進(jìn)展，特組織出版 《 強(qiáng)地震動模擬及工程應(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盆地內(nèi)的強(qiáng)地震動分布場，重點研究了斷層位置對三維沉積盆地地震動影響的機(jī)理，可為盆地區(qū)域地震災(zāi)害風(fēng)險評估提供參考.

為拓展單臺工作站模擬大尺度復(fù)雜場地地震動的能力，巴振寧等基于CUDA 編程平臺提出了工作站級的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 年在我國臺灣翡翠河谷上觀測到的六條地形影響臺陣記錄，利用線源SH 波入射下非對稱V 形河谷地震波傳播解析理論，模擬了河谷臺陣各點的地震動，從理論上揭示了翡翠河谷地形效應(yīng)對地震動影響的規(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變特征，研究表明，相較于移動窗譜比法，基于移動窗解卷積法可以較好地揭示場地非線性隨震動水平的變化過程，識別非線性發(fā)生的閾值、非線性的變化程度及強(qiáng)震動后的恢復(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際地震動輸入下瞬態(tài)反應(yīng)的基本特征，并重點分析了凹陷對地震動的放大效應(yīng)，該研究對于深入認(rèn)識圓弧形凹陷對地震動放大效應(yīng)具有參考價值.

韓璐等以1979 年帝王谷地震地震為例，分別使用小波變換法、峰點法和零點法等三種方法識別近斷層強(qiáng)震觀測記錄的速度脈沖，并借助FK 法合成的地震動，探討了近斷層脈沖型地震動的產(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)的沉積河谷地震動放大效應(yīng)預(yù)測模型，具有工程參考價值.

3） 地震動模擬方法

波動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，對現(xiàn)有的基于自由波場的場地地震波動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現(xiàn)手段，該研究為實現(xiàn)簡單高效的地震波動模擬提供了一種新途徑.

李鴻晶和王競雄研究了構(gòu)建時域譜單元質(zhì)量特性模型的數(shù)學(xué)機(jī)制，針對時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，地震動合成FK 方法具有合成寬頻帶地震動的能力.

王競雄等提出了一種求解水平成層場地地震反應(yīng)的時域集中質(zhì)量切比雪夫譜元法，通過節(jié)點積分法嚴(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)量矩陣為非對角矩陣形式所帶來的計算效率不高的問題，具有良好應(yīng)用前景.

4） 場地-結(jié)構(gòu)（群）相互作用

針對地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計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)地震動強(qiáng)度指標(biāo)，可為結(jié)構(gòu)抗震性能評價提供合理的地震動指標(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，該研究對于地下結(jié)構(gòu)選址及抗震設(shè)計具有參考價值.

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

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力響應(yīng)機(jī)制，該研究對飽和地層淺埋平行隧道抗震設(shè)計具有參考價值.

值此專輯出版之際，感謝審稿專家對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.