在重大工程结构的抗震分析中,需要输入合理、科学的地震动来开展结构动力响应分析和风险评估等工作。近年来,随着地震观测水平的提高,地震记录数量显著增长,但对于特定的震源、路径和场地特征等复杂要素地震记录仍然缺乏(Katsanos et al,2010)。为解决观测数据缺乏的问题,研究人员通常会选择已有的地面运动记录,并对记录波形在时间域内进行缩放或在频率域内进行调整,以满足指定的地震动强度指标或频率要求(Luco,Bazzurro,2007)。然而,若没有地震学或地球物理学等方面的物理特性约束,对真实记录进行缩放或修改去改变地震动的某些强度指标或频率,可能会使得强地面运动估计失效(Goulet et al,2008; Rezaeian,Kiureghian,2012)。此外,大多数缩放和频谱匹配方法是针对水平分量设计,由于垂直分量幅频特性与水平分量的非线性差异,其频谱匹配方法难以直接移植,致使三分量地震动的幅值相位同步调控存在显著技术障碍。
人工合成地震动可有效解决上述问题。传统的人工地震动合成方法可分为两类:基于物理学的确定性方法和基于随机性的方法。基于物理学的方法在模拟复杂路径和场地效应方面具有明显的优势,但此类方法需要对断层滑动机制、波传播路径和场地效应有详细的参数表征,这些参数在工程应用中常常难以获取(Frankel,2009; Rezaeian,Kiureghian,2012),并且此类方法需要较为昂贵的计算资源来计算地震动的高频部分(Rodgers et al,2020)。而基于随机性的方法假设地面运动具有高斯白噪声的特性(Boore,2003),基于随机振动理论,通过迭代拟合模拟目标响应谱,以模拟合成的强地面运动。这种方法的主要优点是源、场地以及路径缩放项可以根据经验数据确定,通过简单的组合就可以生成所需的地震动波形。但随机性方法有以下缺点:①此类方法是基于地震动特定特征如PSA(Tavakoli,2005)、PSV(Boore,2003)等的重建,不能充分表征强地面运动的多类型参数。②该方法无法正确表示 P波、S波、表面波模式和偏振,因此不能使用该方法来产生具有多波到达和尾波相干的三分量地震动波形(Graves,Pitarka,2010)。③与实际观测记录相比,随机性方法容易低估不同频率振幅之间的相关性,进而也低估了不同工程响应的变异性(Bayless,Abrahamson,2019; Rezaeian,Kiureghian,2010)。
混合方法兼顾上述两种方法的优点,分别计算低频和高频地面运动,匹配生成统一地震动时程(Graves,Pitarka,2015)。对于低于1 Hz的频率,采用具有完全确定性的波传播模拟方法; 对于高频,应用随机性方法。美国南加利福尼亚地震中心(SCEC)的宽带平台模型(Maechling et al,2015)和 CyberShake 模型的宽带版本(Graves,Pitarka,2015)均采用了这一混合策略,通过融合物理机制与随机特性,成功实现了全频段地震动的精确模拟。在理想状态下,完全动态破裂模拟能够精准捕捉到高频波段中断层破裂演化的核心物理机制,揭示驱动断层快速滑动与能量释放的本质过程,这种模型具有很大潜力,但对于重大工程的地震分析需求,其理论与应用都还不够成熟(Withers et al,2019)。
近年来,随着机器学习算法的飞速发展,变分自动编码器(VAE)模型(Kingma,Welling,2013)、GANs模型(Goodfellow et al,2014)和扩散模型(Ho et al,2020)等新型人工智能算法,已被广泛应用于社会各行业。其中,GANs在图像生成、数据增强和语音生成等多个领域都展现出广阔的应用前景,同时在地震领域也展现出强大的潜力,如Alkhalifah等(2022)利用该算法生成用于训练地震预警系统的地震信号; Li等(2020)基于该方法生成类似真实地震信号的地震动时间序列,用于地震预警系统训练; Gatti 和 Clouteau(2020)使用GANs从地震记录中提取高频特征,以增强地震动模拟精度; Florez 等(2022)使用该方法合成了以连续物理变量(震级、震中距和剪切波速度)为条件的真实三分量加速度; Esfahani 等(2023)基于 Florez 等(2022)的研究框架,融合频域特征与物理参数(如震级与断层距),构建了非平稳地震动时程合成模型; Matinfar等(2023)使用该方法来合成与给定目标设计谱兼容的强地面运动加速度; Huang 等(2024)构建了GANs框架,通过引入震源参数—传播路径—场地效应全链条控制因子,建立了高精度地震动模拟方法; Chen等(2024)提出了基于该方法框架设计和训练的 PhaseGen 模型,用于生成具有特定P波和S波相对到时的地震动时程; Marano 等(2024)对该方法GANs在地震工程领域的应用进行了综述。
本文在前人研究的基础上提出了GANs算子,将傅立叶算子引入其中,使用震级M、最小断层距Rrup、等效剪切波速VS30、滑动机制和断层构造类别5个条件作为控制地震动生成的物理变量,训练GANs模型,使其成为物理约束型地震动生成器,从强震观测数据集中学习观测数据的最优概率表示,将连续输入变量条件化,开展时域和频域内的验证对比。