《科学通报》
开博时间：2019-09-06 16:50:00《科学通报》是主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平和重要意义的研究成果。报道及时快速，文章可读性强，力求在比较宽泛的学术领域产生深刻影响。
城市抗震弹塑性分析方法
2020-12-09 12:37:00地震会造成严重的经济损失与人员伤亡。随着城镇化发展，人口与财富高度聚集，加重了城市面临的地震威胁。因此，针对震害的主要承灾体——建筑，开展高效、合理的建筑震害模拟有助于揭示灾变机理，服务震前防灾规划和震后应急救援，对降低城市震害风险具有重要价值。
基于上述实际需求，我们提出采用“城市抗震弹塑性分析方法”实现高效、准确的城市建筑震害模拟(图1)。该方法基于结构动力学理论，采用完整的地震动时程记录，对城市中每栋建筑逐一开展动力弹塑性时程分析，可充分反映地震动时域和频域特征及建筑抗震特性，比传统方法具有明显优势。为实现该方法，需解决海量建筑建模、高性能计算、“场地-城市效应”、高真实感可视化、次生灾害预测等一系列关键科学问题。因此，我们提出以下关键技术和方法：
图1 城市建筑抗震弹塑性分析技术框架
(1) 基于物理驱动模型的建筑群多尺度模型
我们将城市中的建筑划分为常规多层建筑、常规高层建筑和特殊建筑，并分别提出力学/物理驱动的震害预测模型：1) 常规多层建筑采用非线性多自由度(MDOF, multiple-degree-of-freedom)剪切层模型;2) 高层建筑采用非线性MDOF弯剪层模型;3) 城市内大跨结构、超高层等特殊建筑动力特性复杂，采用基于纤维梁和分层壳模型的精细有限元模型分析。
(2) 基于CPU/GPU异构并行的高性能计算方法
城市抗震弹塑性分析的计算量巨大，因此，我们提出CPU/GPU异构并行计算方法。方法流程为：CPU分配计算任务;GPU执行建筑时程分析;CPU将GPU计算结果输出用于后处理。案例分析表明，在相近成本下，本方法单精度计算加速比达到39倍，满足城市区域建筑震害模拟“低成本-高效率”的实际需求。
(3) 考虑“场地-城市效应”的区域建筑震害分析方法
在建筑密集的城市区域，城市建筑与场地之间的相互作用(“场地-城市效应”)能够显著改变场地特征与建筑的地震动输入。我们采用开源谱元法程序模拟波在场地的传播，采用非线性MDOF模型模拟建筑的动力响应，提出了考虑SCI效应的区域建筑震害耦合数值模拟方法，为“场地-城市效应”研究提供了有力工具。
(4) 基于3D城市模型和倾斜摄影的震害高真实感展示方法
高真实感的震害展示有助于非结构工程专业用户的理解与决策。我们提出了基于3D城市模型的震害高真实感展示方法，主要流程包括建筑对象识别、楼层平面生成与位移插值。由于3D城市模型缺乏必要纹理，我们提出了基于无人机倾斜摄影的震害场景增强现实可视化，主要流程包括轻量级建模、建筑单体识别、动态响应可视化。
(5) 基于精细化模拟和新一代性能化设计的震损预测和次生灾害模拟方法
基于城市抗震弹塑性分析结果，结合FEMA P-58新一代性能化抗震设计方法，我们提出了城市建筑地震经济损失预测方法。针对次生灾害，提出了次生坠物与次生火灾模拟方法。该系列方法可为地震经济损失评估、避难场所规划、疏散道路设计、城市消防规划和灾后应急预案编制提供重要参考。
通过与美国国家科学基金重大项目“多灾害模拟平台”(SimCenter)合作，采用城市抗震弹塑性分析方法，开展了旧金山湾区180余万栋建筑的震害情境模拟、经济损失分析与次生火灾场景模拟。我们提出的方法也成功开展了北京、唐山等多个城市的地震灾损预测。通过实时获取发震地区实测地面运动记录，目前该方法已成功应用于32次境内地震与42次境外地震的灾损近实时评估。在2017年九寨沟地震的分析中，震后5小时内给出的结论与实际震害吻合良好。
图2 典型应用. (a) 三河-平谷地震下北京CBD建筑损伤响应(变形放大50倍); (b) 旧金山湾区次生火灾场景模拟
目前，科学、准确、直观地模拟城市地震情境并预测地震损失对城市防震减灾工作具有重要价值。随着强震台网的建设、数据传输网络的完善以及计算机分析速度的提高，城市抗震弹塑性分析方法在提升震害预测和评估的准确性、高效性和真实感方面具有巨大的优势和前景，研究成果可为城市防震减灾提供重要决策参考。
文/陆新征, 田源, 许镇, 熊琛
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