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水 利 学 报

２０２４年 １月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 １期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０１ － ００１３ － １１

融合时频空间特征的土石坝地震易损性分析改进 ＭＬＰ模型研究

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王晓玲 ，李清梦 ，刘宗显 ，余 佳 ，余红玲 ，王昊东 １
（１．天津大学 水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 ３０００７２；２．雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 ６１００５１）
摘要：针对现有地震易损性分析中采用的峰值加速度、峰值速度等地震动指标未能充分反映地震动复杂的时频空
间特征，且现有基于对数空间线性函数关系假设的地震需求模型难以揭示地震动指标与地震响应间复杂非线性关
系的问题，提出一种融合时频空间特征的土石坝地震易损性改进多层感知机（ ＭｕｌｔｉＬａｙｅｒＰｅｒｃｅｐｔｒｏｎ，ＭＬＰ）模型。
该模型利用胶囊网络（ＣａｐｓｕｌｅＮｅｔｗｏｒｋ，ＣａｐｓＮｅｔ）能够充分捕捉和表征目标特征空间位置分布的优势，从地震动小
波时频图中提取反映地震动时频空间分布的深层特征，并以特征拼接的方式与既有特征进行融合，构建地震动融
合指标；进一步地，采用树形 Ｐａｒｚｅｎ优化算法（ＴｒｅｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄＰａｒｚｅｎＥｓｔｉｍａｔｏｒ，ＴＰＥ）对 ＭＬＰ的神经元数量、学习
率等超参数进行优化，提出基于 ＴＰＥ － ＭＬＰ的土石坝地震需求模型，以反映地震动融合指标与地震响应间的复杂
非线性关系，进而实现土石坝地震易损性的可靠分析。案例分析表明，相比于既有地震动指标，基于地震动时频
空间特征融合指标的土石坝地震需求模型的 ＭＡＥ降低了 ４０．５％，表明了所提模型的可靠性和优越性。
关键词：土石坝；地震易损性；地震动时频空间特征；地震需求模型；胶囊网络；多层感知机；小波变换
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ６４１ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０２９７

１ 研究背景

土石坝地震易损性分析对于抗震设计、抗震加固以及风险评估等方面具有重要意义 ［１］ 。地震动指
标和大坝地震需求模型建立是土石坝地震易损性分析的两个关键环节 ［２ － ３］ 。然而，现有的土石坝地震
易损性分析研究中采用的峰值加速度、峰值速度等地震动指标，未能充分反映地震动的时频空间特
征；且既有基于对数空间线性函数关系假设的地震需求模型难以揭示地震动指标与地震响应间复杂非
线性关系。因此，亟待构建充分反映地震动复杂时频空间特征的指标，并建立能够揭示地震动指标与
地震响应间复杂非线性关系的地震需求模型，在此基础上进行土石坝地震易损性分析，为土石坝抗震
风险评估提供支持。
在地震动指标建立方面，现有研究中常用的地震动指标主要分为两类：一类是采用单个指标表征
地震动；另一类采用两个及以上的多元地震动指标。在地震动单指标方面，现有研究一般采用谱加速
度 ［４ － ５］ 、峰值加速度 ［６ － ７］ 、峰值速度 ［４，８］ 和峰值位移 ［８］ 等指标开展地震易损性研究。此外，一些新型地
震动指标，如考虑结构特征的地震动指标 ［９］ 、基于主导模态的地震动指标 ［１０］ 和多周期平均谱加速度
指标 ［１１］ 等，也被提出用于表征地震动。然而，单个地震动指标所承载的信息有限，只能表征地震动的
部分特征。为更充分反映地震动的复杂信息，相关学者提出了多元地震动指标。例如，Ａｌｅｍｂａｇｈｅｒｉ
等 ［１２］ 基于所提（Ｓａ（Ｔ１），ＰＧＡ）、（Ｓａ（Ｔ１），ＰＧＤ）、（ＰＧＡ，ＰＧＤ）和（Ｓａ（Ｔ１），Ｓａ（Ｔ１）?Ｓａ（Ｔｎ）ＰＧＡ）

收稿日期：２０２３ － ０５ － ２３；网络首发日期：２０２３ － １１ － １３
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３１１１０．１６５６．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：天津市自然科学基金项目（２２ＪＣＱＮＪＣ０１１５０）
作者简介：王晓玲（ １９６８ － ），博士，教授，主要从事水利工程智能建设与管理。Ｅ － ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｌ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：余佳（１９９２ － ），博士，助理研究员，主要从事水利工程智能建设与管理。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｕｊｉａ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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