• ISSN 1673-5722
  • CN 11-5429/P

基于TCN的区域RC框架结构地震损伤评估

李一民 康帅 董正方 殷琳

李一民,康帅,董正方,殷琳,2024. 基于TCN的区域RC框架结构地震损伤评估. 震灾防御技术,19(4):698−705. doi:10.11899/zzfy20240406. doi: 10.11899/zzfy20240406
引用本文: 李一民,康帅,董正方,殷琳,2024. 基于TCN的区域RC框架结构地震损伤评估. 震灾防御技术,19(4):698−705. doi:10.11899/zzfy20240406. doi: 10.11899/zzfy20240406
Li Yimin, Kang Shuai, Dong Zhengfang, Yin Lin. Seismic Damage Assessment of Regional RC Frame Structures Based on TCN[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2024, 19(4): 698-705. doi: 10.11899/zzfy20240406
Citation: Li Yimin, Kang Shuai, Dong Zhengfang, Yin Lin. Seismic Damage Assessment of Regional RC Frame Structures Based on TCN[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2024, 19(4): 698-705. doi: 10.11899/zzfy20240406

基于TCN的区域RC框架结构地震损伤评估

doi: 10.11899/zzfy20240406
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(51978634);河南省自然科学基金(222300420415)
详细信息
    作者简介:

    李一民,男,生于1999年。硕士研究生。主要从事结构抗震方面的研究工作。E-mail:tmjzxyhndx@henu.edu.cn

    通讯作者:

    康帅,男,生于1983年。副教授,博士。主要从事结构抗震方面的研究工作。E-mail:kangshuai@henu.edu.cn

Seismic Damage Assessment of Regional RC Frame Structures Based on TCN

  • 摘要: 为准确评估区域RC框架结构震后损伤状态,提出了基于时序卷积神经网络(Temporal Convolutional Neural Networks,TCN)模型的结构地震损伤评估方法。首先选取几何参数中的结构高度、x向跨度和设计参数中的抗震设防烈度、场地类别作为结构特征参数,设计了48个RC框架结构模型;然后用OpenSees软件计算结构在地震过程中的加速度响应数据,采用最大层间位移角作为结构损伤指标,并建立结构损伤指标与加速度响应数据之间的映射关系,以此得到震损数据集;最后通过建立基于TCN模型的区域RC框架结构震损评估模型,利用贝叶斯优化算法找出模型中的最优参数组合,分析了TCN模型的损伤评估准确率、计算资源及在噪声作用下的泛化能力。研究结果表明,TCN模型损伤评估准确率高达86.6%,评估效果优于CNN-LSTM模型,且具有更少的参数量,在噪声作用下也有较好的鲁棒性。
  • 图  1  震损评估模型流程

    Figure  1.  Flowchart of earthquake damage assessment model

    图  2  因果膨胀卷积示意

    Figure  2.  Illustration of the causal dilated convolution

    图  3  TCN模型部分结构示意

    Figure  3.  Part of TCN model structure diagram

    图  4  贝叶斯优化流程

    Figure  4.  Flowchart of Bayesian optimization

    图  5  框架模型立面(单位:毫米)

    Figure  5.  Elevation of frame model(Unit: mm)

    图  6  CNN-LSTM和TCN模型混淆矩阵对比

    Figure  6.  Comparison of confusion matrix between CNN-LSTM model and TCN model

    表  1  贝叶斯优化参数范围

    Table  1.   Parameter range of Bayesian optimization

    模型名称 参数范围
    L2正则化 学习率 卷积核尺寸 卷积块数量 残差块数量
    CNN-LSTM [10−4,10−1] [10−4,10−1] [27,35] [1,3]
    TCN [10−4,10−1] [10−4,10−1] [3,7] [5,8]
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    表  2  框架结构模型结构特征参数

    Table  2.   Structural characteristic parameters of frame structure model

    项目结构特征参数参数取值范围
    几何参数结构层数/层4、6、8、10
    x向跨度/m6、8
    设计参数抗震设防烈度7、8
    场地类别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
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    表  3  不同性能状态下最大层间位移角限值

    Table  3.   Limits of maximum interlayer displacement angle under different performance states

    结构性能状态 轻度损伤
    (第1类)
    中度损伤
    (第2类)
    重度损伤
    (第3类)
    最大层间位移角限值/rad ≤1/200 1/200~1/100 >1/100
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    表  4  各数据集中加速度响应数据量

    Table  4.   Data amount of acceleration response in each data set

    项目训练集验证集测试集
    地震波/条1244
    数据量/组18 6404 4607 000
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    表  5  CNN-LSTM和TCN模型性能对比

    Table  5.   Comparison of performance between CNN-LSTM model and TCN model

    模型名称参数量/kb时间/s最优准确率/%
    CNN-LSTM15 380 0993 042.280.4
    TCN12 4191 946.086.6
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-12
  • 刊出日期:  2024-12-31

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