基于双对数正态分布的电瓷型电气设备地震易损性研究

总结了110 kV和220 kV典型电气设备的地震易损性曲线研究成果,考虑不同研究成果的离散性,基于双对数正态分布给出了抗震能力中值、随机性和不确定性建议值。进一步开展220 kV变电站系统的抗震性能分析,定量评价了变电站的功能性。研究结果表明:双对数正态分布可以较好地反映电气设备地震易损性的离散性,尤其是模型、方法等原因导致的不确定性。变电站系统的抗震能力低于电气设备的抗震能力,设计中应采取措施提高变电站的冗余性。变电站系统抗震性能与电气设备抗震能力中值正相关,与随机性和不确定性呈负相关。

寒区环境温度对板式橡胶支座连续梁桥地震易损性影响研究

针对现行规范对寒区桥梁减隔震设计中仅考虑橡胶支座力学特性受环境温度作用影响,而忽略桥墩混凝土材料特性受温度影响的不足,以高寒地区一座两联3×30 m混凝土连续梁桥为背景,开展不同环境温度下桥墩混凝土材料抗压性能试验,确定温度对其力学参数的影响,基于试验结果对不同环境温度下的桥墩混凝土力学参数进行修正,从而建立不同环境温度下的全桥精细化非线性有限元模型,并基于增量动力分析(IDA)法探究不同环境温度下该桥的地震易损性。结果表明:极端温度引起桥墩混凝土材料参数和支座刚度的改变,使得该桥自振频率随着温度的升高而降低;地震作用下,极端低温时桥墩墩顶位移较常温增大了26.8%,而极端高温时支座位移增大了19.4%;根据现行规范计算的极端低温时支座和桥梁系统的损伤概率偏小,极端高温时结构和构件的损伤概率偏大,在设计中应予以重视;极端低温下桥墩、支座及桥梁系统的损伤概率,较常温分别增大45.0%、35.2%和27.5%,对于高寒地区该类桥梁设计时需考虑低温对其抗震性能的影响。

近断层脉冲型地震动下调谐黏滞质量阻尼器减震结构易损性分析

选择典型脉冲型近断层地震动记录分别对一安装有调谐黏滞质量阻尼器(tuned viscous mass damper,TVMD)、黏滞阻尼器(viscous damper, VD)和无阻尼器的6层3跨钢框架结构进行增量动力分析,进而基于增量动力分析结果得到3种结构不同损伤状态的易损性曲线。易损性分析结果对比表明:随着惯容单元的引入,减震结构可靠性显著提升;相较于相同阻尼的VD,TVMD可以更有效地提升结构的抗震性能,减小结构在不同损伤状态下的失效概率。随着质量比的增加,TVMD减震结构在不同损伤状态下的失效概率减小,TVMD对结构性能状态的提升不会随非线性的增加而减小,且在结构经历弹性、弹塑性直至倒塌的整个过程中减震控制性能发挥稳定。进一步选取3组不同脉冲周期的近断层地震动记录对三种结构进行时程分析,讨论TVMD在不同脉冲周期近断层地震动下的减震控制效果。结果表明,在近断层脉冲型地震动作用下,TVMD并不都会实现阻尼单元“阻尼增效”,阻尼器的性能发挥与地震动的特性有关。相较于VD,当T_1/T_p≥2时,TVMD可以更好地减少结构能量输入但其能量耗散效率低于VD,不能实现“阻尼增效”;当T_1/T_p <2时,TVMD可以减小结构残余位移,具有更优的减少能量输入和增大能量耗散效率的双重效应,体现了惯容的“阻尼增效”。

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

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(Multi Layer Perceptron,MLP)模型。该模型利用胶囊网络(Capsule Network,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(Tree structured Parzen Estimator,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。

基于向量式有限元的网壳结构地震易损性分析

为解决网壳结构地震易损性研究中,增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)所面临的结构非线性分析耗时长且求解困难的问题,提出了一种基于向量式有限元的IDA方法。首先,以一个Kiewitt-8型单层球面网壳为例,验证了向量式有限元方法求解结构地震响应的准确性,其次选取12个不同参数的Kiewitt-8型单层球面网壳为研究对象,并考虑材料不确定性进行IDA分析,以地震峰值加速度与结构最大节点位移比为参数,绘制了结构在地震作用下的IDA曲线和轻微破坏、严重破坏及倒塌这三种性态下的易损性曲线。结果表明:向量式有限元能高效且准确的求解网壳结构的地震响应,屋面质量和矢跨比的增加均会增加三种性态点的超越概率;对于本文的网壳结构算例,求解时间仅为传统有限元方法的1/15,误差在3%以内,屋面质量和矢跨比的改变导致地震危险性最大增加了75%。

基于斜坡单元灾害强度的滑坡灾害易损性评价——以湖南省湘乡市为例

以斜坡为单元,基于潜在灾害强度的区域性易损性评价是地质灾害防治亟待解决的重要问题之一。以湖南省湘乡市为研究区,在采用加权信息量方法进行易发性区划的基础上,逐个提取斜坡单元最高易发值点的高程、坡高、坡度、坡向、月平均降雨量为特征参数,分别代入BP神经网络、PSO-BP神经网络、随机森林及支持向量机模型。通过训练与精度测试对比,构建基于PSO优化BP神经网络算法的滑坡体积预测模型,建立以灾害体积为灾害强度指标,以建筑密度、人口密度、财产密度等为脆弱性指标的易损性综合评价模型。针对研究区开展基于潜在灾害强度的区域性易损性评价,完成高易损区(面积占比1.5%)、中易损区(面积占比28.5%)和低易损区(面积占比70%)的区划,实现了区域性易损性评价过程中致灾体灾害强度与承灾体脆弱性的有机结合,增强了评价的客观性和科学性。

高强钢筋超高性能混凝土框架结构易损性分析

为了研究高强钢筋超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)结构的抗震能力,本文选取了8条地震动分别对普通钢筋混凝土框架结构(模型Frame-C)和高强钢筋UHPC框架结构(模型Frame-UHPC)进行了增量动力分析,分别以最大层间位移角和谱加速度为结构需求参数和地震动强度参数,拟合出概率地震需求模型,进而计算出2个模型的地震易损性曲线,得到了结构的风险预测和损伤评估结果。研究结果表明:规范性态点下,相较于模型Frame-C,模型Frame-UHPC达到最大中等破坏或严重破坏状态概率时所对应的地震动强度更大,表明模型Frame-UHPC在强震作用下具有更好的抗震能力;小震作用下,模型Frame-UHPC的易损性指数明显小于模型Frame-C,体现了高强钢筋UHPC结构的高强优势。当使用规范性态点时,2个模型在中震和大震作用下的易损性指数相差较小,模型Frame-UHPC不能充分发挥UHPC和高强钢筋的材料优势。通过对文献中配筋UHPC柱数据整理分析,给出了适用于模型Frame-UHPC的建议性态点。与规范性态点相比,建议性态点下模型Frame-UHPC达到极限状态的概率更低,易损性指数也明显减小,小震和中震所应对的易损性指数分别减小了19.5%和42.3%,模型Frame-UHPC在建议性态点下可以更好地发挥其材料优势。

地震和风耦合作用下超高层连体结构易损性分析

为探究超高层连体结构在多灾害耦合作用下的设计与安全性能,以苏州超塔为例,开展地震和风耦合作用下的多灾害易损性分析.根据设计资料建立结构有限元模型,分别开展结构在地震作用下以及地震和风耦合作用下的易损性分析,探究结构在多灾害耦合作用下的响应规律.结果表明,地震和风耦合作用下结构联合易损性随着地震动和风荷载强度的增大而增加,且地震动对结构的破坏占主导作用.地震与风耦合作用时结构达到中等破坏、严重破坏和倒塌破坏的概率均比仅地震作用时有所增加.当风速达到40 m/s时,结构在罕遇地震下达到3种破坏状态的概率分别为99.77%、91.56%和46.54%,相比于仅罕遇地震作用下分别提高了1.11%、10.73%和14.65%,相比于一般高层连体结构在同样的灾害耦合作用下分别提高了0.27%、6.26%和14.34%.

新型分层装配式节点钢框架地震易损性分析

为提高装配式钢框架的装配效率,结合节点抗震性能要求,提出一种新型全螺栓分层装配式节点。对新型和传统两类节点进行抗震性能试验研究,并把节点参数引入整体框架模型中,采用SAP2000建立两类框架模型并进行增量动力分析。考虑基于层间位移角的单参数损伤模型和基于变形与累积耗能的双参数损伤模型,定义结构性能水准限值并划分破坏等级,对结构进行地震易损性分析。结果表明:在单、双参数损伤指标下,新型节点框架的易损性曲线都包络于传统节点钢框架的易损性曲线内,且新型节点框架的抗倒塌储备系数更大,说明采用新型节点能降低结构在各破坏状态下的失效概率,提高框架的抗倒塌能力;在LS1、LS2极限状态下结构基于单参数损伤指标的峰值加速度中位值比基于双参数损伤指标下的峰值加速度中位值小,在LS3、LS4极限状态下则相反,说明累积耗能对结构抗震性能评估影响明显,结合双参数损伤指标能更好地预测结构的损伤程度;新型节点框架在单、双参数损伤模型下的倒塌储备系数均高于传统框架,说明新型框架的抗倒塌储备能力更高,有利于结构抗震。

基于矢量IMs的浅埋偏压黄土隧道地震易损性

为从概率角度对浅埋偏压黄土隧道的地震易损性进行定量评价,采用基于黏弹性边界的波动输入方法,并通过增量动力分析对土-结构相互作用有限元模型进行大量非线性动力时程计算,评估20个地震动强度参数(IMs),然后基于标量IM和矢量IMs分别对浅埋偏压黄土隧道展开地震易损性分析.结果表明:地表峰值速度(效益性指标ζ=0.15)是最适合的IM,其次是速度谱强度(ζ=0.20)和谱速度峰值(ζ=0.22);相比于标量IM,基于矢量IMs的拟合效果更好,可降低结构损伤预测的离散性;在建立地震易损性曲面时需考虑2个IMs之间相关性的影响以确定曲面的有效取值范围;采用标量IM会低估或高估隧道实际的损伤概率.基于矢量IMs可对隧道的地震易损性作出更准确的评估.

基于Kriging模型的大跨度拱桥时变地震易损性分析

文章以桥墩钢筋锈蚀机理为基础,探究了基于氯离子环境侵蚀引起的钢筋直径及力学性能的退化规律,同时考虑地震动和结构参数的变异性,因分析计算量很大,引入Kriging模型和拉丁超立方抽样(Latin hypercube sampling,LHS)法建立易损性曲线,并利用Monte Carlo抽样方法形成全寿命周期内的桥梁系统损伤概率曲面。运用OpenSEES程序引入时变效应,对某大跨度拱桥建立有限元模型。分析结果表明:Kriging模型能够较精确地代替有限元进行分析,能够显著减小计算量;对于大跨度拱桥而言,由Monte Carlo抽样得到的全桥体系易损性来评价桥梁的抗震性能更加合理;在全寿命设计基准期内,随着服役时间增加,桥墩损伤概率明显增大。该研究可为类似桥梁结构全寿命抗震性能设计提供参考。

考虑氯离子侵蚀的深层隧道地震易损性分析

氯离子侵蚀对隧道的抗震性能产生不利影响,研究隧道在侵蚀环境下的地震易损性对全寿命周期的抗震评估至关重要.为了量化分析隧道长期在氯离子侵蚀作用下抗震性能的退化趋势,基于地震易损性理论,结合考虑氯离子侵蚀影响的混凝土和钢筋强度时变模型,分别选取峰值地面加速度和隧道直径变形率作为地震动强度指标和结构损伤指标,通过采用增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA)方法进行时程分析,深入探讨了深层隧道的地震易损性,得到了不同服役时间及不同损伤状态下的地震易损性曲线.结果表明:在相同的服役时间和地震动强度下,轻微损伤的发生概率最高,其次是中等和严重损伤;在相同的损伤状态和地震动强度下,随着服役时间的延长,氯离子侵蚀导致隧道抗震性能下降,损伤概率上升;在轻微损伤状态下,当峰值地面加速度为0.30g且服役达100 a时,损伤概率是服役初期的2.39倍.研究结果可为深层隧道的抗震设计提供科学依据.

考虑下部结构单层球面网壳的地震动参数与易损性分析

目前大跨空间球面网壳结构的地震动参数研究与易损性分析多关注于上部结构,忽视了下部支承体系对整体结构的影响。为选取适于评估带下部结构肋环斜杆型单层球面网壳响应的地震动参数,以6个不同矢跨比、不同下部结构的单层球面网壳为模型,研究下部支承体系对球面网壳动力特性的影响,选取多条三维地震动作为输入对模型进行增量动力分析,从相关性、有效性和充分性三个方面对18个地震动参数进行分析评估。并基于大量算例失效时刻的特征响应,建立了考虑下部结构的单层球面网壳的地震损伤模型。结果表明:有无下部支承对结构基频影响较大,随着下部结构高度的增加,结构基频不断减小,无支承柱结构与带10 m支承柱结构的基频相差高达24%;加速度谱强度、峰值加速度与结构地震响应的相关性、有效性及充分性均优于其它地震动参数,可作为考虑下部结构肋环斜杆型单层球面网壳易损性分析的地震动参数。与此同时,在下部支承结构相同时,矢跨比小的网壳结构抗震性能更好,所致结构倒塌的临界荷载更大;支承高度对网壳抗震性能的影响并非呈线性关系,因此,在结构设计时应合理选取下部支承结构高度。

基于贝叶斯网络的结构易损性智能推理

为实现结构易损性的智能化推理,提出以贝叶斯网络(Bayesian networks,BNs)重构桁架结构的易损性分析体系。首先,分别定义外荷载、体系和杆件为网络顶层父节点、中间节点和底层子节点,节点间通过有向弧表示因果关系,形成BN拓扑;接着,提出以杆件“大损伤”替代传统的“概念移除”方式,考虑杆件参数及外荷载的不确定性,结合抽样实现对节点间条件概率表的学习,完成BN的构建;然后将特定杆件的观测状态作为证据输入BN,同步推理其他杆件的节点状态概率,进而计算杆件的重要性系数,并定义所有杆件的重要性系数之和为体系的易损性系数;最后,提出杆件易损指标,作为预测桁架体系最可能失效路径的依据。研究结果表明:所提方法能更合理地评价各杆件在体系中的重要性,推理得到的杆件破坏路径与试验观测一致,所计算的试验桁架体系易损性系数远小于杆件数目,表明当前荷载组合下特定杆件的损伤引起体系发生连续性倒塌的可能性较小。

考虑墩-梁碰撞效应的连续刚构桥系统易损性与概率地震风险性分析

为研究连续刚构桥主梁与过渡墩碰撞效应对其地震系统易损性和概率地震风险性的影响,以一座主桥跨径为(120+220+120)m的连续刚构桥为研究背景,通过模拟实际施工过程以获得真实成桥内力状态,基于等效荷载法建立考虑该内力状态的动力弹塑性分析模型,采用Hertz-damp接触模型考虑包括主梁与过渡墩碰撞在内的伸缩缝处碰撞效应。选取90条具有速度脉冲的脉冲型近断层地震动沿纵桥向输入,通过时程分析解释了墩梁碰撞过程和破坏机理;采用增量动力分析法,建立考虑桥墩和支座权重系数的全桥复合系统易损性曲线,并与一阶界限法串联模型下限和并联模型上限系统易损性曲线进行对比,将场地危险性函数与易损性函数卷积,建立概率地震风险曲线,考察桥梁系统易损性、概率地震风险性及墩梁碰撞效应的影响。结果表明,若忽略过渡墩与主桥梁体的碰撞效应,将会低估过渡墩的位移反应3~5倍,低估其地震风险性概率120%;当地震动强度为0.2g~0.6g时,轻微破坏和中等破坏的损伤概率被低估了35%~80%;地震动强度为0.6g~1.5g时,严重破坏和完全破坏分别被低估13%~68%和15%~59%。

不同场地条件下埋地腐蚀钢管地震易损性评价

为评估不同场地中埋地腐蚀管道的抗震性能,建立管-土非线性相互作用分析模型,基于增量动力时程分析方法,以埋地钢管结构应变为性能参数,对不同场地中埋地腐蚀管道的地震易损性进行了分析。结果表明:同一场地条件和服役龄期下,随地震动强度的增大,管道处于基本完好状态的概率逐渐降低,处于严重破坏状态的概率逐渐增加;同一场地条件下,随管道服役龄期的延长,中等损坏极限的曲线斜率增长明显大于基本完好极限的曲线斜率,但管道失效的速率在逐渐变小,软弱场地中服役龄期50a管道在抗震设防烈度8度时已发生中等损坏;同一地震动强度和服役龄期下,随场地等效剪切波速的减小,管道达到基本完好极限、中等损坏极限的失效概率逐渐增大,软弱场地中失效概率最大;同一服役龄期下,随场地等效剪切波速的减小,管道达到中等损坏、严重破坏的地震动峰值加速度明显降低,较低地震烈度下的软弱场地管道震害甚至高于较高地震烈度下的坚硬场地。本研究可为不同场地中埋地腐蚀管道的震害预测及灾后损失评估提供参考。

川南地区砖混结构房屋典型震害及地震易损性研究

以川南地区为研究区,并以在建造方式上具有明显当地地域特征的砖混结构房屋为研究对象,结合砖混结构房屋建造特点及川南历史地震(如长宁6.0级地震)震害调查结果等,分析砖混结构房屋典型震害特征,统计其在不同烈度下不同破坏等级的比例,采用经验分析法得到初步的易损性矩阵。在此基础上,针对因样本局限性造成的结构在高烈度下破坏比例不全,使实际易损性矩阵缺失的问题,通过插值法,推算高烈度下的破坏比例,补全经验易损性矩阵,拟合出易损性曲线,建立以震害统计为主、数值模拟为辅的砖混结构易损性分析模型;并基于平均震害指数对比分析,对易损性分析的可靠性进行检验。结果表明,构建的易损性矩阵能客观反映川南地区砖混结构房屋的抗震能力,对开展震害预测、灾害损失评估及震害风险评估等工作具有实际应用价值。

考虑土体空间变异性的液化区埋地管道上浮反应与易损性分析

为分析可液化场地土体空间变异性对管道上浮反应的影响,以土体相对密度Dr为随机场变量,采用基于乔列斯基分解的中点法生成随机场,基于OpenSees软件进行埋地管道二维随机有限元计算,分析了土体空间变异性对管道上浮位移的随机统计特征以及管道上浮易损性的影响。结果表明:当管道上浮位移较大时,土体空间变异性条件下管道上浮位移均值小于确定性分析结果,且差距随空间变异性增强而更为显著;局部致密区间的存在一定程度上限制了管道上浮行为的发展;累积绝对速度CAV可较好表征地震动强度对管道上浮位移的影响;易损性函数的离差随土体空间变异性增强而不断增加,且均大于所对应的确定性离差,导致易损性曲线更为平缓;随机变量模型不能合理表征空间变异性对管道上浮反应的影响。

110 kV干式空心并联电抗器振动台试验与易损性研究

电抗器是变电站的重要设备之一,上部线圈由底部陶瓷绝缘子支撑,整体尺寸大、重心高。由于结构形式的特殊性,其在地震作用下的动力响应较为复杂。本文对110 kV干式空心并联电抗器进行了振动台试验研究,通过白噪声测定了电抗器的自振频率和阻尼比;在0.15g和0.5g人工地震动输入下,测量了电抗器关键部位的应变、加速度和位移响应,分析了电抗器在地震作用下的动力响应规律,探讨了电抗器的可能破坏模式,进一步计算了电抗器的地震易损性曲线。研究结果表明:电抗器的动力特性近似于单自由度体系,一阶自振频率为3.3 Hz,阻尼比为3.9%;电抗器在地震作用下的变形主要发生在绝缘子以及绝缘子-线圈连接部位,上部线圈可认为是刚体;与绝缘子相比,绝缘子-线圈连接部位的刚度较小,变形更集中,是电抗器的薄弱部位;0.15g人工地震动试验后,电抗器自振频率下降3.6%,0.5g人工地震动试验后,电抗器自振频率下降6.3%;根据绝缘子实测应变,考虑地震作用与其他荷载产生的总应力,电抗器的安全系数为2.14,仍然具有一定的安全储备;基于试验结果计算电抗器的地震易损性,抗震能力中值为0.965g,对数标准差为0.4。

考虑多重性能水准的特高压双柱悬索拉线塔风灾易损性分析

特高压双柱悬索拉线塔为典型的风敏感结构,其在不同强度风荷载作用下易遭受不同程度的损伤及破坏,针对此类结构的风致损伤评估研究亟待开展。该文提出一种考虑多重性能水准的特高压双柱悬索拉线塔风灾易损性分析方法。首先,开展结构立柱刚性模型的风洞试验,获取立柱的气动三分力系数并模拟得到相应风荷载;进而,定性划分双柱悬索拉线塔的性能水准,并基于Pushover分析给出各性能水准所对应的量化模型;最后,在求得双柱悬索拉线塔概率风灾需求模型的基础上,对其进行风灾易损性分析,并研究风向角对易损性曲线的影响。结果表明:结构主体立柱的气动升力系数CL和气动力矩系数CM在不同工况下均接近于0,气动阻力系数CD则均大于2,且从0°到45°呈递增趋势;基于立柱顶点位移可建立双柱悬索拉线塔的多重性能水准,而由风灾易损性分析可知,双柱悬索拉线塔在正常使用条件下发生各级风致损伤及破坏的概率很小,结构具有良好的抗风性能;风向角对双柱悬索拉线塔风灾易损性影响显著,结构的最不利和最有利风向角分别为90°和0°。