基于概率地震需求模型的兰新高铁桥梁近断层地震易损性分析

位于断裂带附近的兰新高铁硫磺沟大桥长期受到近断层地震作用的威胁。为分析该桥梁的地震易损性,利用OpenSees软件建立含三维土层结构的桥梁非线性有限元模型,采用增量动力分析法和概率地震需求模型,以该桥梁的4个典型连续桥墩为研究对象,考虑桥梁材料的不确定性,运用拉丁超立方抽样方法得到大量模型-地震动样本,进行非线性动力响应分析,并通过一阶界限法得出桥梁系统易损性曲线的上下界限。研究结果表明:桥梁系统抗震性能良好,在该地区的极罕遇地震动下完全破坏概率低于30%;单个桥墩的抗震性能优秀,在极罕遇地震动下完全破坏概率仅为6.92%;地震动荷载达到0.35 g时桥墩处于弹性阶段与塑性阶段的临界点;相对较高的桥墩(3^(#)、4^(#)桥墩)比相对较低的桥墩(1^(#)、2^(#)桥墩)刚度更大,变形和耗能能力更强。文章评估了近断层地震作用下兰新高铁硫磺沟大桥的抗震性能,可为震前的风险预防与震后的救灾减灾决策提供重要依据。

基于改进云图法的结构概率地震需求分析

概率地震需求分析是美国太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering ResearchCenter,PEER)提出的新一代"性能化地震工程(Performance-Based Earthquake Engineering,PBEE)"理论框架的重要一环。传统的概率地震需求分析方法称为"云图法",这种方法针对确定性结构进行一系列地震动作用下的非线性动力分析,从而得到地震动强度参数与结构地震需求的"云图"。然而,传统的云图法只能考虑地震动的不确定性,而无法考虑结构的不确定性。为此,结合拉丁超立方体抽样技术,提出一种能综合考虑地震动不确定性和结构不确定性的改进云图法,并将传统的概率地震需求分析内容拓展为概率地震需求模型、概率地震需求易损性分析、概率地震需求危险性分析三个层次。以一榀五层三跨钢筋混凝土框架结构为例,分别采用传统云图法和改进云图法对其进行概率地震需求分析,得到了该结构的概率地震需求模型、地震需求易损性曲线和地震需求危险性曲线。分析结果表明:提出的方法可以有效地考虑地震动与结构的不确定性,避免不考虑结构的不确定性而低估结构的地震风险性。

基于高斯过程的简支梁桥概率性地震需求模型研究

该文旨在提出一种新的考虑异方差性并具有较高精度的概率性结构地震需求计算方法。针对典型简支梁桥,选取结构基本周期对应的谱加速度作为地震动强度指标,桥墩位移延性系数为工程需求参数,采用多条带分析方法对桥梁有限元模型进行非线性动力时程分析,并建立其地震需求样本集。基于高斯过程回归方法,分别建立单输出和多输出两种情况下的概率性地震需求模型,并将拟合结果与传统基于线性回归的地震需求模型进行对比分析。对概率性地震需求模型作进一步应用拓展,在定义墩柱不同损伤状态极限值的基础上,基于前述两种需求模型建立了桥梁的地震易损性模型。研究结果表明:基于高斯过程的概率性地震需求模型能够较精确地反映不同地震动强度下地震需求的概率特征,较好地刻画了对数空间下地震需求的异方差性;由两种模型生成的桥梁构件和系统易损性曲线存在一定差异,而采用基于高斯过程的地震需求模型能够对桥梁的抗震性能进行更合理而精确的概率性评估。

地面运动强度参数对RC桥梁地震需求的影响

在基于性能的地震工程学(PBEE)中,建立概率地震需求模型(PSDM)时需要对桥梁结构的工程需求参数(EDP)进行概率估计。其中,强地面运动参数(IM)的选择对EDP的概率估计影响很大,因此需要正确选择IM。分别采用目前最广泛使用的结构第一模态周期弹性谱加速度(5%阻尼比)Sa(T1,5%)和峰值地面加速度PGA作为IM,选择实际地震波并进行合理的调值,对一座钢筋混凝土桥墩进行IDA分析,其计算结果表明:对于不同性质EDP的概率估计值,以PGA作为IM计算所得的结果明显偏于非保守,且离散度一般也更大。说明可以针对不同性质的EDP,根据地面运动强度的大小,选择不同的IM,通过合理的调值对EDP进行概率估计,可以更加精确、高效地建立PSDM。

脉冲型地震动作用下钢框架结构地震需求概率模型

基于实际脉冲型地震动数据建立钢框架结构的Abaqus有限元模型,建立钢框架结构4种形式(最大底部剪力、最大底部弯矩、最大层间位移角和顶层位移)的地震需求概率模型.为了方便模型应用和明确模型参数的物理意义,构建模型时在规范方法和力学原理计算结果的基础上增加修正项,基于贝叶斯方法进行模型优化和参数估计.结果表明,所建立的4种地震需求概率模型能够获取有限元数值解的无偏估计.以最大层间位移角概率模型为例,可以得到20层钢框架结构的地震易损性曲线.相对于普通类型地震动作用,钢框架结构在脉冲型地震动作用下的失效概率显著偏大.

基于概率地震需求分析的750 kV-SF_(6)罐式断路器耦联体系地震易损性模型

变电站作为电力系统的枢纽,其抗震性能评估尤为重要,其中罐式断路器耦联体系是变电站中的重要设备之一。为研究750 kV-SF_(6)罐式断路器耦联体系的抗震性能,采用增量动力分析(IDA)以及概率地震需求分析(PSDM)相结合的方法评估了其地震易损性。首先分析了750 kV-SF_(6)罐式断路器耦联体系的结构特性和震损特征,构建了有限元模型。通过增量动力分析(IDA),以地面峰值加速度(PGA)为地震动输入参数,得到关键易损部位的地震响应。在此基础上,通过概率地震需求模型(PSDM)生成了每个易损部位在不同震损状态下的地震易损性曲线。最后,基于可靠度理论计算得到了750 kV-SF_(6)罐式断路器耦联体系的地震易损性模型。结果表明,可以确定该结构在不同PGA下发生完全、严重、中度和轻微损坏的概率,反映了结构的抗震性能水平,例如当PGA达到0.6 g时,750 kV-SF_(6)罐式断路器耦联体系4种破坏状态的概率分别分0%,1%~5%,88%~93%和100%。

强地面运动持时对钢筋混凝土桥墩地震需求的影响

在基于性能的地震工程学(PBEE)中,概率地震需求模型(PSDM)是一个重要部分,它需要对地震需求参数(EDP)进行概率估计。强地面运动的变异性对EDP的概率估计影响最大,作为强地面运动三要素之一的持时对结构破坏的影响已引起广泛关注。为了将持时与幅值、频谱的影响进行解耦,采用实际地震波和匹配同一反应谱的人工波,并进行合理的调值,对一座钢筋混凝土桥墩分别进行非线性动力时程分析。对比强地面运动持时和不同需求参数的相关性表明:持时对位移需求参数和延性需求参数影响甚微,但对表征能量的需求参数和累积破坏参数影响显著。同时,说明在选择结构第一模态周期谱加速度和合理的能量需求参数分别作为地面运动强度参数(IM)和EDP建立PSDM时,如何考虑持时的影响。

基于性能的地铁车辆段上盖隔震双塔结构概率地震需求分析

基于概率地震需求分析方法,探讨了地铁车辆段上盖隔震双塔结构的薄弱部位及失效模式。首先,基于地震工程模拟平台OpenSEES,对比分析了地铁车辆段上盖非隔震双塔结构与隔震双塔结构的动力特性及减震效果。通过增量动力分析方法对地铁车辆段上盖隔震双塔结构进行了基于性能的概率地震需求分析,得到了结构各组成部分的概率地震需求易损性曲线及结构各性能水平在50年内的超越概率。研究表明:采用层间隔震技术后,上部塔楼减震效果明显,结构的主要振型为低阶上部结构平动振型及高阶下部结构平动振型;结构的失效模式为隔震层位移超限破坏先于下部结构层间位移角破坏先于上部结构层间位移角破坏;结构各性能水平在50年内的超越概率均较小,结构满足性能要求。

非线性参数拟合的桥梁概率地震需求模型研究

针对云图法建立概率地震需求模型时部分工程需求参数(EDP)与地震动强度参数(IM)间不满足对数线性回归关系假设的问题,建立某三跨混凝土连续梁桥的3D有限元模型。采用IDA方法建立桥梁概率地震需求模型,并以IDA分析结果为基准,在同一地震动参数下,采用基于不同拟合方式的云图法建立概率地震需求模型并得到了结构在不同破坏状态下的易损性曲线。研究表明,当EDP与IM之间的数量关系不满足云图法对数线性关系基本假设时,选择恰当的非线性参数拟合方式可以显著提高云图法建立概率地震需求模型的精度。

概率性地震需求分析中地震动强度指标的比较与选择

以汶川地区典型钢筋混凝土简支梁桥为背景,在充分考虑模型参数不确定性的基础上建立一系列桥梁有限元模型样本。采用汶川地震实测地震动,对建立的有限元模型进行非线性动力时程分析,并记录每组分析中桥梁构件的地震峰值响应。采用主成分分析方法对桥梁构件的地震需求参数进行降维处理,计算桥梁结构综合地震需求响应。通过回归分析建立地震动强度与桥梁结构综合需求之间的概率性关系,并对不同地震动强度指标进行分析和比较。结果表明基于速度的地震动强度指标具有较好的有效性、适用性和完备性,可以进一步用于地震易损性分析和地震风险评估。

基于多维性能极限状态的概率地震需求分析

基于概率地震需求分析(PSDA),分别采用增量动力和非线性时程分析,得到某框架结构的最大层间漂移比和最大加速度响应,通过定义多维性能极限状态的性能水准,计算该结构的多维地震易损性,联合地震动危险性曲线,建立了年平均超越概率的三重积分公式,采用梯形法求得50年内地震需求(漂移)危险性曲线。在此基础上,进行了同时考虑性能极限状态的随机性和相关性对结构需求危险性的敏感性分析。在性能极限状态不确定性中选择适当的变异系数(cidrcpfa)及相互作用因子NID R,能够使年平均超越概率增加;相比单一极限状态,考虑二维极限状态的年平均超越概率也将提高。研究结果表明,所提方法可描述对多维响应参数敏感的结构破坏行为,可获得设计基准期内更加符合实际的结构需求危险性曲线,为震后损失估计提供可靠的理论依据。

结构不确定性对高速铁路矮塔斜拉桥概率地震需求的影响

为研究结构不确定性对高铁矮塔斜拉桥概率地震需求影响,以怀邵衡铁路沅江大桥(90+180+90) m的矮塔斜拉桥为研究对象,基于随机参数概率分布,考虑混凝土材料相关性,采用拉丁超立方抽样方法建立地震动-桥梁样本。通过OpenSees软件建立非线性动力时程模型,并采用增量动力分析方法计算、对比分析并明确不确定性与确定性对矮塔斜拉桥概率地震需求的影响,探明桥梁地震需求与随机参数的关系。研究结果表明:支座摩擦因数、混凝土容重、核心混凝土峰值应变、核心混凝土峰值抗压强度、阻尼比、结构尺寸、非核心区混凝土的应变和强度是影响高速铁路矮塔斜拉桥概率地震需求的敏感参数。纵横向地震作用下,索塔曲率和梁端转角变化异于其他地震需求参数。结构不确定性对该桥概率地震需求分析影响显著,将梁端转角作为地震需求参数,为探明高速铁路桥梁地震功能损伤分析提供依据。充分考虑结构不确定性因素影响,是保障桥梁地震易损性分析准确可靠的基本前提,对厘清桥梁地震损伤具有理论及实践意义。

基于概率地震需求分析的铅芯橡胶支座抗震性能研究

选取谱加速度为地震动强度参数,最大墩底弯矩为工程需求参数,对铅芯橡胶支座隔震简支梁桥与非隔震简支梁桥进行概率需求分析,定量计算研究铅芯橡胶支座对提高桥梁结构抗震性能作用。计算结果表明,隔震桥梁结构回归方程斜率均小于非隔震桥梁结构回归方程斜率,说明隔震结构对地震动强度改变的敏感性小于非隔震结构;场地危险性分析表明,同一场地桥梁结构体系遭遇某水平谱加速度的超越概率,隔震结构小于非隔震结构,应用隔震支座可降低桥梁结构对应的场地危险性;概率地震需求危险性分析表明,铅芯橡胶支座隔震桥梁结构发生墩底纵筋屈服年超越概率远小于非隔震结构概率。研究表明,概率地震需求分析方法可作为基于概率的定量分析方法用于不同结构体系的桥梁结构抗震性能评价。

大跨径桥梁结构概率地震需求分析中地面运动强度参数的优化选择

对于大跨径桥梁结构,应结合地震工程学和结构抗震两个方面选择合理的地面运动强度参数(IM),进行动力分析。针对一座高速公路双塔斜拉桥采用非线性动力时程分析方法,分析不同的IM对于结构地震需求的影响,可以得到以下结论:对于不同桥向,在累积质量参与系数贡献显著的周期范围内,反应谱对结构地震需求影响显著,且高频区段反应谱的影响大于低频区段。应该采用对结构地震需求影响显著的反应谱区段内质量参与系数较大的短周期谱加速度或PGA作为IM。

桥梁地震需求中随机参数的重要性分析方法研究

桥梁结构的地震需求不仅受地震动随机性的影响,而且受结构中随机参数的影响。为了分析各随机参数对结构地震需求的影响水平,提出采用重要性分析方法对各随机参数进行重要性排序。以常见的简支梁桥及连续梁桥为例,基于结构的非线性动力时程分析,分别采用Monte-Carlo数值模拟方法及核密度估计方法计算得到各随机参数基于方差的重要性测度指标及矩独立重要性测度指标。结果表明,对于中小跨径梁桥,针对桥墩、桥台及支座等不同构件的地震需求,随机参数的重要性排序并不完全相同,但是支座剪切模量、上部结构质量及阻尼比等参数对各构件地震需求的影响水平均排在前列;和Tornado图形法等局部敏感性分析方法相比,重要性分析方法在研究某个参数的重要性时能够考虑其他随机参数的影响,其应用更加合理。

桥梁地震需求分析中建模不确定性的敏感性研究

为探讨桥梁建模相关不确定性对结构地震需求的影响,促进基于性能的桥梁抗震设计方法在实际工程中的应用,以一座4×30 m的钢筋混凝土连续梁桥为例,考虑材料(Material Uncertainty,MU)、边界(Boundary Uncertainty,BU)和结构(Structural Uncertainty,SU)三类桥梁建模相关的不确定性,基于Open SEES程序建立多参数化有限元动力分析模型,输入22条标准化的远场地震波进行非线性时程分析,根据分析结果进行概率条带分析,并基于龙卷风图对各种不确定性进行了敏感性研究。结果表明:随着地震动强度的增加,影响结构地震需求预测的建模不确定性因素越多;建模不确定性对构件响应均值(μ)和对数标准差(ζ)的影响不完全相同; SU对所有的工程需求参数(Engineering Demand Parameter,EDP)都有较大影响,但BU的影响却因EDP的不同而不同;相比SU和BU不确定性的影响,MU不确定性的影响相对较小。

地震波随机模型对隔震结构地震需求分析的影响

利用谐小波变换对实际强震记录的时变谱进行估计,并统计分析了与抗震规范相容的3类不同场地上地震波的时变谱特征,利用均匀调制非平稳随机模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型模拟地震波的时变谱,把非线性函数的参数识别问题转化成求解无约束优化问题,利用拟牛顿迭代法求得最优解,得到3类不同场地上这两种模型的参数的具体取值以及参数函数集的具体表达式;研究了以谱强度因子的平方根为强度参数的双向地震动作用下隔震结构概率地震需求分析的步骤,对比了不同的地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响,研究发现在小震作用下,地震动随机模型对隔震结构的地震响应影响不大,但在大震作用下,地震动随机模型对结构响应有较大影响,而且,对于不同场地类别,地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响也不相同。

公路规则桥梁实用概率地震需求模型

概率地震需求模型是实现工程结构基于概率和性能的抗震设计至关重要的一环。针对公路桥梁中的规则桥梁,选择三类不同场地共2390条地震动记录,采用增量动力分析方法,计算了8座具有代表性的规则桥梁样本的地震需求。选择阻尼比为5%、与结构基本周期对应的谱加速度作为地震动强度指标,分别选择墩顶漂移率、位移延性系数和标准化滞回能量等参数作为工程需求参数,考察了各工程需求参数在不同地震动强度水平下的概率分布特征;结果表明,在不同的地震动强度水平下,各工程需求参数均很好地服从对数正态分布。以墩顶漂移率为工程需求参数,通过回归分析,建立了规则桥梁实用的概率地震需求模型;该模型同时适用于三类场地,可大大简化规则桥梁基于概率和性能的抗震设计中的需求计算。

考虑强地面运动持时的概率分布对桥梁结构概率地震需求的影响

根据桥梁所在场地条件,选择合理的谱加速度衰减关系生成场地中值加速度反应谱,选择合理的持时衰减关系,抽取持时样本,生成2个匹配场地中值加速度反应谱的人工波库,对1座钢筋混凝土桥墩进行非线性动力时程分析,将持时对于EDP概率预计和PSDM的影响与幅值和频谱的影响进行解耦。得到以下结论:(1)考虑持时的分布与否对于EDP概率预计的影响不大,但可以有效地减小离散度,而且对能量需求参数的影响大于对位移需求参数。(2)当选择结构第1模态周期谱加速度和合理的能量需求参数分别作为地面运动强度参数和EDP建立概率地震需求模型时,可以通过选择地震波来考虑持时的影响。

高速铁路简支箱梁桥的概率地震需求模型及易损性分析

基于已建成高速铁路桥结构类型统计数据,以典型预应力混凝土简支箱梁桥为对象进行易损性研究。考虑5个不确定性参数,基于拉丁超立方抽样的反复试验法建立桥梁样本。采用"装箱法"选择地震动记录,与桥梁样本配对后进行非线性时程分析得到结构响应。定义各构件的损伤状态,通过对构件需求能力比进行二次回归建立桥梁各构件的概率地震需求模型,并生成构件易损性曲线,运用二阶单一边界法生成全桥易损性曲线。结果表明:二次回归分析产生的概率需求模型比线性回归方法更可靠;在地震作用下,此类桥梁构件中的墩柱、活动支座较易损伤,二阶单一边界法能较好地评估全桥系统易损性,在应用上二阶单一边界法比一阶上下边界法简洁方便。