大跨移动式风雨棚基于性能的概率地震易损性分析

大跨移动式风雨棚是应用于船厂、工矿、军工等为克服恶劣天气而在场地不同位置设置的可移动棚式特种机械设备。由于该结构多在近海地区投入使用,且近海地区多是地震频发地带,所以对大跨移动式风雨棚进行基于性能的概率地震易损性分析是非常有必要的。以地震峰值加速度(PGA)作为地震动强度指标,以顶点最大位移角和位移延性比作为地震需求指标,并基于文献和文中定义的界限值法对结构进行易损性分析,最终得到结构在不同极限状态下的易损性曲线。通过模拟研究得出:该定义界限值法的结构失效概率大于基于文献界限值的结构失效概率。对于大跨移动式风雨棚可以参考该界限值法对结构进行地震易损性分析。不同地震需求指标和相同PGA下,以顶点最大位移角为指标的结构倒塌概率(78.19%)略小于以位移延性比为指标的结构倒塌概率(78.59%),因此可以以位移延性比为首要考虑的指标,以顶点最大位移角作为对比指标为结构提供今后的震害预测参考数据。

基于性能的大跨径斜拉桥H形桥塔纵向地震易损性分析

我国许多地区都处于板壳活跃地带,近年来,由于板壳活动的加剧引发了多次不同程度的地震灾害,给人民带来了较大的生命财产损失.在地震作用下,作为斜拉桥主要受力构件的主塔若发生损伤,将使斜拉桥整体损伤风险明显提高.因此,以某斜拉桥为工程实例,通过SAP2000有限元分析软件,基于性能抗震设计理论学科知识,利用IDA时程分析结果,根据能力需求比模型法绘制出斜拉桥主塔各关键截面的地震易损性曲线,然后对斜拉桥主塔进行地震易损性分析.结果表明:纵桥向地震作用下,主塔的中塔底截面为易损截面.

考虑材料性能劣化的桥墩地震易损性分析

为分析材料性能劣化对桥墩抗震性能的影响,基于氯离子侵蚀机理以及钢筋锈蚀原理,得到了混凝土以及钢筋的力学性能退化规律,根据地震易损性原理,通过位移延性比确定了桥墩的损伤指标,以此构建了考虑材料性能劣化的桥墩地震易损性模型,以百崎湖大桥为工程实例,选取了36条符合场地条件的地震波,对考虑材料性能退化的桥墩地震进行了分析,基于此建立了桥墩在不同服役年限下的地震易损性曲线。研究表明:桥墩服役时间越长,其达到各损伤状态的超越概率显著增加;桥墩在轻微损伤、中度损伤、严重损伤之间的超越概率差明显小于严重损伤与完全破坏之间的超越概率差,表明桥墩在轻微损伤、中度损伤、严重损伤之间的延性能力要小于其在严重损伤与完全破坏之间的延性能力;桥墩在服役51~75年之间的地震易损性曲线间隔明显大于服役0~25年、26~50年以及76~100年之间的间隔,即桥墩在51~75年间的超越概率增加明显,表明此阶段锈蚀导致钢筋以及混凝土的力学性能显著降低,导致其抗震性能下降明显。

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%。

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%。

基于耐震时程法的高拱坝地震易损性分析

基于耐震时程分析方法(ETA),建立了三维坝体-库水-地基动力相互作用模型,进行高拱坝抗震性能评价。以基于目标反应谱合成的10条耐震加速度时程曲线为地震输入,选取坝体损伤体积比、坝顶坝踵顺河向相对位移和拱冠梁横缝开度作为结构性能指标,通过对结构不同性能水准的定义,建立了极限状态与结构性能指标之间的关系,以此为基础绘制易损性曲线。结果表明:随着耐震时程输入时间的增加,拱坝的各项响应值随之增大,不同响应指标对地震强度的敏感性不同,且ETA法与增量动力分析法(IDA)得到的响应结果基本一致,在同一性能水平下采用不同评价指标时对应的超越概率也不相同。因此,在进行结构的抗震性能评价时应综合考虑不同结构响应指标,选取不同性能下超越概率最大的结构响应指标进行分析。

不同地震激励方向下隔震曲线梁桥易损性分析

为进一步评估隔震曲线梁桥在地震激励下的抗震性能,从地震易损性角度出发并兼顾考虑地震激励方向对其易损性的影响。利用APDL建立采用板式橡胶支座的隔震曲线梁桥有限元模型,从PEER中选取同一地震事件中的近断层地震动,按规范规定比例输入水平双向地震动进行非线性动力时程分析,结合地震响应与损伤指标计算得到各构件地震易损性曲线;考虑地震激励方向的变化,通过MATLAB编程绘制得到桥梁结构构件(桥墩与支座)以及整体系统的地震易损性曲面,分析探讨地震激励方向对隔震曲线梁桥易损性的影响。结果表明:不同极限状态下各桥墩切向损伤条件概率明显大于其径向,各支座的切向与径向易损性相差不大,但仍是各支座的切向易损性略大于径向易损性;桥梁各构件(桥墩与支座)切向易损性对地震激励方向均表现出很强依赖性,而径向易损性对其的依赖性相对较弱,且伴随损伤等级的提高,构件易损性对地震激励方向更加敏感;桥梁整体系统易损性对地震激励方向的变化不太敏感,且因各构件响应之间的相关性较高,其系统易损性更接近于易损性最大的构件——易损性下限;当进行隔震曲线梁桥抗震性能评估时,应考虑不同地震激励方向对其地震易损性的影响,从而使得易损性分析结果更加合理,能够更加真实地反映隔震曲线梁桥的实际损伤状态。

基于IDA的钢-混凝土混合风电塔筒地震易损性分析

为研究钢-混凝土混合风电塔筒的抗震性能,基于弹塑性纤维梁柱单元理论建立了某钢-混凝土混合风电塔筒二维数值模型,先依据推覆分析结果确定塔筒的5种损伤状态限值,然后分别以截面曲率和考虑高阶振型的复合地震动强度参数IM 1I&2E作为结构需求参数和地震动强度参数,接着选取20条地震动记录进行塔筒的增量动力分析,建立塔筒的地震易损性曲线,并对塔筒的抗震性能进行评估。结果表明:混合塔筒模型的损伤程度与地震动强度参数呈正相关,其抗震性能可满足Ⅶ度(0.15 g)地震作用下的抗震要求,但在Ⅷ度罕遇地震作用下及处于更高烈度区的风电塔筒应当进行专门的抗震设计。

近海大气环境下RC框架结构时变地震易损性分析

由于近海大气环境中存在的氯离子会侵蚀RC框架结构,造成材料性能不断劣化,最终降低了RC框架结构的抗震性能。为研究近海大气环境下RC框架结构地震损伤风险变化规律,基于钢筋均匀锈蚀模型及混凝土开裂前后钢筋锈蚀速率的变化规律,提出了一种改进的钢筋锈蚀率概率模型,并构建材料性能劣化模型。在此基础上,根据解析易损性分析理论,建立考虑氯离子侵蚀的近海大气环境RC框架结构时变易损性分析方法,并构建典型结构,分析不同损伤状态下的时变易损性曲线,评估其时变易损性与损伤状态。研究结果表明:当地震动强度指标取值相同时,各损伤状态结构在服役龄期内的地震易损性呈现出非线性增大趋势,抗震性能不断退化;以易损性指数作为结构损伤指标时,按照我国规范设计的RC框架结构,在30 a服役龄期内能够满足我国三性能抗震设防水准。

基于IDA的铁路超高墩地震易损性分析

为探究铁路超高墩结构的抗震性能并对其在双向水平地震作用下的易损性进行评估,以西部山区某高速铁路超高墩结构为研究对象,根据结构自身动力特性,以材料应变状态对应的截面曲率作为损伤指标,描述其不同的损伤破坏状态并确定不同损伤状态所对应的指标限值。基于IDA方法,从PEER数据库中选取10组远场地震动作为双向地震动输入样本,以ANSYS为平台建立超高墩有限元模型进行非线性动力时程分析,得到不同强度地震动对应的结构地震响应。结合能力需求比的对数回归分析,建立超高墩各控制截面的概率地震需求模型对其易损性进行评估,并采用一阶界限法计算超高墩整体损伤概率并建立易损性曲线。结果表明:H形双柱式薄壁空心超高墩在强震作用下各部位均会发生一定程度的损伤,其中墩底部位损伤最为严重,在PGA为1.0g时墩底部位轻微损伤、中等损伤和完全损伤的超越概率分别为98.71%、96.92%和36.02%;结构完全损伤概率较小,满足三水准抗震设防要求并具有良好的抗倒塌能力;易损性分析能够准确地反映超高墩的真实抗震性能,为实际工程中既有超高墩的震后损伤加固或新墩设计提供理论依据。

隧道纵向地震易损性分析

为研究隧道纵向抗震性能,使用改进的地基梁-弹簧非线性分析模型计算隧道纵向地震响应,其中采用PQ-Fiber纤维梁模型模拟隧道纵向的非线性行为,并施加弯矩来考虑隧道与场地之间的切向相互作用。随后,将基于增量动力分析(IDA)方法的结构地震易损性分析方法应用于隧道结构,探究适用于隧道结构的地震动强度指标(IM)。选取12条近场地震记录,用于IDA分析隧道纵向的抗震性能水平。将概率地震需求模型与工程需求参数相结合,建立结构的地震易损性曲线。结果表明,峰值速度(PGV)是适用于隧道纵向抗震性能的地震动强度指标;场地类型对隧道纵向损伤程度的影响最为深远,其中Ⅰ类场地在地震作用下损伤概率最大。此外,将计算所得易损性曲线与经验易损性曲线和横向易损性曲线进行对比分析,验证了模型的可行性,为隧道结构的抗震设计提供了一定的参考。

RC框架消能减震结构的地震易损性分析

消能减震结构在减震后需要进行减震结构损伤水平的评估以及结构可靠度和地震易损性的研究。文章以钢筋混凝土框架结构为研究对象,以黏滞阻尼器为消能减震装置,采用有限元分析软件ETABS建立消能减震模型并进行传统的小震作用下的弹性时程分析和基于增量动力分析的地震易损性分析,参考结构在不同强度的地震动作用下到达各极限状态的量化指标得到其对应的地震易损性概率,由此确定结构在不同地震动作用下处于各个不同性能水准下的失效概率。结果表明:在设置黏滞阻尼器之后,结构的抗震性能得到有效提升,可以满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的性能指标;同时,基于增量动力分析的地震易损性分析也可以为实际工程的减震设计、灾害评估和未来的地震损失预测提供简明有力的参考依据。

近断层地震下连续梁桥随机振动与易损性分析

由于桥梁建设场地难免会靠近地震活动断层,为了评定近断层地震动作用下连续梁桥的地震安全性水平以及提高抗震性能,亟待发展连续梁桥非线性随机地震动力响应与易损性分析的统一、准确方法。考虑到近断层地震动是典型的随机过程激励,本文提出了基于直接概率积分法的连续梁桥结构非线性随机振动响应与地震易损性准确、通用分析的新框架。发展直接概率积分法,准确高效地计算连续梁桥结构的随机振动响应;结合连续梁桥多种失效状态,根据动力可靠度的首次超越破坏准则,利用直接概率积分法对连续梁桥进行了地震易损性分析。最后,展示了近断层随机地震动激励作用下四跨非线性连续梁桥算例结果,验证了直接概率积分法的准确性特点。比较了近断层脉冲型和无脉冲地震动对非线性连续梁桥地震易损性曲线的影响。结果表明:近断层地震动的速度脉冲显著加剧了连续梁桥结构受到的地震破坏,增大了桥梁结构进入不同破坏状态的超越概率。

考虑竖向地震作用的连体结构地震易损性分析

为了探讨竖向地震分量对连体建筑结构抗震性能的影响,以某连体结构为例,利用增量动力分析方法研究了水平地震作用、水平向与竖向联合作用下连体结构的地震响应及易损性。结果表明:与水平向地震动作用相比,在竖向与水平向地震动联合作用下,连体结构最大层间位移角明显较大,二者之间的差异随着地震动幅值的增加而增加;竖向地震的作用增加了连体结构发生各级破坏的概率,显著增加了其发生“修复后使用”及以上等级破坏的可能性,但总体而言,三向地震作用下该连体结构仍满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。

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。

软土地区典型民防工程结构地震易损性分析

为揭示软土地区典型民防工程结构地震易损性变化规律,以某单建式民防工程为例,首先,基于ABAQUS有限元平台建立土体-民防工程结构系统非线性动力分析模型;其次,进一步考虑土体非线性特性和输入地震动的不确定性,通过数值模拟揭示民防工程结构易损性分析的合适地震动强度指标(IM);最终,建立软土地区典型民防工程结构地震易损性曲线。研究结果表明:1)峰值地面加速度(PGA)相较于其他地震动强度指标,其有效性和实用性较高,适合用于民防工程结构地震易损性分析;2)土层条件对民防工程结构的地震易损性有明显影响,土层越软,结构的易损性越高;3)软土地区民防工程结构在地震作用下有可能遭受严重破坏,随着地震动强度的增加,每种破坏状态的超越概率逐渐增加并接近100%。

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。

考虑氯离子侵蚀的高桩码头时变地震易损性分析

地震易损性分析是评估高桩码头结构抗震性能最有效的工具之一,它能够量化给定地震动参数下结构发生破坏的概率。本文针对典型高桩码头结构,探究了氯离子侵蚀导致钢筋及混凝土材料性能退化的规律,基于开源数值计算平台OpenSees,对浪溅区桩基区域的截面特性考虑腐蚀效应,建立了高桩码头二维有限元模型,探讨了氯离子侵蚀对高桩码头结构时变地震易损性的影响。采用Pushover分析方法确定了高桩码头各损伤状态的地震需求界限值。通过对不同腐蚀年限下的码头模型输入80条地震动,对构件能力需求比进行对数回归分析,形成高桩码头时变地震易损性曲线。研究结果表明:氯离子侵蚀会导致面板位移及桩顶弯矩减小,桩顶曲率略有增加;在高桩码头的使用寿命中,结构在不同损伤状态下的地震易损性均随服役时间的延长而增大。

地震和滑坡链式灾害作用下连续梁桥结构易损性分析

目前桥梁结构抗多灾害研究主要集中在桥梁结构冲刷与主余震方面,对地震和滑坡链式灾害作用下桥梁结构易损性的研究较少。建立了地震和滑坡联合作用下桥梁结构性态分析框架并以某三跨连续梁为例,采用OpenSees软件建立了全桥非线性有限元模型,考虑了桩土相互作用的影响,并基于非线性时程分析研究了滑坡体积与滑坡运动距离等因素对桥梁结构易损性曲线的影响。结果表明:在地震和滑坡联合作用下桥梁结构累积损伤明显增大;在滑坡运动距离为150 m范围内,桥梁结构失效概率明显增大,当滑坡运动距离超过250 m时,桥梁结构失效概率增幅较小;当PGA为1g且滑坡运动距离为100 m时,体积为1×10^(7 )m^(3)量级的滑坡对桥梁结构破坏作用最大,导致桥梁结构完全失效的概率将增加60%以上;地震和滑坡的存在会显著增大桥梁结构在不同地震动水平下的失效概率,在选址时应予以充分考虑。

常见干字型输电塔地震易损性分析

为了研究输电塔-线体系中输电塔破坏的问题,根据某实际输电塔进行有限元建模,基于分析结果确定并定义损伤状态极限,选择20条地震动记录进行调幅,使用增量动力分析方法,以输电塔主材和斜材的杆件节间相对位移角为地震需求参数,地震动峰值加速度为强度参数,通过IDA分析方法得到输电塔的易损性曲线,对输电塔进行震害分析。通过体系中输电塔的易损性曲线可以与输电塔单塔的易损性曲线进行对比,得到塔-线体系耦连对输电塔的影响。