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。

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%。

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。

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。

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。

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。

考虑强地面运动持时影响的概率地震需求模型

选择合理的持时衰减关系,利用Monte-Carlo方法,抽取持时样本,根据震级M、震中距R和局部场地土壤条件S以及持时样本,选择符合条件的实际地震波记录,并进行合理的调值,对一座钢筋混凝土桥墩进行了非线性动力时程分析。对比强地面运动持时与能量需求参数和累积破坏参数的相关性,发现:幅值、频谱和持时对能量需求参数和累积破坏参数的影响是强烈耦合的,且强地面运动持时对两者的影响比较显著;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,并分别作为地面运动强度参数IM和EDP建立概率地震需求模型时,要考虑持时的影响。

基于高斯混合模型和极限状态阈值随机性的概率地震需求分析

传统概率地震需求分析普遍采用对数正态分布假定,且大多基于固定阈值衡量结构性能极限状态,这些简化方法很多时候与实际存在较大偏差。提出基于高斯混合模型(Gaussian mixture model,GMM)的概率地震需求分析法。利用多维性能极限状态方程衡量结构破坏程度。基于增量动力分析法(increment dynamic analysis,IDA)计算结构工程需求参数(engineering demand parameter,EDP),基于IDA曲线斜率划分结构阈值。不采用对数正态分布假定,利用GMM分别建立EDP和阈值的概率密度函数,将传统概率地震需求分析的三重积分拓展到五重积分,充分考虑阈值的随机性。利用蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)法求解,得到结构需求年平均超越概率。分别建立某钢筋混凝土框剪和框架结构作为研究对象,以最大层间位移角(maximum inter-story drift ratio,MIDR)、最大层加速度(peak floor acceleration,PFA)作为EDP。研究表明:阈值具有较强的随机性,并且会随着破坏程度的提高而提高,忽略阈值随机性会导致结果出现较大偏差;与传统对数正态分布假定相比,基于GMM所得结构需求年平均超越概率偏小,对数正态分布假定会得到不准确的评估结果。

多维性能极限状态下概率地震需求分析的多元相关核密度估计法

本文不对工程需求参数(EDP)的分布类型进行人为假定,提出基于多元相关核密度估计的概率地震需求分析法。在带宽矩阵和多元高斯核函数中分别引入相关系数,并分别采用三种相关系数描述相关性,将传统核密度估计拓展到可以考虑随机变量相关性的多元核密度估计。基于SAP2000建立某钢筋混凝土框剪结构,选择最大层间位移角、最大层加速度衡量多维性能极限状态。在不同峰值地面加速度(PGA)下建立基于多元相关核密度估计的概率地震需求模型,并给出基于蒙特卡洛(MC)模拟的地震需求公式,得到结构需求的年平均超越概率。采用传统基于多维对数正态分布假定的地震风险概率法和不考虑EDP相关性的核密度估计进行对比,研究表明:与传统的多维对数正态分布假定相比,基于相关多元核密度估计的结构需求年平均超越概率偏大,而不考虑相关性的多元核密度估计所得年平均超越概率偏小;不同相关系数会影响到年平均超越概率的大小,其中Pearson相关系数影响最大,Spearman相关系数次之,Kendall相关系数最小。

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。

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。

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。

基于改进随机地震动模型的概率反应谱

结合我国现行抗震规范(GB 50011—2010),给出一种改进随机地震动模型的相关参数。推导单自由度体系(SDOFS)弹性加速度需求的条件概率模型,进而建立弹性SDOFS的概率加速度需求谱以及概率位移需求谱。在此基础上,据强度折减系数R与延性系数μ之间的关系,确定SDOFS非弹性位移需求的条件概率分布函数,进而运用随机振动理论和概率方法,建立非弹性SDOFS在给定强度地震作用下及50 a设计基准期内的概率位移需求谱。从美国太平洋地震工程研究中心收集大量实测地震记录,基于大量SDOFS动力时程分析的统计结果,对本文方法所得的理论结果进行Monte Carlo数值验证。研究结果表明:该理论方法准确、合理,且计算效率高。

基于GIS的2.5维场地地震液化势概率评价

用具有概率意义的饱和砂土抗液化强度经验公式对2.5维工程场地进行了地震液化势概率评价,通过Kriging法对目标场地区域进行空间插值,可以对大区域工程场地的液化深度和液化范围进行分析评价;采用不规则三角网表面和四面体综合法共同描述地质体模型,在GIS的3维分析模块支持下建立了液化势可视化模型。研究表明:Kriging法通过已勘测点的土层地震液化势来估计未勘测点的土层地震液化势,能够较好地区划出场地地震液化势的空间分布特征,并对待估点进行预测;利用GIS的3维分析模块,实现2.5维场地地震液化势可视化模型的建立是一条有效的技术路线。

基于Park-Ang损伤指标的规则桥梁概率地震需求分析

采用增量动力分析的方法,选择基本周期处谱加速度作为地震动强度指标,Park-Ang损伤指标作为工程需求参数,建立规则桥梁结构概率地震需求模型。结果表明:在给定地震动强度水平下,Park-Ang损伤指标服从正态分布,通过回归分析给出了工程需求参数与地震动强度指标之间的关系。最后,应用该概率地震需求模型对一座实例桥进行地震需求危险性分析,验证了该方法的实用性。

基于全连接神经网络的地铁车站响应分析与地震强度指标优选

为了降低随机地震响应分析的计算成本,将人工神经网络方法用于构建概率地震需求模型(PSDM),以预测地铁车站结构的地震响应,并对适用于地铁车站结构响应预测的地震强度指标(IM)进行了优选。首先选取了200条实测地震动,计算IM,并对典型的三层三跨地铁车站结构进行有限元建模,将IM与最大层间位移角作为输入与输出训练全连接神经网络模型(FCNN),得到了最大层间位移角的预测模型。最后基于训练后FCNN输入层到隐含层中的权重矩阵与传统方法对IM进行优选,得出了对最大层间位移角影响最大的IM。研究结果表明:训练后FCNN能以0.95的精度预测地铁车站最大层间位移角,且计算耗时仅为数值模拟的1/5;针对矩形地下结构最大层间位移角,速度型和速度反应谱型指标的影响明显高于其他类型指标,其中速度谱强度(VSI)对最大层间位移角的影响最大。

220 kV氧化锌避雷器地震易损性分析

变电站中的避雷器在地震中易受破坏,对其进行抗震评估分析是必不可少的。为研究220 kV避雷器的抗震性能和地震易损性,建立了220 kV氧化锌避雷器-支架体系的精细化有限元模型。基于数值模拟,首先,对其进行地震响应分析,研究了避雷器的地震响应特点和抗震能力;其次,对避雷器进行了在地震动、电气设备结构和认知等多重不确定性下的地震易损性分析;最后,建立概率地震需求模型拟合得出避雷器的失效概率与地震峰值加速度的关系曲线,即易损性曲线。结果表明:在9度设防地震作用下,220 kV氧化锌避雷器抗震能力较强,失效概率仅为0.03;支架放大系数为1.915,大于现行规范中规定的最小取值1.2,说明在实际研究中应考虑支架的实际放大作用。在地震易损性分析中,该避雷器的抗震能力中值为0.79 g。随着所考虑的不确定因素的增加,当遭遇的地震强度低于设备的抗震能力中位值时,电气设备的失效概率增大,当遭遇的地震强度高于设备的抗震能力中位值时,失效概率则降低。说明在分析电气设备的地震易损性时,应考虑多重不确定性的影响。本文的研究为避雷器的抗震设计以及在不同地震强度下的失效概率提供了有益的参考和借鉴价值。

基于有限元模型的公路预制拼装桥墩地震动记录选取及地震易损性方法分析

为综合考虑公路预制拼装桥墩的抗震性能,分析了地震动记录的选择和输入方法,探讨了采用有限元软件对现浇桥墩及预制拼装桥墩在不同地震作用下的时程分析方法,阐述了现浇桥墩及预制桥墩通过IDA曲线建立概率地震需求模型得到易损性曲线的分析过程,为学者对预制拼装桥墩抗震性能深入研究提供参考。