基于随机IDA和机器学习的盾构隧道地震易损性分析

在隧道地震易损性分析中,涉及地震动、结构、岩土参数的随机性和不确定性。当考虑多种参数不确定性时,基于数值法建立结构地震易损性曲线需要进行大量工况的随机地震响应计算,面临很高的计算成本。为兼顾隧道地震易损性结果的客观性和计算的高效性,基于Python语言编写自动随机IDA脚本程序,实现隧道随机地震响应的自动分析和后处理功能。在此基础上,结合10种机器学习算法和地震易损性分析理论,提出了基于随机IDA和机器学习的盾构隧道地震易损性分析框架。以某盾构隧道为例,在建立确定性动力响应计算模型基础上,采用拉丁超立方抽样方法并结合自动随机IDA程序,完成了隧道随机增量动力分析并形成机器学习算法的数据集。通过特征选择、数据集划分、预处理及参数调优,建立了预测结构地震损伤的10种机器学习算法模型,对比分析了不同机器学习算法的预测性能,进一步讨论了土层随机参数对结构易损性的敏感性。结果表明:各机器学习算法模型在数据集上均表现出较好的预测性能,其中BPNN模型的综合预测性能最好。基于机器学习模型预测建立的隧道易损性曲线,与数值法结果总体一致,说明采用机器学习算法预测隧道地震易损性是有效的,特别是BPNN算法模型,与数值法非常接近,体现较高的可靠性。对样本数量敏感性小的机器学习算法,如BPNN算法模型在易损性预测中具有很好的适用性和应用潜力。从土体物理力学参数对盾构隧道地震易损性影响的敏感性程度而言,由大至小依次为弹性模量、泊松比、密度、阻尼、摩擦角和黏聚力。

典型浅埋矩形框架地铁车站地下结构地震易损性分析

该文旨在研究典型浅埋矩形框架形式地铁车站结构的震后失效概率模型。以9座已建典型矩形框架地铁车站工程实例为研究对象,通过Abaqus/standard有限元软件平台建立了土-结构相互作用三维数值模型。基于地下结构Pushover分析获得的抗震性能曲线,定义了各个车站结构的层间位移角限值。采用IDA方法计算得到了地铁车站结构的概率地震需求模型,并绘制了不同地铁车站结构的地震易损性曲线。通过对比研究发现,地铁车站结构之间的震后失效概率相差巨大,场地平均剪切波速对地下结构地震易损性分析结果起主导作用,尤其是与结构等高分布土层的自由场响应结果,但地下框架结构本身的变形能力也是影响结构震后失效概率的重要因素之一。上述研究成果能够有效加强对现行浅埋地下框架结构抗震性能的认识,可为基于性能的浅埋地铁车站地下框架结构抗震设计提供科学参考。

基于IDA方法的高速铁路连续梁桥易损性分析

大量经验表明高速铁路预应力混凝土桥在地震下的破坏主要体现在桥墩和支座位置。为了得到该种桥型地震下的易损性曲线,利用典型高速铁路连续梁桥为计算实例,采用IDA方法 (增量动力分析法),通过有限元软件Open Sees建立了地震易损性分析模型。根据场地类型,选取20条地震波进行非线性时程分析,通过调幅得到200个计算工况。定义4种破坏极限状态,并通过回归分析建立不同破坏极限状态地震需求和地震动强度指标关系。基于对数正态分布假设绘制各个破坏状态对应的易损性曲线,并通过一阶可靠度理论得到整体易损性曲线。

基于IDA方法的基础隔震结构失效模式研究

为研究基础隔震结构的失效模式,提高该类结构的抗震性能,采用OpenSees建立了考虑上部结构非线性的基础隔震结构模型。首先,从太平洋地震工程研究中心地震动数据库(PGMD)选择11条与抗震规范反应谱吻合较好的地震动,然后,根据隔震层及上部结构失效准则,基于增量动力分析(IDA)方法,识别了基础隔震结构的失效模式;最后,采用不同的加强方案,优化基础隔震结构的最弱失效模式。结果表明:虽然各条地震动输入下的IDA分析结果有所差异,但均为隔震层首先失效,然后上部结构失效;通过同时加强隔震层及上部结构的薄弱构件,可有效提高基础隔震结构的抗震性能。

考虑构件地震相关性的近海桥梁二维地震易损性分析

为了更加全面合理地评价我国近海桥梁结构的抗震性能,本研究开展了考虑氯离子侵蚀的简支梁桥二维地震易损性研究。以我国近海潮汐环境中某简支梁桥为例,基于IDA方法考虑了氯离子侵蚀对结构的不利影响,并模拟了桥梁的地震响应过程;选取合适的板式橡胶支座和桥墩损伤指标并得到了各自的地震易损性曲线,揭示了两构件之间地震的内在相关性,进一步基于相关性分析方法明确了两构件的相关系数,得到了桥梁结构合理的二维地震易损性曲线。结果表明,板式橡胶支座和桥墩之间的地震需求与抗震能力均存在密切的相关性,基于不同构件地震相关性的二维易损性曲线可以更加全面地评价桥梁结构的抗震性能。研究成果可以为近海桥梁抗震设计和地震风险评估提供科学依据与技术支持。

基于IDA方法的后张预应力装配耗能框架地震易损性分析

为了进一步研究后张预应力装配耗能框架(Post-Tensioned Energy Dissipating,PTED框架)的抗震性能,开展了基于增量动力分析方法(IDA)的地震易损性分析和抗倒塌研究。以直接基于位移设计的四层三跨PTED框架为基本原型,建立了Open SEES非线性分析模型,并选取10条地震动记录对其进行IDA分析。结果表明,不同于普通钢筋混凝土框架的单项损伤指标,PTED结构需考虑最大预应力筋合力和最大层间位移角的双项损伤指标。结合IDA分析结果建立了地震需求模型,得到了结构模型的易损性曲线和抗倒塌概率曲线。PTED框架在设防大震作用下倒塌概率为0.2%,表明其具有较好的抗倒塌能力。

基于IDA和纤维模型的高墩大跨连续刚构桥梁地震反应分析

基于纤维模型的有限元方法,建立了典型高墩大跨连续刚构桥的非线性数值分析模型。采用动力增量分析法,即IDA方法对结构进行了非线性动力时程分析,分别探讨了在纵桥向和横桥向地震作用下高墩连续刚构桥梁结构的破坏规律、最大位移和最大曲率的关系,高阶振型效应对高墩大跨连续刚构桥墩身内力和变形的影响及位移和曲率沿墩高变化的规律。

中国碳排放脱钩效应、时空特征与驱动因素

“双碳”目标使中国面临巨大的碳减排压力,寻求一条低碳转型之路已成为中国面临的挑战,而揭示经济增长与碳排放之间的脱钩关系,是中国寻求低碳经济发展的关键突破点。基于IPCC碳核算方法和Tapio脱钩模型,对中国经济增长与碳排放的脱钩效应以及时空特征进行探讨,并利用IDA-PDA综合分析法对碳排放脱钩效应的驱动因素进行分解。结果表明:(1)2005—2019年,中国整体的碳排放脱钩指数呈波动下降趋势,以“弱脱钩”为主,脱钩状态良好。(2)中国东部和中部地区碳排放脱钩状态较好,在2015—2019年达到强脱钩;西部地区虽仍处于弱脱钩阶段,但碳排放脱钩指数显著降低;同时,中国各省份间脱钩状态差别较大,碳排放脱钩指数总体呈西北高、东南低的分布格局。(3)对于驱动因素的贡献度,要素替代和技术进步是促进中国碳排放脱钩的关键因素,经济水平是抑制中国碳排放脱钩最主要的因素。能源结构、效率变动、人口规模对中国碳排放脱钩主要表现为抑制作用。(4)对于地区的贡献度,2005—2010年,东部地区对中国碳排放脱钩的抑制作用最强;2010—2012年,东部地区对中国碳排放脱钩的抑制作用逐渐减小,西部地区对中国碳排放脱钩的抑制作用逐渐增强;2012—2019年,三大地区对中国碳排放脱钩的作用不稳定,变化较大。

结构性能参数对基于IDA方法结构优化的影响

以钢筋混凝土框架结构为研究对象,选择顶点位移、最大层间位移角、最大基底剪力3种结构性能参数(DM),分析比较不同DM对基于IDA方法结构优化结果的特点和影响,结果表明在结构优化分析时优先使用最大层间位移角作为DM,同时可以选择顶点位移进一步分析,对结构优化进行修正。

基于IDA的Y形偏心支撑钢框架地震反应折减系数和超强系数

按我国现行抗震规范设计了12个不同层数和不同跨度的Y形偏心支撑钢框架算例,利用基于IDA(incremental dynamic analysis)分析的能力谱方法确定了各算例的地震反应折减系数R和超强系数Ω,分析了结构总层数和楼层高跨比对各系数的影响.研究结果表明Y形偏心支撑钢框架的设计地震作用可在我国现行抗震规范的基础上降低20%左右.

地震持时对基于IDA方法结构优化结果的影响

地震持时作为地震动记录中一个重要的要素,本文以一栋5层钢筋混凝土框架结构房屋为例,采用三种常用的地震动持时方式输入结构模型,分析比较地震持时对基于IDA方法结构优化结果的影响及特点,并提出相关建议。

基于IDA方法的小雁塔结构抗震性能评估

以小雁塔结构为原型,通过试验研究建立其材料本构模型;应用IDA分析方法,建立IDA分析曲线并对小雁塔结构进行增量动力弹塑性分析,判断小雁塔结构的最不利位置,定义IDA分析的极限状态;将IDA曲线的斜率下降幅值与小雁塔结构性能水准相对应,划分小雁塔结构的性能水准指标;通过对小雁塔结构在增量地震动强度作用下地震响应分析和不同性能状态下各层的楼层位移和层间位移角的变化规律,对小雁塔结构进行了抗震性能评估;研究表明:基于IDA分析方法的小雁塔抗震性能评估可以考虑结构抗震能力的随机因素,精确地描述小雁塔结构在地震过程中的行为。该方法为类似砖石古塔结构的抗震性能评估提供了新途径。

基于IDA-MC方法的公路边坡震害风险概率评价

为提高公路边坡抗震能力,本文开展了公路边坡震害风险概率评价研究。选取210国道K359+440处公路边坡为研究对象,采用增量动力分析方法研究了边坡震害易损性,绘制了边坡震害易损性曲线并得到了边坡在一定地震动峰值加速度作用下超越(发生)某等级震害的概率;在边坡所在场地地震动分布特征研究的基础上,采用蒙特卡罗方法计算了边坡未来50年内超越(发生)各等级震害的风险概率。研究结果表明:当地震动峰值加速度达到0.7 g时,边坡超越严重损伤的概率为53.188%,达到0.8 g时,边坡超越严重损伤的概率高达99.086%;未来50年内边坡超越严重损伤的风险概率为29.07%,发生毁坏的风险概率为7.62%。

基于循环Pushover及IDA方法的半刚接钢框架内填暗竖缝RC墙结构的超强分析

为研究评估方法对量化半刚接钢框架内填暗竖缝RC墙结构(简称PSRCW)超强性能的影响,严格按我国现行抗震规范设计了一栋位于设防烈度为8度区的10层PSRCW标准算例。考虑钢材、钢筋、混凝土强度等材料力学性能的随机性,基于Latin超立方抽样方法将其扩展为40个PSRCW样本算例,采用广义乘方及均匀水平荷载分布模式的循环Pushover方法确定了40个PSRCW样本算例的滞回及骨架曲线,基于概率方法按置信水平为95%的单侧置信下限值确定PSRCW结构的超强系数。随后,选取ATC63规范建议的2组22条近场及远场地震波,对10层PSRCW标准算例进行增量动力时程分析(简称IDA),基于概率法确定了10层PSRCW标准算例的超强系数。分析结果表明:评估方法对量化PSRCW结构超强系数影响显著,考虑材料随机性按广义乘方分布循环Pushover方法确定10层PSRCW标准算例的超强系数为1.3,按均匀分布循环Pushover方法确定的10层PSRCW标准算例的超强系数为1.73。考虑近场及远场地震波随机性按IDA方法确定10层PSRCW标准算例的超强系数分别为2.45和2.42。

基于IDA的渡槽结构地震易损性分析

渡槽结构是由槽身、槽墩和支座等相互关联的构件组成的结构系统。强震作用下,仅用单一构件的地震易损性来评价渡槽结构系统的地震易损性,往往会高估渡槽的抗震能力。为研究渡槽结构系统的地震易损性,以一座三跨等距简支梁式渡槽为研究对象,基于Open SEES平台建立了有限元动力分析模型,采用增量动力分析法(IDA)计算了槽墩、盖梁处板式橡胶支座以及槽台处聚四氟滑板支座三种构件的横槽向地震易损性;然后,分别通过一阶界限法和二阶界限法,建立了渡槽结构系统地震易损性曲线,并进行了对比分析。结果表明,地震作用下,渡槽结构的板式橡胶支座与聚四氟滑板支座相比槽墩更容易发生损伤;渡槽结构的系统易损性大于单一构件的易损性;二阶界限法所得结构失效概率区间均位于一阶界限法上下界之间,相比一阶界限法,采用二阶界限法建立的系统易损性曲线来评估渡槽结构的抗震性能更为合理。

基于IDA方法的医药企业GMP厂房抗震性能评估研究

针对医药企业GMP厂房抗震性能评估误码率高的问题,提出基于IDA方法的医药企业GMP厂房抗震性能评估研究。根据SEAOCVision2000抗震性能水平量化标准,量化医药企业GMP厂房抗震性能水平;运用IDA方法中的结构分析模型对其进行弹性时程分析,建立医药企业GMP厂房抗震性能评估矩阵;根据得到的二维坐标系中的数值点,将每两个相邻的数值点进行连线,得出IDA曲线,以曲线的斜率为该地震动记录的弹性斜率,输出医药企业GMP厂房抗震性能评估的IDA结果。通过仿真实验结果表明,设计方法评估误码率最低可达0.202%,可实现对医药企业GMP厂房抗震性能的精准评估。

基于最不利塔顶位移相图法的风电塔筒动力屈曲研究

风电结构作为一种高耸的薄壁结构,易发生动力屈曲破坏,而我国的风电结构大多都不可避免地建于地震易发区。以西北地区某2.5 MW风力发电机为原型,对风-震耦合作用下风电塔筒的动力屈曲行为开展研究:基于谐波叠加法、叶素动量理论及尾流模型计算运转工况下风电结构所受风荷载;建立风电结构的有限元模型,探讨输入角度对于风电塔筒在风、地震及风-震耦合作用下的动力响应的影响;结合增量动力分析,提出基于“最不利塔顶位移相图法”来研究风电塔筒在风-震耦合作用下的动力屈曲行为,并探讨其主导因素。研究结果表明:风-震耦合作用会导致风电塔筒在强度方面的额外需求;在确定门洞的朝向问题上应考虑风-震耦合作用的因素;风-震耦合作用下风电塔筒呈现局部的塑性动力屈曲现象,而基于“最不利塔顶位移相图法”可以很好地判别并分析风电塔筒的动力屈曲。

基于坝肩失稳破坏模式的高拱坝地基体系地震易损性分析

为了开展高拱坝-地基体系整体稳定地震易损性分析,从坝肩潜在滑块滑动失稳破坏模式出发,综合考虑了地震动和材料参数的不确定性,采用增量动力分析方法(Incremental Dynamic Analysis,IDA),开展了基于概率统计框架的1000次非线性动力响应分析。分别采用特征点残余滑动位移和滑动面积比作为评价结构响应的性能指标,以地震动峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)为地震动强度指标,定量的划分了高拱坝-地基体系的不同性能水平,绘制了地震易损性曲线,并对不同极限状态下的地震易损性进行了评估和分析。结果表明,基于特征点残余滑动位移的IDA曲线可以将高拱坝-地基体系分别划分为局部滑动破坏和整体滑动失稳破坏两个破坏等级;基于滑动面积比的IDA曲线可以划分为轻微滑动破坏、中等滑动破坏和整体滑动失稳破坏三个破坏等级;从而根据高拱坝-地基体系的实际地震需求从概率意义上评判结构所处的破坏状态,为高拱坝的抗震优化设计、加固和维修决策提供科学依据。

极端温度对钢管混凝土格构式高墩抗震性能影响研究

为研究极端环境温度对钢管混凝土(CFST)格构式高墩抗震性能的影响,以某CFST格构式高墩斜拉桥为背景,开展温度对钢管混凝土材料特性的影响试验。通过建立桥梁空间有限元模型,探究极端环境温度对全桥自振特性和地震响应的影响,并运用地震易损性分析,得到不同温度工况下CFST格构式高墩的损伤概率。研究结果表明:当环境温度为-40~40℃时,混凝土弹性模量和峰值应力与温度呈负相关,钢材的力学参数受温度影响不明显;考虑材料温变特性后,CFST格构式高墩各阶自振频率随温度下降而升高;极端环境温度引起CFST格构式高墩材料力学性能的改变,高温工况下墩顶位移比常温工况显著增加;低温工况下,不同破坏程度的CFST格构式高墩损伤概率比常温工况均显著增大。研究结果可为高寒地区CFST格构式高墩抗震设计提供参考。

增量动力分析与云图法在地下结构地震易损性分析的应用

为了研究基于云图法与增量动力分析方法地下结构地震易损性对比分析,本文以两层双跨地铁车站结构为研究对象,基于ABAQUS/standard软件平台,建立了考虑土-结构相互作用的二维有限元模型。采用非线性时程动力分析方法,获取了结构在502条原始地震动记录(云图法)以及基于44条地震动调幅后(增量动力分析方法)作用下的动力响应。以层间位移角为结构损伤指标,PGA为地震动强度指标,分别建立了基于云图法与增量动力分析方法计算结果的地铁车站地下结构地震易损性曲线。结果表明:基于云图法与增量动力分析方法所评估的地下结构震后功能失效概率基本相等,最大差异仅为7.5%。与云图法相比,得益于调幅的优势,基于增量动力分析方法的地震易损性分析可以获取地下结构在任意地震动强度作用下的失效概率。上述成果可为基于性能的地下结构抗震设计分析方法提供科学参考依据。