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和非隔震简支梁桥进行了概率地震需求分析,从概率的角度定量计算研究了铅芯橡胶支座在提高桥梁结构抗震性能上的作用。概率地震需求模型计算结果表明,隔震桥梁结构回归方程的斜率均小于非隔震桥梁结构回归方程的斜率,这反映出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,在同一场地上,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,隔震支座的应用降低了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,在本文设定的场地和结构参数下,铅芯橡胶支座隔震桥梁结构发生墩底纵筋屈服的年超越概率远小于非隔震结构相应的概率。本文的研究表明,概率地震需求分析方法作为一种基于概率的定量分析方法,可以用于不同结构体系的桥梁结构抗震性能的评价上。     

基于云图法的规则桥梁概率地震需求模型

基于性能的结构抗震设计需要建立在概率理论的基础之上,结构概率地震需求模型是其中的一个关键环节。针对公路梁式桥中的规则桥梁,利用OpenSees软件,建立了8座具有一定代表性的规则桥梁样本;选取三类不同场地条件下2390条国内外地震动记录,基于云图法对8座桥梁样本逐一进行了时程分析;以阻尼比为5%、与结构基本周期相对应的谱加速度S_a作为地震动强度指标,以墩顶位移漂移率D作为工程需求参数,分析了三类不同场地条件下、不同桥梁样本的地震动强度指标与工程需求参数之间的概率分布特征。结果表明:三类不同场地条件下,规则桥梁与结构基本周期对应的弹性谱加速度S_a与墩顶漂移率D之间近似服从指数函数分布。利用分析结果,建立了三类不同场地条件下规则桥梁地震动强度参数与地震需求参数之间统一的简化计算公式;算例验证表明,所建立的简化概率地震需求模型具有良好的计算精度,可大大简化规则桥梁概率地震需求的计算。     

串联隔震结构体系的地震易损性分析

根据串联隔震建筑结构体系的地震可靠度特征,推导了串联隔震结构体系的地震可靠度计算公式,并根据隔震结构的上部结构、隔震层、下部结构的概率地震需求模型,提出了串联隔震结构的地震易损性计算方法。最后,以某典型高层框架-核心筒基础隔震结构为算例,建立了高层隔震结构的有限元模型并进行地震动响应分析,利用已提出的方法对该隔震结构的地震破坏概率进行分析,获得了高层隔震结构整体处于严重破坏状态时的地震易损性曲线,结果表明隔震层的破坏是影响高层隔震结构体系整体地震可靠度的关键因素。     

全概率理论斜拉桥地震风险分析

桥梁的地震风险分析涉及到场地地震危险性分析、概率性的地震需求分析以及概率性的抗震能力分析等阶段。鉴于各阶段存在不确定性,因此有必要在桥梁的地震风险分析中考虑各阶段不确定性,具体是基于全概率方法推导出斜拉桥不同性能水平下的地震风险的解析解。以迫龙沟大跨度斜拉桥为工程背景,建立OpenSEES非线性有限元模型,从PEER地震库选择100条符合场地条件的地震波来考虑地震动的不确定性,通过非线性时程分析建立概率需求地震模型,讨论了地震需求的不确定性和性能水平的不确定性对斜拉桥地震风险的影响。研究结果表明,忽略不确定性因素的影响会大大地低估了斜拉桥的地震风险。     

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.     

柱式柔性墩隔震梁桥结构地震易损性分析

对柱式柔性桥墩刚度较小下部构件结构形式的中小跨径桥梁,利用铅芯橡胶支座双线性恢复力特性,通过调节桥梁下部结构整体刚度,改变地震力在不同墩柱间的分配可提升桥梁整体抗震能力。定义桥梁损伤的5种状态,归纳出以曲率延性判定5种损伤水平的量化指标,并与桥墩墩顶位移相关联。选典型桥梁建立有限元模型进行动力弹塑性分析,将隔震改造前后桥梁墩顶位移概率需求与地震易损性进行对比。分析表明,采用柔性桥墩的梁桥结构进行合理隔震改造后,只要保证隔震支座体系正常运行,桥梁整体在大震作用下的抗震水平可明显提升。     

抗震规范中隔震装置的地震风险分析

目前关于基础隔震结构抗震性能评价的研究主要针对隔震层以上的上部结构,对于隔震装置的地震风险分析仍有待完善。以隔震层水平位移与隔震装置尺寸(支座的有效直径)的比值作为结构需求,借鉴《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)所规定的隔震支座的水平位移限值作为划分标准,初步建立基础隔震结构中隔震装置的概率地震需求模型,探索建立该地震风险分析方法。最后,以灾区已建成的一座七层混凝土框架基础隔震结构建筑作为算例,通过所提出的模型和方法对其隔震装置进行地震风险分析。     

基于修正IDA法的隧道地震易损性分析

为了研究隧道的抗震能力,通过修正增量动力分析法得到概率地震需求模型,将工程需求参数限值与概率地震需求模型结合得到各个地震动强度下的结构失效概率,获得结构的地震易损性曲线来评价隧道的抗震性能。以典型地下管廊和盾构隧道为例,利用SAP2000软件建立有限元模型,设立12种工况探讨了不同场地类别、埋深、截面尺寸对不同结构型式隧道抗震能力的影响。研究结果表明:场地类别对隧道结构损伤程度的影响最大,其中Ⅳ类场地中的结构危险程度最大;隧道结构在进入弹塑性工作阶段具有较好的抗震能力;埋深大的隧道结构比埋深小的更为危险;大横截面的隧道结构相比小截面的更为危险。     

基于地震动加速度反应谱的三维隔震结构摇摆性能研究

三维隔震结构在地震作用下存在显著的摇摆现象,影响三维隔震技术的隔震效果。而不同类型的地震动作用对三维隔震结构的摇摆特性影响不同。由此提出一种基于地震动竖向与水平向加速度反应谱谱值之比对三维隔震结构摇摆性能进行评估的方法,并利用有限元模拟进行验证。基于1567条不同类型的地震动记录,分析不同震源机制、震中距、场地类型对三维隔震结构摇摆特性的影响规律。结果表明,震源机制、震中距、场地条件对三维隔震结构摇摆的影响显著。当不同地震动作用调幅后结构竖向加速度响应相同时,在典型三维隔震结构隔震周期范围内（水平向2.0～5.0 s,竖向0.3～1.0 s）,逆断层和走滑断层地震动相比正断层地震动所造成的三维隔震结构摇摆角更大;远场地震动相比近场地震动所造成的三维隔震结构摇摆角更大;地震动在软土场地条件下相比其在硬土场地条件下所造成的三维隔震结构摇摆角更大。     

基于概率性地震需求模型的桥梁易损性分析

采用概率性地震需求分析方法,建立了汶川地区典型简支梁桥的分析型地震易损性模型。基于汶川地震桥梁震后调查资料,评估了桥梁结构参数的不确定性,抽样并生成一系列桥梁的有限元模型样本。利用汶川地震实测地震波对所建立的桥梁有限元模型进行非线性动力时程分析,并记录每一组分析中桥梁构件的地震峰值响应,通过回归分析建立地震动强度和桥梁构件地震需求之间的关系。在确定桥梁不同损伤状态对应的构件极限状态后,基于对数正态分布假设生成不同损伤状态对应的地震易损性曲线,最后基于可靠度理论计算得到桥梁系统易损性的上下确界。生成的地震易损性曲线可以进一步用于地震风险评估和震后加固优先级决策。     

考虑双向耦合非线性的LRB隔震桥梁地震反应分析

为了研究铅芯橡胶支座(LRB)隔震桥梁在双向水平地震激励下的非线性地震反应,首先建立了模拟水平正交两向作用力条件下LRB支座非线动力行为的双向耦合弹塑性恢复力模型,这一双向耦合弹塑性模型中的单向力和变形关系的骨架曲线为双线性。在此基础上,提出了一种双向水平地震激励下多跨连续LRB隔震桥梁的非线性地震反应分析模型以及求解方法,并对考虑和忽略LRB支座恢复力的双向耦合作用时隔震桥梁的非线性地震反应进行了算例比较分析。研究表明这种双向耦合作用对隔震桥梁的地震反应有重要影响,如果忽略这些相互作用的影响,支座位移的峰值将被低估,这对隔震桥梁设计是不利的。     

考虑土-储罐-液体相互作用的隔震储罐简化力学模型及地震响应研究

为了寻求一种既能减震又能降低成本的储罐结构,提出一种隔震储罐结构体系,根据力的平衡原则推导了滚动隔震装置恢复力模型,得出了复合滚动隔震装置的恢复力模型。基于三质点模型和场地土模型,提出了考虑土-储罐-液体相互作用（STLI）的隔震储罐的简化力学模型和运动方程,并研究了考虑STLI效应和不考虑STLI效应时抗震储罐和隔震储罐在不同场地的地震响应。结果表明：隔震储罐能够有效地降低其基底剪力及倾覆弯矩,但对晃动波高的控制有限,建议在高烈度区,满足晃动波高的前提下,隔震储罐在设计时可以降低烈度。考虑STLI效应后,抗震储罐的基底剪力和倾覆弯矩明显降低,且从Ⅰ类场地到Ⅳ类场地差异率逐渐增大,软土场地降低最为显著。隔震储罐地震响应受STLI效应的影响较小,可以有效地隔断上部结构与场地土之间的耦联,弱化STLI效应对上部结构的影响。     

地震作用下高墩铁路桥梁梁体碰撞间隙宽度需求机理分析

为了研究不同场地条件对高墩铁路桥梁梁体碰撞间隙需求的影响机理,也为既有桥梁的碰撞间隙宽度评估和新建桥梁碰撞间隙宽度的计算提供理论依据。首先,建立了多点激励地震动空间模型,推导了场地条件与桥梁墩底处地震加速度的关系;其次,建立了高墩铁路桥梁的有限元模型,并推导了高墩桥梁梁体碰撞间隙宽度需求量与场地条件和震级的关系;最后,以实际高墩铁路桥梁为依托,研究了不同震级不同场地分布对桥梁碰撞间隙宽度需求的影响,并与实际场地（非一致场地）分布计算结果进行对比分析。研究表明:一致场地分布时,软场地对高墩桥梁碰撞间隙宽度需求的功率谱密度峰值最大,硬场地最小,相差约4倍~6倍;实际场地时,间隙宽度的功率谱密度函数相位变化较大,碰撞次数增多;不同震级碰撞间隙宽度需求对比时,实际场地响应均值比硬、中、软一致分布场地分别大76%、71%、42%。     

基于行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系研究

针对目前最常用的32 m跨径高铁简支梁桥,同时考虑对行车安全不利的路桥过渡段和墩高改变处,对高铁桥梁的行车安全性能进行了评价;分析了铅芯橡胶支座、摩擦摆支座等常规减隔震方案在高铁桥梁中运用的可行性。分析结果表明,采用盆式橡胶支座的高铁桥梁在地震作用下轨道变形和轨道横向加速度较大,无法满足高速运行的列车的行车安全性要求;采取常规减隔震措施之后,尽管地震响应有所降低,但在路桥过渡段依然无法满足列车的行车安全性要求。鉴于此,研发了抗冲击多向耗能阻尼器,与盆式支座相结合,提出了可以满足列车行车安全性的高铁桥梁横桥向减隔震体系。该体系可在地震作用时盆式支座剪断瞬间承受较大的冲击力,保证体系转换过程中桥梁结构的刚度不发生突变,控制轨道变形不超过允许的限值,保证列车的行车安全性。     

地震激励特性对隔振桥梁动力响应的影响研究

本文考虑承铅芯橡胶支摩和桥梁结构的非线性特性,把支座和桥梁当作一个整体考虑,建立了连续梁桥隔震全桥模型。通过输入不同特笥地震激励进行时程分析,对地震激励特性对铅芯橡胶支座隔震桥梁体系的地震响应的影响规律和特点进行了系统的研究。     

多点激励下隔震桥梁非线性随机振动的时域显式迭代模拟法

由于地震动的随机性与空间变异性、隔震支座的非线性特征及其安装数目少的特点,隔震桥梁地震响应分析是一典型的多输入局部非线性随机振动问题。采用Bouc-Wen模型描述隔震支座的非线性恢复力,建立多点地震激励下隔震桥梁结构的运动方程,并将得到的非线性运动方程改写为关于状态变量的拟线性方程,基于精细时程积分法和龙格-库塔法构造拟线性方程及隔震支座滞回位移方程的时域显式降维迭代求解格式。再以此高效算法为基础,应用随机模拟法计算多点激励下隔震桥梁随机地震响应的统计量。数值算例表明,所建立的方法计算速度快、精度高,可用于实际桥梁结构的抗震性能验算。     

多维地震作用下隔震桥梁地震反应（Ⅱ）——理论分析与试验结果比较

为了研究铅芯橡胶支座(LRB)隔震桥梁在双向水平地震激励下的非线性地震反应,首先用Bouc-Wen模型模拟水平正交两向作用力条件下LRB支座非线动力行为的双向恢复力特性.在此基础上,提出一种双向水平地震激励下多跨连续隔震桥梁的非线性地震反应分析模型以及求解方法,并通过隔震连续梁桥结构模型振动台试验证实了所建立双向多自由度计算模型的正确性,以及铅芯橡胶隔震支座两水平方向力变形相互耦合作用模型的合理性.因此,对隔震桥梁LRB支座进行设计时,建议考虑支座恢复力的相互耦合作用;多维地震动输入时,特别是竖向地震分量较大时,进行橡胶支座设计时应考虑铅芯橡胶支座上有竖向拉力产生的情况.     

隔震结构损伤性能与可靠度研究

提出隔震结构的地震损伤模型,并采用概率密度演化理论分析隔震结构地震损伤指数的概率统计特征,为隔震结构性态目标的量化提供依据。考虑隔震支座的压剪相关性和拉压性能的差异,给出隔震层的损伤指数模型,再利用Park-Ang损伤指数描述上部结构的损伤状况,建立隔震体系的损伤指数模型;将隔震结构简化为双质点模型,采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型分别描述隔震层与上部楼层的滞变特性,建立隔震结构的状态方程,应用四阶龙格-库塔方法迭代求解求解出隔震结构的位移反应和滞变耗能,进而求解隔震结构的损伤指数;建立隔震结构损伤指数的概率密度演化方程,求解损伤指数的统计特征和概率密度函数,然后根据极值分布理论计算损伤指数超过不同性能水准的可靠度。本研究为以可靠度为理论基础的隔震结构损伤分析提供了可借鉴的方法。     

基于概率密度演化法的隔震结构随机地震响应与可靠度分析EI北大核心CSCD

采用简化的两质点隔震结构模型研究随机地震激励下结构设计参数随机性对结构位移响应与可靠度的影响。隔震层和上部结构分别采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型来模拟,结合概率密度演化方法和基于极值分布的可靠度理论,求解不同场地条件、阻尼比、周期比与屈重比下隔震层与上部结构的层间位移响应信息与整体可靠度,并对设计参数进行优化。研究结果表明:概率密度演化方法能够有效评估隔震结构的抗震性能;通过对设计参数的适当取值,能使隔震层与上部结构位移响应均最小,从而提高隔震结构整体可靠度。     

基于概率密度演化法的隔震结构随机地震响应与可靠度分析

采用简化的两质点隔震结构模型研究随机地震激励下结构设计参数随机性对结构位移响应与可靠度的影响。隔震层和上部结构分别采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型来模拟,结合概率密度演化方法和基于极值分布的可靠度理论,求解不同场地条件、阻尼比、周期比与屈重比下隔震层与上部结构的层间位移响应信息与整体可靠度,并对设计参数进行优化。研究结果表明:概率密度演化方法能够有效评估隔震结构的抗震性能;通过对设计参数的适当取值,能使隔震层与上部结构位移响应均最小,从而提高隔震结构整体可靠度。