基于多元Copula函数的桥梁体系地震易损性分析方法研究

为了考虑桥墩、支座等构件地震需求之间相关性,引入多元Copula函数对构件地震需求之间的相关结构进行描述,提出了桥梁体系易损性分析的新方法。基于增量动力分析结果建立了单个构件的易损性,采用核光滑方法对各构件的边缘分布函数进行估计;基于离差平方和最小准则和最小距离法对多元Copula函数进行了参数估计及优选;结合单个构件的易损性及多元Copula函数,建立了桥梁体系的易损性曲线,分析了构件地震需求之间相关性对桥梁体系易损性的影响。结果表明:桥墩、支座等构件地震需求之间的相关性对桥梁体系易损性影响显著;基于离差平方和最小准则构造的多元Copula函数,能够准确描述构件地震需求之间的相关结构,有效降低桥梁体系易损性分析的难度。     

桥梁系统地震易损性分析的混合Copula函数方法

为了在桥梁系统易损性分析中考虑构件地震需求之间相关性的影响,采用贝叶斯加权平均方法构造混合Copula函数,将构件地震需求之间的相关结构和各构件的边缘分布函数进行分离;结合增量动力分析,建立了桥墩、支座等单个构件的易损性曲线及联合分布函数,提出了考虑构件地震需求相关性的桥梁系统易损性分析方法。结果表明:混合Copula函数能够准确描述构件地震需求间上、下尾相关并存的非对称相关结构,简化构件地震需求联合分布函数的建模过程;与Monte Carlo抽样方法相比,二者得到的桥梁系统易损性吻合良好,且混合Copula函数方法避免了大量的数值抽样,显著提高系统易损性分析的计算效率。     

基于核密度估计的结构地震需求信息熵重要性分析

对8个输入随机变量进行了抽样,分别选取7条地震动记录和El Centro地震动记录,利用有限元软件OpenS ees进行了动力非线性时程分析,得到了基底剪力、顶点位移、最大楼层加速度和最大层间位移角4种结构地震需求。将核密度估计用于结构地震需求信息熵重要性分析的求解中,并用方差重要性分析方法进行了对比。结果表明:采用的抽样方法在样本量为几百时即可得到较好的结果,这远远少于现有的抽样方法所需要的成千上万的样本数,是一种准确高效的抽样方法;基于核密度估计得到的各个输入随机变量的信息熵重要性排序与方差重要性分析方法得到的各个输入随机变量的重要性排序基本一致,可见基于信息熵的重要性测度分析方法是一种良好的重要性分析方法。     

高层隔震结构支座受拉界限理论及地震响应分析

针对地震作用下高层隔震结构易发生摇摆倾覆问题,提出考虑支座受拉效应的地震作用界限理论,分析了结构高宽比和支座设计面压对界限地震作用的影响规律,给出了高层隔震结构的高宽比限值。通过大高宽比隔震结构振动台试验,对不同峰值地震作用下的试验结果进行分析,得到EL波和Taft波峰值0.6g作用下边角支座进入受拉状态。将振动台试验结果与数值分析结果及界限理论结果对比,发现理论公式及数值分析与试验结果均具有较好的一致性。最后采用数值分析方法研究了结构高宽比、支座设计面压和地震作用峰值对高层隔震结构支座拉应力及隔震层摇摆效应的影响规律。     

基于随机森林和最小角回归的结构地震需求重要性度量分析

对带黏滞阻尼器的钢筋混凝土框架结构在El Centro地震波的作用下,采用OpenSEES软件进行了动力非线性时程分析,考虑了黏滞阻尼器的阻尼系数和刚度、钢筋的弹性模量和屈服强度、阻尼比、混凝土的抗压强度和弹性模量以及结构质量8个输入随机变量的影响,得到了框架结构的顶点位移、最大层间位移角以及基底剪力3种结构地震需求。提出将随机森林算法和最小角回归算法应用到结构地震需求的重要性度量分析中,得到了各个输入随机变量对3种结构地震需求的重要性性排序,并用Monte-Carlo数值模拟法进行了对比。结果表明,基于随机森林算法和最小角回归算法的结构地震需求重要性度量分析方法结果与Monte-Carlo数值模拟法基本一致,这两种方法是准确高效的方法,可以大大减少样本的数量。     

复合随机振动系统的动力可靠性矩独立重要性测度及态相关参数解法

针对激励与结构参数同时存在不确定性的复合随机振动系统,由随机结构无条件动力可靠度表达式出发,利用条件概率密度函数解析变换给出衡量基本随机变量对动力可靠性影响的矩独立重要性测度指标。该指标可表征不确定性随机变量对动力可靠度响应量分布的平均影响程度,可全面反映随机变量对响应分布影响。基于状态依存参数模型,提出求解矩独立重要性测度指标的态相关参数(SDP)法。利用算例分析结构动力可靠性参数的矩独立重要性测度,并与直接Monte-Carlo法对比。所提方法可在保证计算精度同时大幅度提高计算效率,适用于分析复合随机振动系统非线性可靠性响应。     

基于概率的钢框架结构地震失效模式识别方法

该文定义了构件的截面损伤指标,基于增量动力分析(IDA)方法,对地震输入下结构的失效模式进行分类,进一步统计得出各失效模式下构件端部截面损伤均值。提出基于概率的地震失效模式识别方法,建立各失效模式下结构失效概率关系表达式。基于OpenSees平台,对一个20层benchmark钢框架结构模型进行数值分析,结果表明,根据关键层的损伤状态可以合理地划分失效模式,引入构件重要性系数能较好地反映各构件截面损伤对结构失效模式的影响,基于概率的地震失效模式识别方法能有效的判别结构发生各失效模式的概率大小。     

考虑变量相关性的桥梁时变地震易损性研究

为研究变量相关性对桥梁时变地震易损性的影响,引入Nataf变换和均匀设计,提出了一种考虑变量相关性的桥梁时变地震易损性分析方法。以一多跨连续梁桥为研究对象,基于OpenSees建立其非线性分析模型,考虑氯离子侵蚀引起的钢筋直径及面积的退化,基于OpenSees截面非线性分析及单条地震波的非线性地震响应分析,探讨了氯离子侵蚀对桥梁抗震能力和地震需求的影响。然后,考虑桥墩、铅芯橡胶支座(LRB)、板式橡胶支座(PETB)和桥台等构件的地震损伤,建立了桥梁时变地震易损性曲线;最后,针对结构参数变量相关性对桥梁抗震能力、地震需求和时变地震易损性曲线的影响进行了定性分析。研究结果表明:①氯离子侵蚀会导致桥墩截面极限抗弯承载能力下降,而截面极限曲率、延性能力却略有提升;②考虑由氯离子侵蚀引起的纵筋锈蚀后,桥梁墩底截面弯矩需求有一定程度的下降,而墩顶位移和墩底截面曲率延性需求却有所增大,桥梁在不同损伤状态下的损伤超越概率会随服役时间的增加而增大;③该方法可较好处理结构参数变量相关性,并且考虑变量相关性后,在全寿命设计基准期内,桥墩截面极限抗弯承载能力有所提升,而墩顶位移、墩底截面弯矩和曲率延性需求则有一定程度的下降;④忽略变量相关性条件的影响,可能会高估桥梁结构的时变地震易损性。     

基于性能的高层混合结构地震易损性分析

研究地震作用下高层钢框架-混凝土核心筒结构的易损性问题。通过基于性能的静力弹塑性分析,根据结构极限损伤状态定义了混合结构地震需求参数的四个性能水平限值。考虑地震动输入的不确定性,通过弹塑性动力时程分析获得结构地震响应,建立了两个地震需求参数与地震动强度指标之间的关系,结合性能水平限值提出能有效评估结构地震响应的易损性分析方法。最后对两个不同节点连接方式的高层混合结构进行了基于性能水平限值的地震易损性分析,绘制结构的地震易损性曲线,对结构抗震性能进行评估和对比分析。     

隔震曲线连续梁桥铅芯橡胶支座参数优化

为了提升铅芯橡胶支座（LRB）在隔震曲线梁桥中的减隔震效果,该文对LRB力学性能参数进行了优化分析。首先,采用ANSYS建立了某三跨隔震曲线梁桥有限元模型,考虑LRB屈服力、初始刚度及屈服后刚度等性能参数的影响,对该桥进行非线性时程分析,得到了结构关键地震响应随支座力学性能参数的变化规律,并确定了支座参数的合理取值范围。在该支座参数区间内,又以墩底剪力之和为目标函数,基于零阶优化算法,对LRB力学性能参数进行了优化。结果表明:屈服力、初始刚度及屈服后刚度对隔震连续梁桥地震响应有显著影响;隔震支座参数优化后,使得隔震支座峰值位移得到了有效控制,同时不显著增大墩底剪力,且边墩与中墩墩底剪力差值明显缩小,各墩受力更趋均衡。     

基于改进均匀设计响应面的桥梁地震易损性分析

为研究传统均匀设计响应面法中设计变量多重相关性现象和变量相关性条件对地震易损性分析的影响,引入Nataf变换,结合基于样条变换的均匀设计响应面法,提出了一种基于改进均匀设计响应面的桥梁地震易损性分析方法。以一座多跨连续梁桥为例,基于Open Sees建立其动力有限元模型并进行非线性时程分析,考虑了墩柱、板式橡胶支座、铅芯橡胶支座和桥台四类构件的地震损伤,分别在考虑变量相关性前后、采用传统及改进均匀设计响应面法对算例桥梁地震易损性分析进行了比较。研究结果表明,考虑变量相关性后,改进均匀设计响应面法建立的响应面模型能更好地拟合结构功能极限状态函数;桥梁构件及系统在不同损伤状态下的损伤超越概率均有一定程度的降低;忽略变量相关性的影响、采用传统均匀设计响应面法均可能会高估桥梁结构在地震作用下的易损程度。     

摩擦摆支座隔震连续梁桥地震能量反应研究

以某三跨混凝土连续梁桥为例,建立了该桥的空间有限元分析模型,在3条人工地震波作用下,采用非线性时程分析方法计算了应用摩擦摆支座(FPS)隔震前、后结构的纵向地震能量反应,对比了3种隔震体系的耗能效果,并研究了FPS等效滑动半径和摩擦因数对能量反应及分配的影响。分析研究结果表明,采用FPS隔震后结构体系绝大部分地震能量由支座耗散,可有效降低结构的能量耗散需求,保护结构安全,其中全桥隔震方案效果最好。增大等效滑动半径和摩擦因数均有利于提高FPS支座耗能减震效果,结构能量耗散需求随之减小,但当等效滑动半径和摩擦因数较大时,继续增大设计参数对耗能减震效果的改善作用趋于不变。     

基于Copula函数的桥梁系统地震易损性方法研究

桥梁系统地震易损性分析的关键是建立桥墩、支座等多个构件的联合概率分布函数。然而,由于构件地震需求之间的相关性,直接建立构件之间的联合概率分布函数较为困难。为此,引入Copula函数方法,将构件地震需求之间的相关性和各构件的边缘概率分布函数进行分离,从而简化了联合分布函数的建模过程。在桥墩、支座地震易损性的基础上,基于Copula联合概率分布函数,建立了桥梁系统的易损性曲线,并将其和一阶界限法及Monte Carlo方法的分析结果进行对比。结果表明:基于Copula函数得到的桥梁系统易损性在整个地震动强度范围内均位于一阶界限法的上、下界之间;和Monte Carlo方法相比,Copula函数方法不仅考虑了构件地震需求之间的非线性相关关系,而且避免了大量的数值抽样,使计算效率显著提高。     

基于LHS-MC方法的矮塔斜拉桥地震风险概率分析

提出一种既能避免繁琐积分,又能综合考虑结构材料和地震波动随机性问题以及地震危险性的地震风险概率计算方法。基于结构材料参数的概率分布,采用拉丁超立方抽样(LHS)方法考虑结构构件材料参数的随机性,并结合选取的地震波,形成地震动-桥梁组合样本集。针对典型矮塔斜拉桥结构体系建立非线性有限元纤维模型,确定各主要构件的损伤指标,与增量动力分析方法相结合进行了地震易损性分析,选取合适的分布函数,拟合加速度峰值-结构损伤概率曲线。采用蒙特卡罗(MC)抽样方法离散地震危险性概率模型,避免了繁琐的积分,针对典型矮塔斜拉桥的地震风险概率进行了评估。     

核电厂隔震结构附加侧向阻尼系统分析模型及减震效果

提出对半埋置/全埋置小堆三维隔震结构附加侧向黏滞阻尼的混合控制系统,达到同时控制水平加速度、水平位移以及摇摆反应且不影响竖向隔震效果的目的。基于隔震层及侧向阻尼系统变形分析,建立考虑隔震层平动及摇摆的耦合效应和侧向阻尼器协调转动变形的刚体动力学模型。基于RG1.60谱选取30条地震输入信号开展参数分析,探究阻尼布置参数、附加阻尼力参数及阻尼滞回形状参数对减震效应的影响。研究发现合理的附加阻尼力与隔震层出力比值区间为10%～20%,最优参数下水平加速度位移可同时分别减小20%,40%,最大摇摆反应减小70%。选取合理阻尼参数对某真实核电厂模型进行案例分析,摇摆角、加速度、隔震层位移等地震响应指标均减小,边支座受拉现象消失,案例数值模拟结果与参数分析规律一致,也与理论分析吻合。     

规则连续梁桥地震易损性研究

基于位移延性比探讨规则连续梁桥在不同损伤状态下的结构性能控制指标;基于OpenSees平台采用纤维模型建立结构动力分析模型,选取100条强震记录通过非线性时程反应分析计算结构地震易损性曲线。研究不同墩高、支座形式及配箍率对结构地震易损性影响,结果表明,连续梁桥的地震易损性受延性发育程度影响较大,发生中等与轻微破坏概率较相近,对严重破坏有较好的耐损性;结构耐损性随墩高的增大而增加;采用板式橡胶支座可显著提高矮墩桥梁的耐损性,对高墩则有限;配箍率对结构早期损伤影响较小,对防倒塌能力影响较大。     

核电厂隔震支座的受拉临界理论与结构振动台试验研究

基于隔震结构平移-摇摆耦合模型建立核电厂隔震结构的运动方程,提出支座受拉地震动峰值界限公式,并分析了高宽比和隔震周期对峰值界限影响规律。根据某核电厂结构设计了1∶10的振动台试验缩尺模型,分别进行了核电厂隔震结构在单向、双向和三向地震输入下的振动台试验和数值分析。结果表明:隔震技术能有效降低核电厂上部结构的地震响应,在单向和双向输入下,上部结构具有良好减震效果,水平向各层加速度反应谱峰值较台面输入峰值降低且结构主频向低频移动;在超设计地震输入下,隔震支座存在受拉现象。进一步对核电厂隔震结构振动台模型进行数值分析、试验结果及支座受拉临界输入理论对比,结果显示理论公式、数值分析及试验结果一致。     

近场地震作用下RC框架鲁棒性分析

基于地震作用下结构的受力的特征,提出构件易损性及重要性系数的改进计算方法,以此定量分析结构在近场地震作用下的鲁棒性。通过分析比较RC框架在近场有无速度脉冲两组地震动,不同强度下的构件易损性系数、重要性系数和结构鲁棒性系数,揭示了RC框架结构在近场地震作用下抗连续倒塌鲁棒性的特点,并依此提出增强结构鲁棒性的措施。研究表明：相比于层间位移角等结构的整体响应指标,鲁棒性则更能具体地反应出结构在近场地震下的状态;与近场无速度脉冲型地震动相比,速度脉冲型地震动会对结构构件的易损性与重要性造成更为明显的影响,从而降低了整体结构的鲁棒性,对结构安全存在更为不利的影响。     

广东科学中心E区隔震支座监测预警指标研究与应用

通过实测数据处理及结构有限元模拟分析,给出了广东科学中心隔震支座健康监测一级、二级预警指标。基于隔震支座界限特性,建立了其压缩状态下的水平界限位移变形公式,并结合罕遇地震作用下隔震元件的水平位移变形控制,提出了三级、四级预警指标,为工程预警系统设置提供有效参数。     

基于多维性能极限状态的结构易损性分析

由于基于性能的单指标易损性方法在结构易损性分析中忽略了非承重构件及设备仪器破坏的影响,该文提出了基于多维性能极限状态的易损性分析方法,采用承重构件敏感的最大层间位移参数与非承重构件及设备仪器敏感的最大加速度参数作为性能量化指标,建立了基于多维性能极限状态的广义方程描述结构整体的极限破坏状态。根据超越概率的定义,并考虑量化指标间相关性及其阀值的随机性,推导得到了二维性能极限状态下超越概率的解析解;并利用matlab拟合得到了结构在正常使用、可以使用、生命安全、防止倒塌四个性能水平下的易损性曲线。