Derivation of analytical seismic fragility functions for common masonry bridge types: methodology and application to real cases

Bridges are, in most cases, the most vulnerable elements in the transportation network during an earthquake; therefore, their seismic vulnerability assessment is necessary for a proper planning of the emergency phase and to define a priority for retrofit interventions. A new simplified approach for the fast evaluation of seismic fragility curves of numerous masonry arch bridge clusters is proposed. The aim of this paper is to propose a quickly procedure to estimate the seismic vulnerability of extended roadway and railway bridge networks in emergency conditions and to optimize the retrofit interventions.This methodology can be applied at regional level for the vulnerability assessment of transportation networks with regard to the specific scenario earthquakes formulated.It would allow us to better manage the phase after the main shock so that it should be possible to rationalise resources for the assessment of bridges, to temporarily close the most vulnerable segments of railway or road network and to maintain the use of the safest ones.     

公路斜交梁桥地震易损性模型研究

采用增量动力分析方法建立公路斜交梁桥地震易损性模型并开展易损性简化计算方法研究。依据不同的墩柱形式、支承形式及新旧规范将公路斜交梁桥分成8种桥型,统计桥梁结构参数并采用随机抽样方法确定其相应取值,依此装配生成240个基准桥梁样本,同时进行斜交角度变换建构新的桥梁样本。基于增量动力分析方法对相同斜交角下桥梁样本进行分析并建立易损性模型,重点研究斜交角与易损性参数之间的关系。研究发现:易损性模型中位值大致随斜交角的增加而减小,对数标准差则呈相反趋势。以计算得到的易损性模型参数为样本,拟合提出适用我国斜交梁桥的中位值修正系数公式,同时给出对数标准差的建议值,进一步总结公路斜交梁桥地震易损性简化计算方法,结果可为后续斜交梁桥地震风险评估及加固规范修订提供参考依据。     

基于有限断层随机地震动合成的高速路网地震危险性分析

针对传统概率地震危险性分析和点源模型的不足,利用表达震源-传播途径-场地条件一体化的有限断层随机地震动合成方法,对覆盖多个不同烈度区的西南地区某高速路网进行了地震动合成,利用统计方法拟合了峰值加速度和反应谱值的预测公式,进而得到路网桥梁节点的地震风险曲线,并在不同设防水准下与传统地震风险曲线进行了对比。结果表明:多遇地震水准下,基于本文方法的地震风险曲线可以提供更为保守的地震动设计参数;偶遇、罕遇和极罕遇三种水准下,基于传统方法的地震风险曲线给出的地震动设计参数则更为保守;两种方法给出的地震动参数值差异存在显著方向性,说明基于有限断层震源模型是对传统地震风险分析方法的重要补充,从发震物理机制上对路网风险分析提供了更多的科学性依据。     

汶川地震公路桥梁易损性研究

研究发现汶川地震Ⅵ度区和Ⅶ度区内公路桥梁震害调查数据相对于更高烈度区的调查情况不够全面详实,特别是完好桥梁的数据偏少,因此,基于这些原始调查数据生成的经验易损性曲线就会和实际的地震易损性有偏差。针对这一问题,利用高烈度区域内桥梁调查数量与烈度区分布面积的比例关系对低烈度区域的桥梁调查数量进行了补充。基于补充后的桥梁震害数据,得到了汶川地震公路桥梁的经验易损性曲线,并分析了桥型和桥梁规模对易损性的影响。     

温度相关型结构地震风险评估方法

采用形状记忆合金(SMA)、粘弹性橡胶等材料的结构,其地震响应存在温度相关性,对其结构性能的评估应考虑温度影响和区域温度分布特性的不确定性。以第二代基于性能的地震工程评估框架为基础,该文提出一种考虑区域温度分布特性的温度相关型结构地震风险评估方法。该方法将传统地震易损性扩展为地震动强度-温度联合易损性,在此基础上得到包含温度分布信息的修正区域易损性,并用于评估结构地震风险。基于该方法,该文以9层SMA支撑钢框架结构作为分析对象,研究温度对结构性能的影响。选取北京和文昌为案例地区,给出其区域温度分布特性描述,并计算对象结构的地震风险曲线。结果表明：环境温度降低将影响结构变形分布。同时,结构在低温下更易发生倒塌。相对于位于文昌和设计基准温度下的对象结构,位于北京的对象结构具有更高的倒塌风险。所提出的方法能够量化评估不同地区温度相关型结构的地震风险。     

隔震建筑橡胶柔性管道易损性模型研发及应用

隔震技术是实现建筑地震韧性的有效手段,隔震层中存在大变形需求的柔性管道功能重要,但现阶段缺乏该类管道的地震易损性模型和损失后果函数,因而隔震结构的韧性评价体系还有待进一步完善。针对这一问题,以橡胶柔性管道为对象,基于前期开展的管道试验,明确了该类管道的2个关键损伤状态,建立了公称内径50 mm和100 mm的柔性管道的地震易损性模型。综合考虑各种成本,提出了修复费用后果函数,根据24个试件拆卸和安装时间数据确定了修复时间后果函数,从而建立了上述管道的损失后果函数。在此基础上,以一5层RC框架隔震结构为例,考虑公称内径和设计长度影响,设定了6种管道方案,评价了结构在设防地震与罕遇地震作用下的韧性水准。结果表明:在设防地震与罕遇地震作用下柔性管道修复费用占比最高可达88.5%和29.4%,但其修复工时对建筑修复时间的影响基本可以忽略;设防地震下加大设计长度可使管道修复费用得到有效控制,但罕遇地震下由于变形大,当管道长度小于相关规范建议值时增大管道长度也无法有效避免管道破坏,反而会导致管道修复费用增大。该研究的相关成果可为隔震建筑地震韧性设计和评价提供重要参考。     

Seismic retrofit of existing highway bridges in Japan

This paper presents the current technical developments for seismic design and seismic retrofit of existing highway bridges in Japan. At first, the histories of the past seismic design codes, past seismic evaluation investigation, and past seismic retrofit practices for highway bridges are described. Then the damage caused by the 1995 Hyogo-ken Nanbu Earthquake and the lessons learned from the earthquake are briefly described. Finally, the seismic retrofit program after the Hyogo-ken Nanbu Earthquake is described with emphasis on research and development as well as field practice of the seismic retrofit of existing reinforced concrete highway bridges such as single column bent, wall-type pier, and multicolumn bents.     

第二代基于性能地震工程中的地震易损性模型及正逆概率风险分析

第二代基于性能地震工程理论中的地震易损性主要是指结构构件以及非结构构件的抗震能力,与传统地震风险理论中的地震易损性定义和内涵并不相同。为了澄清二者的不一致性,首先介绍传统地震风险理论中地震易损性的定义和概率模型,然后指出第二代基于性能地震工程理论存在五个层次的地震易损性模型:地震需求易损性模型、抗震能力易损性模型、地震损伤易损性模型、地震损失易损性模型和抗震决策易损性模型,指出了这五种模型的区别及其相互关系,推导得到了地震需求易损性模型和地震损伤易损性模型分布参数的解析表达式。在此基础上,根据不同的不确定性传递路径,提出了正向PBEE和逆向PBEE的概念,以通过不同方式求解第二代基于性能地震工程理论的风险积分公式。基于地震危险性函数的近似表达式以及地震易损性模型及其分布参数的解析表达式,通过正向PBEE和逆向PBEE方法,分别得到了具有相同表达形式的工程需求参数EDP、地震损伤DM和决策变量DV三个层次的概率地震风险表达式。通过该文的研究,将传统地震风险分析理论与第二代基于性能地震工程理论统一在一致的理论框架之中。     

曲线梁桥地震响应的简化分析方法

曲线梁桥的平面不规则性引起的弯扭耦合效应,导致了地震响应的复杂性。对弹性支座上的刚性桥面系统建立了具有刚度偏心的简单曲线梁桥模型,给出了自振特性和地震响应的简化计算方法。通过数值模拟比较,系统地分析了各种影响因素及其对曲线梁桥动力响应的影响规律和计算图表,可以在抗震初步设计中参考使用。     

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。     

基于改进响应面法的公路简支梁桥地震易损性分析

针对典型公路简支梁桥提出了一种基于改进响应面方法的易损性模型建构流程。在充分考虑结构和材料等桥梁参数不确定性基础上,基于Plackett-Burman设计方法生成一系列试验样本。采用OpenSees软件进行非线性动力时程分析,比较输入参数对地震响应的贡献,筛选出影响桥梁地震响应的显著性参数;进一步针对显著性参数进行中心复合设计并设计出一系列桥梁样本,基于非线性时程分析结果,建立桥梁各构件在不同的地震动强度下的响应面模型,并采用蒙特卡罗抽样方法计算得到桥梁构件的易损性曲线。假定简支梁桥系统为串联系统,计算生成全桥的易损性曲线。针对相同的桥梁样本,以非线性增量动力分析法生成的易损性曲线为基准,对传统响应面法与改进响应面法计算得到的易损性结果进行比较。结果表明:改进的响应面方程可以高效地替代复杂的非线性时程分析,提高了地震易损性分析的计算效率;构建的易损性曲线能够在较大的地震动强度范围内确定桥梁的损伤构件,帮助桥梁管理部门制定相应的震后加固优先级决策,具有一定的工程应用价值。     

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。     

基于概率的高层建筑地震需求模型与风险评估EI北大核心CSCD

提出了基于贝叶斯理论的地震风险评估方法,综合考虑了地震危险性模型、输入地震动记录、结构参数和需求模型的不确定性,并以云南大理地区1970年-2017年间的地震数据为研究基础进行了详细讨论。在传统基于概率地震危险性分析方法的基础上,提出了基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法,通过贝叶斯更新准则,确定了地震概率模型中未知参数的后验概率分布;通过贝叶斯理论建立了基于概率的地震需求模型,并在易损性中考虑了需求模型认知不确定性的影响;以42层钢框架-RC核心筒建筑为例,开展了地震作用下的风险评估。研究表明:基于贝叶斯理论的地震危险性分析方法,能够获得更为合理的危险性模型;忽略需求模型中参数不确定性的影响,将错误估计结构的地震易损性;不同加载工况将对高层建筑的地震风险产生显著影响。提出的概率风险评估方法,提供了可以考虑固有不确定性和认知不确定性的有效途径,有助于推动高性能结构地震韧性评价和设计理论的发展。     

在用市政桥梁基于位移的抗震安全评估

介绍了在用市政桥梁结构基于位移的抗震安全评估的步骤和方法。依据国内外普遍接受的结构抗震设计理念,以墩柱顶的位移延性系数、墩柱底截面钢筋的拉应变和混凝土的压应变为参数,通过比较结构的抗震能力和地震需求,提出了在用市政桥梁结构抗震安全评估标准。用基于位移的方法和评估标准,对北京5座在用市政桥梁进行了在设防烈度地震和罕遇地震作用下的抗震安全评估,为这些桥梁是否需要抗震加固提供了依据。     

A model for the seismic reliability assessment of electric power transmission systems

A comprehensive model to evaluate the seismic reliability of electric power transmission systems is presented. The model provides information on the probability of structural failure of critical equipment at the major substations, from which the corresponding probabilities of power disruption to a given service area are determined. With the proposed methodology earthquake ground motions are defined as stochastic processes, and seismic capacities of electrical equipment are determined on the basis of available test data and simple modeling, from which fragility functions of critical equipment and specific substations are developed. Probabilities of power disruption resulting from network disconnectivity and abnormal power flow are assessed through Monte Carlo simulation. As a case study, the proposed model is applied to the electric power network in San Francisco and vicinity under the 1989 Loma Prieta earthquake, and the probabilities of power interruption are contrasted with the actual power failures observed during that earthquake.     

大跨径桥梁结构概率地震需求分析中地面运动强度参数的优化选择

对于大跨径桥梁结构,应结合地震工程学和结构抗震两个方面选择合理的地面运动强度参数（IM）,进行动力分析。针对一座高速公路双塔斜拉桥采用非线性动力时程分析方法,分析不同的IM对于结构地震需求的影响,可以得到以下结论：对于不同桥向,在累积质量参与系数贡献显著的周期范围内,反应谱对结构地震需求影响显著,且高频区段反应谱的影响大于低频区段。应该采用对结构地震需求影响显著的反应谱区段内质量参与系数较大的短周期谱加速度或PGA作为IM。     

基于改进云图法的高土石坝抗震可靠度分析

高土石坝抗震可靠度研究对大坝抗震防灾和震害风险研究具有重要意义。通过考虑地震动和筑坝料参数双重随机性,建立基于地震易损性和地震峰值加速度概率密度函数的高土石坝抗震可靠度模型,为研究不同设计使用年限的高土石坝抗震可靠度提供依据。通过拉丁抽样方法选取筑坝料参数样本并与选择地震动组合成样本对,选取坝顶相对震陷率作为性能参数,提出考虑抗震设防标准的高土石坝性能水平了;采用SWANDYNE Ⅱ程序进行动力计算,并根据改进云图法得到不同地震峰值加速度下坝顶相对震陷率的地震易损性三维曲面;结合糯扎渡高土石坝不同设计年限的概率分布函数与地震易损性曲面,确定不同设计年限失效概率和抗震可靠度。分析结果表明:随着设计使用年限增加,大坝各个性能水平可靠度不断减小,对于严重破坏状态下不同设计年限可靠度均能满足《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》规范要求,说明糯扎渡高土石坝在变形方面抗震设计是合理的。     

Seismic retrofitting of expressway bridges in Japan

Infrastructures in Japan suffered severe damage in the Hyogoken–Nambu earthquake that occurred on 17 January 1995. The expressway bridges operated by Japan Highway Public Corporation (JH) also had serious damage. According to the lessons from experience of the earthquake, JH has been constructing highway networks having higher seismic reliability as an emergency transporting lifeline, and has been urgently implementing seismic retrofit work. This paper consists of two chapters. First, the outline of seismic retrofit of reinforced concrete piers is described. Second, the seismic retrofit of high hollow circular reinforced concrete piers having cut-off of longitudinal reinforcement and changed wall thickness along the height with carbon fiber sheets is indicated.     

Serviceability of earthquake-damaged water systems: Effects of electrical power availability and power backup systems on system vulnerability

Civil infrastructure systems, such as water, electrical power, natural gas, and transportation systems, are essential to the smooth functioning of modern society. Because of their inter-connected nature, once one infrastructure system is damaged by an earthquake or other natural hazard, other infrastructure systems may malfunction as well. A number of previous studies have assessed vulnerability of infrastructure systems to earthquakes, but seldom have failures due to infrastructure system interactions been considered. In its assessment of the earthquake-induced damage of a municipal water system, this paper includes the impact of damage to the supporting electrical power system using a fault tree analysis and a shortest-path algorithm. The effect of uncertainty of seismic intensity and component fragility on network integrity is evaluated. A case study involving a simple model of the electrical power system and water system in Shelby County, TN, which includes the city of Memphis, demonstrates the importance of taking infrastructure interactions into account when evaluating the seismic vulnerability and risk to a networked system, as well as the utility of back-up power systems in electric power facilities.