不同抗震设防RC框架结构抗倒塌能力的研究

地震作用下建筑结构的抗倒塌能力是基于性能抗震设计的核心目标.建筑结构需要足够的抗倒塌安全储备,以避免大震或特大地震的倒塌破坏.我国现行抗震设计尚缺乏大震抗倒塌定量设计方法和抗地震倒塌能力的定量评价指标.该文基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了按现行规范设计的不同抗震设防烈度多层RC框架结构的抗地震倒塌能力和...     

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。     

强震下钢框架结构易损性分析及优化设计

该文建立了一种考虑结构地震反应滞回变形幅值对累积耗能损伤影响的双参数损伤模型,提出了一种基于易损性分析的评估钢结构在地震作用下损伤程度的方法,该方法以结构最大层间位移角作为评价结构整体能力的参数指标。以一个9层Benchmark钢结构为例,针对其在强震中的反应特征,对其薄弱层进行了优化设计,建立其优化前后的理论易损性曲线,对其在不同强度地震作用下的破坏状态进行评估。基于倒塌储备系数对优化前后结构的抗倒塌性能进行分析,结果表明:所提出的损伤评估方法能较准确地评估钢结构在强震作用下的损伤程度,优化设计后结构的抗倒塌能力显著提高。     

基于敏感性分析的结构抗倒塌能力提升方法研究

为提高荷载作用下结构抵抗倒塌破坏的能力,该文基于构件应变能对材料弹性模量的敏感性及构件失效后对结构应变能的影响,提出了静载下的构件易损性及其冗余度评价指标,以衡量构件受损破坏的容易性及其失效后对结构整体性能的影响。在此基础上通过加强冗余低、易损性高的构件,同时对冗余度高、易损性低的构件进行适当削弱,充分发挥各构件在结构中的作用,使构件的破坏顺序发生转变。结果表明,构件的易损性、冗余度系数值的大小能够反映构件发生破坏的容易性及其失效对结构整体性能的影响。根据构件的冗余度、易损性分布,通过调整构件的截面面积,可以实现结构"低易损-高冗余"非重要构件的破坏先于"高易损-低冗余"结构关键构件,从而改变荷载作用下的结构破坏路径,有效提升了结构的极限承载能力和抗连续倒塌的能力。     

不同CMR的RC框架结构地震损失分析

为研究结构抗倒塌储备能力对减小结构地震损失的作用,提出基于结构抗倒塌能力储备系数(CMR)的钢筋混凝土框架结构地震损失分析方法。利用IDA方法,确定结构在连续地震强度下的易损性,根据结构的破坏概率及易损性曲线计算地震经济损失。将结构抗倒塌能力指标CMR与结构在给定地震强度下的经济损失相结合,建立基于CMR的地震损失模型。对脆性及延性结构的倒塌特性和地震损失进行了系统地对比分析。通过四个RC框架结构分析,结果表明:地震损失评估与结构的CMR具有密切关系。在给定地震强度作用下,结构地震损失随CMR的增大而减小;CMR较小的结构随地震强度的增大损失增加较快,而CMR较大的结构则随地震强度的增大损失增加相对较平缓。所提出基于结构CMR地震损失评估思想可以作为量化地震损失评估较有前景的改进方法。     

强震作用下附设粘滞阻尼器RC框架结构的 耗能机制与抗倒塌性能研究

大量震害调查结果表明强震作用下普通RC框架结构很难避免出现薄弱层的累积耗能集中,以致结构倒塌。作为一种已推广应用的耗能装置,粘滞流体阻尼器可在不改变原有结构体系刚度分布的前提下有效耗散地震输入能量,提高结构抗倒塌性能。根据中国现行抗震规范设计了三组不同高度的RC框架结构,并分别进行了附设粘滞阻尼器的消能减震设计。采用弹塑性时程分析方法对各结构进行了地震响应计算,对比了减震前后结构的累积滞回耗能分布模式和耗能机制,并且采用基于IDA的结构抗倒塌易损性分析方法,定量评价了各结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备。结果表明,附设粘滞阻尼器可显著改善RC框架结构的耗能机制,降低主结构构件的损伤程度,有效提高结构的抗倒塌性能。     

基于随机IDA的结构量化指标限值求解方法

该文基于数值模拟以5层、8层和12层钢筋混凝土框架结构为研究对象,对各结构进行了20条地震动作用下的随机增量动力分析,采用基于性能的抗震设计理论,提出了一种确定结构屈服和倒塌水平能力限值的方法。基于该方法,得到了各结构模型屈服和倒塌破坏水平的地震易损性曲线。分析结果表明,结构的屈服和倒塌能力限值可以由相应易损性曲线上95%置信水平下的具有5%屈服和倒塌概率时的限值求出;通过对比各结构屈服和倒塌的易损性曲线,揭示出结构层数的变化对易损性曲线的影响。     

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。     

地震作用下基础隔震框剪结构竖向连续倒塌可靠度分析

在引入隔震支座地震损伤模型的基础上,运用整体可靠度理论对基础隔震框剪结构进行竖向连续倒塌可靠度分析。首先,利用隔震支座的地震损伤模型,得到罕遇地震作用下最易失效的隔震支座;然后,在考虑损伤结构不确定性参数的基础上,利用竖向随机动力增量分析（IDA）方法,得到损伤结构竖向连续倒塌荷载系数;以荷载系数为整体性能指标,进行易损性分析;利用基于最大熵原理的二次四阶矩法,计算损伤结构发生倒塌的概率,最后,以一基础隔震框剪结构为例,利用该方法计算损伤结构竖向连续倒塌的可靠度指标及失效概率。研究表明,该方法可直观地得到结构抗竖向连续倒塌的能力,为评估结构在地震作用下产生损伤提供量化依据。     

基于易损性方法评估楼板对结构抗震性能的影响

结构地震易损性分析是评估工程结构地震灾害损失的关键。基于增量动力分析(IDA)方法和性能化设计理论,结合抗震规范对结构破坏状态的定义和限值的规定,得到结构抗震能力概率函数;应用IDA 方法,获得结构地震需求函数,提出了有效评估整体结构地震反应的基于性能的易损性分析方法。通过对一考虑和不考虑楼板作用的钢框架结构进行地震易损性分析,从破坏概率的角度进行破坏状态评估和地震风险性分析,得出楼板效应将导致结构延性和抗震性能下降、显著降低结构抗地震倒塌能力和改变倒塌模式等结论,为结构抗震设计、加固和震后地震灾害的损失评估提供参考。     

摇摆双层桥梁地震反应及抗倒塌能力分析

针对常规延性设计的现浇双层桥梁在地震损伤控制方面的不足,该文提出一种摇摆双层桥梁结构。采用拉格朗日方程和动量矩定理建立了可计算该类摇摆桥梁结构动力反应的刚体分析模型,分析了结构的地震反应,探讨了桥墩宽高比和桥墩尺寸参数等模型参数对其地震反应的影响,并采用脉冲近场地震动数学模型Ricker小波对结构的抗倒塌能力进行了定性和定量的分析。研究结果表明:在横桥向地震作用下,采用工程实际尺寸的摇摆双层桥梁结构在E2地震水准下未发生倒塌且上层结构未见塑性损伤;与远场地震相比,脉冲近场地震更易使结构发生倒塌;给出了结构在Ricker小波作用下的倒塌加速度谱和倒塌模式,结构抗倒塌能力随着桥墩宽高比和桥墩尺寸参数的增大而显著提高。     

高耸钢筋混凝土烟囱抗地震倒塌能力分析

基于增量动力分析法,对高耸钢筋混凝土烟囱结构的抗倒塌性能进行了概率性分析,得到了结构的侧向倒塌地震易损性曲线,定量评价了烟囱结构的抗倒塌能力和抗倒塌安全储备。为了探讨土-结构相互作用对烟囱结构倒塌能力的影响,提出了适用于烟囱结构的土体-基础-上部结构共同工作的整体非线性有限元分析模型。研究表明:在7度罕遇地震(PGA=0.22 g)下,该烟囱结构发生倒塌的概率几乎为0%,能够满足规范规定的"大震不倒的要求。不考虑土-结构相互作用与考虑土-结构相互作用的结构平均抗倒塌能力分别为PGA=2.16 g和PGA=1.34 g,相应的结构倒塌安全储备系数分别为9.82和6.09。两种情况下,虽然烟囱结构的抗倒塌安全储备都比较大,但是土-结构相互作用显著削弱了结构的抗倒塌能力,其降低幅度达38%,因此,对于高耸钢筋混凝土烟囱,在进行抗地震倒塌分析时必须考虑土-结构相互作用。该文的研究结果可为烟囱抗震设计和地震风险评估提供理论依据。     

减震设计与抗震设计RC框架结构抗地震倒塌能力对比

与传统抗震设计不同,结构的消能减震设计通过在结构上设置减震装置以消耗地震输入能量,达到减轻主体结构地震响应的目的,在满足相同的设计要求下,减震设计结构由于阻尼器的耗能作用,其截面尺寸或配筋较抗震设计结构有一定的优化。根据我国抗震规范,按传统抗震方法和消能减震方法分别设计了一组钢筋混凝土框架结构。采用基于动力增量时程分析方法的结构抗倒塌易损性分析流程,对不同设计方法所设计的框架结构的抗地震倒塌能力和抗倒塌安全储备进行了定量评价,并对计算结果进行了对比分析。根据分析结果提出了提高高烈度区减震设计框架结构抗倒塌能力的相关措施,并通过算例验证了所提措施的有效性。     

桥梁系统地震多维易损性分析

综合考虑地震地面运动以及性能极限状态的不确定性,提出了基于多地震需求参数分析的桥梁系统易损性评估方法,将易损性概念从一维扩展到多维。该方法首次提出服从多元对数正态分布的概率地震需求模型探讨桥梁体系各构件响应相关性,同时考虑各构件性能极限状态的相关性建立多维性能极限状态方程,确定结构失效域,通过MonteCarlo模拟计算系统多维地震易损性。以某一钢筋混凝土多跨连续梁高速公路桥为算例,通过非线性动力分析法获得最大响应样本,利用最大似然估计求得概率地震需求模型未知参数,计算体系多维易损性,并与构件易损性相比较。结果表明:桥梁体系多维易损性较构件易损性偏大,可避免用单一构件易损性代替系统易损性产生的非保守估计,预测结果更利于工程安全,为桥梁修复加固和交通系统可靠性分析提供理论依据。     

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。     

基于性能的集装箱起重机结构地震易损性分析

根据集装箱起重机(简称岸桥)结构在地震作用下的破坏表现特征,定义了4个破坏等级和3个性能水准,以门框位移角为量化指标,给出一种岸桥结构性能水准的确定方法。考虑结构和地震动的不确定性,对两台岸桥实例进行地震易损性分析,得到结构易损性曲线。分析结果表明:两台岸桥门框构件延性变形能力较差,在强震作用下的倒塌概率较大。易损性曲线明确了岸桥结构在不同地震动强度下的性能水准概率,为岸桥结构抗震性能评估和灾害分析提供理论依据。     

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。     

斜拉桥系统地震易损性评估的Pair Copula技术

大跨度斜拉桥作为高次超静定结构,通常包含主塔、斜拉索、主梁、辅助墩及连接墩等较多构件,由于地震作用下各构件相互影响,准确模拟构件地震响应之间的相关性对斜拉桥整体系统的易损性评估十分关键。因Pair Copula能较好地模拟构件两两之间的相关性,理论上可将Pair Copula分层迭代模拟斜拉桥整体系统,进而提出基于Pair Copula迭代模型的斜拉桥系统地震易损性评估方法。基于结构不确定性参数及地震动不确定性,采用拉丁超立方抽样技术建立桥梁-地震动概率地震响应分析样本;通过非线性动力时程及相关性分析,量化构件地震响应之间的相关性;采用极大似然估计拟合Pair Copula模型,基于AIC及BIC准则对其进行优选;通过Pair Copula分层迭代,建立斜拉桥整体模型并对其进行地震易损性评估。工程实例表明,基于Pair Copula分层迭代技术能准确模拟多构件之间的相关性,假定构件地震响应完全不相关,会显著高估斜拉桥整体系统的地震易损性。