两水准地震设防下的斜拉桥体系易损性分析

针对中国规范所定义的E1,E2地震下的结构性能进行的地震易损性研究尚不充分问题,提出两水准地震作用下结构性能的概率评估方法,推导了设计地震下地震风险的理论公式,并以特大跨斜拉桥为例来阐述该方法,建立考虑多种非线性效应的斜拉桥有限元模型,斜拉桥关键构件(桥塔、桥台、支座、阻尼器)和结构体系的概率需求地震模型以及地震易损性方程;拟合所在场地的地震危险性曲线方程,得到不同重现期地震下构件和体系的损伤概率;计算E1,E2两水准地震下的构件损伤概率,以多个构件的性能水平为目标,基于蒙特卡洛模拟抽样方法得到桥梁的体系易损性曲线,计算体系地震风险;基于提出的两水准地震设防下的斜拉桥体系易损性分析方法,进一步比较了使用阻尼器加固前后斜拉桥在E1和E2两水准地震下的体系易损性。结果表明:安装阻尼器以后斜拉桥在设计地震作用下的各个关键构件以及结构体系的损伤概率大大降低;表明两水准地震设防下的斜拉桥体系易损性分析方法可以为斜拉桥概率性抗震设计及加固提供实践方法。     

基于一类桥梁样本的混凝土简支桥梁地震易损性分析方法

基于一类简支桥梁样本进行地震易损性分析,通过非线性时程分析得到构件响应,建立概率需求模型。采用定义的损伤状态函数计算构件的易损性曲线,并通过各个构件连接方式的串联假定,计算得到桥梁体系的易损性曲线。分析可知,桥台是最易损的部位,如果各个构件相互独立,体系易损性曲线与最易损构件的易损性曲线相差无几。     

基于改进条件边缘乘积法的桥梁系统地震易损性分析方法

桥梁结构是由多种不同类型的构件按照一定的逻辑关系构成的结构系统。既有桥梁易损性分析中,通常基于构件的易损性曲线来评价整个桥梁系统的抗震性能。实际运营中的桥梁,在地震作用下,不同构件间相互影响,发生组合破坏将会增加桥梁系统整体失效概率。因此,将桥梁结构作为整体进行易损性分析能够更好地评估实际工程的抗震性能,弥补了既有分析方法的不足。以一座三跨预应力混凝土连续T梁桥为易损性分析对象,结合桥墩和支座两类构件的地震破坏,分别采用界限估计法、改进的条件边缘乘积法建立了算例桥梁系统易损性曲线。结果表明:界限估计法易受各失效模式排列顺序和相关性的影响,稳定性较差;改进的条件边缘乘积法,作为结构系统失效概率的一种近似求解法,解决了在多个失效模式并存下,结构系统可靠度问题中多维标准正态累计分布函数近似求解问题。后者计算精度较高,易于实现,适用于失效模式较多的复杂桥梁系统,具有一定的工程使用价值,为桥梁系统地震易损分析提供了借鉴参考。     

沉管隧道纵向地震易损性分析方法

目前沉管隧道抗震性能设计仅限于横断面分析,缺乏面向沉管隧道纵向抗震性能评估的地震易损性分析方法。为此,建立沉管隧道纵向地震易损性分析方法及评估指标。首先,合理考虑沉管隧道结构特征及接头构造,给出了纵向地震易损性分析模型,其中沉管管节结构采用宏观梁单元模拟,沉管接头采用细观精细化模型模拟,宏-细观模型之间需满足连续性约束方程,地层采用非线性弹簧单元模拟,并通过等效线性化方法来描述地层的非线性特征;其次,根据隧道所处场地的地震动特征选择合适的地震动输入,以及相应的地震动强度指标和结构损伤指标,建立基于增量动力分析的纵向地震易损性评估方法及分析流程,可以依据沉管隧道的不同极限状态定义获得用于纵向抗震性能评估的易损性曲线;最后,以某沉管隧道为应用实例,基于该方法建立了沉管隧道纵向地震易损性分析模型及评估指标,通过计算分析得到了表征隧道纵向抗震性能的地震易损性曲线,并开展多因素分析进而揭示了管节分段长度、地震动输入方向、地层-结构相对刚度比等关键参数的影响规律。结果表明：沉管隧道所处场地位置处的峰值速度是反映隧道纵向地震易损性特征的最优地震动强度参数;沉管隧道地震易损性与输入地震动波长有关,且管节长度与地震波长相近时地震易损性较小;随着地震动输入方向与隧道轴向夹角的增加,沉管隧道地震易损性逐渐减小,而垂直90°输入时相比水平0°输入最大降幅可达76%;地层-结构相对刚度比对沉管隧道纵向地震易损性影响显著,且随地层-结构刚度比的减小而逐渐增大。所提方法可为沉管隧道纵向抗震性能评估及地震风险分析提供科学依据。     

基于均匀设计响应面法的桥梁地震易损性分析

针对桥梁地震易损性分析中计算量偏大的研究现状,首先,以一座多跨连续梁桥为研究对象,综合考虑材料、结构和地震动的不确定性,提出了一种基于均匀设计和响应面法的地震易损性分析方法。基于Open Sees建立了算例桥梁非线性有限元模型。然后,考虑桥墩和支座等桥梁构件的损伤,定义桥墩和支座在不同损伤状态下的损伤指标,建立了桥梁构件和桥梁系统地震易损性曲线。最后,为验证本研究方法在桥梁地震易损性分析中的适用性和有效性,分别通过本研究方法、蒙特卡罗、正交设计和中心复合设计的响应面法对算例桥梁进行地震易损性分析,分别从抽样次数、计算耗时、响应面模型精度和易损性曲线等方面,对4种方法进行了比较。研究结果表明:在易损性曲线方面,本研究方法与基于蒙特卡罗的响应面法的偏差约为3%;在抽样次数、有限元计算耗时方面,本研究方法分别比基于蒙特卡罗、中心复合设计和正交设计的响应面法减少了99.70%,58.49%,8.70%;本研究方法建立的结构响应面模型与基于中心复合设计和正交设计的响应面法相比,其精度分别提高了12%和5%。     

桥梁复合随机地震易损性分析方法研究及应用

影响桥梁地震安全的不仅是地震强度,还包括桥梁结构材料强度、结构尺寸,以及其离散分布特征等,这些因素也不是唯一确定的,而是随机的。传统的桥梁地震易损性分析方法已无法满足要求,需要充分考虑地震、材料等因素的随机性。为了更加全面而充分地确定在多种不确定因素综合影响下,桥梁结构的地震易损性分布及影响规律,采用全概率方法进行桥梁地震易损性分析。针对目前结构地震易损性分析方法的不足,引入人工神经网络和蒙特卡罗技术,采用动量增量分析方法和推倒分析方法,同时考虑了桥梁结构参数的随机性和地震动输入的随机性,提出了桥梁复合随机地震易损性分析方法。主要分析步骤为:首先,分别对随机桥梁结构的抗力和随机地震响应进行特征统计,在此基础上,再应用蒙特卡罗和神经网络技术对桥梁结构在不同损伤状态下的超越概率进行统计,绘制桥梁结构复合地震易损性曲线。复合随机地震易损性分析方法从全概率的角度比较全面地反映了桥梁结构的地震易损性,并具有以下特点:(1)采用神经网络仿真结构随机性的非线性分析,大大提高了计算效率;(2)采用充足地震波进行动量增量分析,从而考虑了地震强度的随机性;(3)采用蒙特卡罗随机抽样分析方法,避免了求解析解的困难。     

考虑失效准则模糊性的近海V腿连续梁桥时变地震易损性研究

为了研究在氯离子侵蚀作用下桥梁结构地震易损性,既往的研究方法大多是在考虑了氯离子腐蚀引起的材料退化后,明确定义了结构在服役过程中不同时间点的损伤状态准则,而忽略了结构损伤边界的模糊性。鉴于此,提出了一种考虑失效准则模糊性的桥梁结构时变地震易损性分析方法。以某近海V腿连续梁桥为例,首先分析了近海环境中氯离子对钢筋混凝土结构侵蚀过程,利用菲克第二定律,同时结合Monte Carlo法,得到了钢筋和混凝土材料性能时变退化规律;然后采用OpenSees程序建立算例桥梁弹塑性动力分析模型,通过非线性时程分析,得到桥梁构件在不同年份的概率地震需求模型;最后引入模糊数学理论,建立了基于隶属函数的桥梁时变地震易损性分析方法,得到了考虑桥梁构件损伤模糊性的时变地震易损性曲线。研究结果表明:应用菲克第二定律,可以得到钢筋混凝土结构材料在氯离子腐蚀下的性能随着服役时间的延长而明显退化规律;在时变地震易损性分析中,通过引入模糊数学理论,可以更加准确地反映近海桥梁的损伤过程;模糊区间范围的大小对于结构在地震作用下的失效概率的影响显著,在应用中,应根据实际工程需求来确定模糊区间大小,以确保桥梁结构安全。     

近断层多脉冲地震作用下桥梁墩柱地震风险分析

桥梁墩柱是桥梁结构中的关键构件,为研究近断层多脉冲地震动对桥梁墩柱地震风险的影响,采用场地地震危险性、结构地震易损性和结构震后损失3项参数进行综合评估,以PGA为地震动强度指标,分析某8度设防场地的地震年均发生概率,利用OpenSees建立某桥梁墩柱有限元模型并给出其结构的易损性曲线,结合损失比得到桥梁墩柱结构的年均预期损失比分布对比曲线和年均预期损失比。结果表明:随着地震动强度的增大,其对应的年均发生概率反而减小,在小于0.3g范围内的年均地震动发生概率最大;能量最强方向地震时程对应易损性曲线的上限,水平最强方向上的显著小波分量不适合分析桥梁墩柱结构的地震风险,水平单向地震动低估了墩柱的年均预期损失比;对于桥梁墩柱的地震风险而言,能量最强方向上的地震时程对应着桥梁墩柱地震风险的最不利情况。     

基于支持向量回归的桥梁抗震动力可靠度计算

为了满足桥梁结构基于性能的抗震设计需求,提高桥梁抗震动力可靠度分析计算效率,提出一种基于支持向量回归(SVR)的桥梁抗震动力可靠度分析计算方法。该方法综合考虑了结构参数随机性和地震动激励随机性的影响。在ANSYS有限元分析软件中建立桥梁有限元数值分析模型,进行随机振动分析计算以确定结构在随机地震动激励作用下的响应功率谱;进而通过首次超越破坏准则得到桥梁结构在地震作用下的失效概率。采用均匀设计试验方法(UD)在结构参数样本空间选取合适的试验点,利用支持向量回归建立起结构参数与失效概率的对应关系式,再通过连续型随机变量的全概率公式得到结构在双重随机性下的失效概率。最后以一座主跨180 m的高墩大跨连续刚构桥为工程背景进行抗震可靠度分析计算,结果表明:采用UD-SVR方法拟合关于结构参数与失效概率的响应面函数进行可靠度分析计算,对复合随机系统的动力可靠度计算具有较高的效率,为复杂结构的抗震动力可靠度分析计算提供了一种新的思路。     

基于易损性的桥梁地震经济损失评估

评估地震经济损失是地震风险分析的重要组成部分,也是地震易损性分析结果的重要延展内容。为了评价桥梁结构地震经济损失,基于地震易损性曲线提出了结构地震损失率曲线的计算和绘制方法。以某典型高速铁路连续梁桥为例,采用IDA方法(增量动力分析法),选取20条天然地震波进行动力时程分析,绘制易损性曲线。由易损性曲线得出某一地震动强度下各种破坏的概率,进而绘制地震损失率曲线。     

中小跨径混凝土连续梁桥地震易损性研究

以国内常见的中小跨径混凝土连续梁桥为对象,考虑了桥墩、板式橡胶支座构件损伤,对桥梁系统进行了地震易损性分析。在桥梁易损性分析中,使用了超拉丁方抽样技术形成桥梁样本,从太平洋地震工程研究中心数据库中选取了大量地震波作为地震动输入样本,以桥墩漂移率、支座相对变形作为损伤指标,并对损伤指标予以了量化。在计算得到桥梁构件易损性曲线的基础上,使用一阶可靠度理论形成了桥梁系统易损性曲线的上下界限,并得出了桥梁不同损伤状态对应的具有统计意义的中位值地震动强度。研究结果对于在役的同类型桥梁抗震加固设计及地震灾害损失评估提供了理论依据。     

高墩多塔斜拉桥地震动强度指标选择及易损性评估

为研究高墩多塔斜拉桥的抗震特性,以一座墩高178m的四塔斜拉桥为例,考虑材料和几何非线性,建立全桥有限元动力模型;选取长、短周期2类共80条实测地震波进行非线性时程分析;以4类能够反映斜拉桥响应特点的工程需求参数为对象,结合对数回归分析,对9种常用的地震动强度指标的可行性、有效性和适用性进行评价,并提出此类桥梁地震动强度指标的选择建议;结合各构件的损伤特点,合理定义支座系统、索塔、主梁和拉索的损伤指标;基于易损性分析理论,建立关键构件的易损性曲线,明确各类构件的易损位置,并对不同构件的损伤特性进行对比分析,进而提出改善此类桥梁抗震性能的思路。研究结果表明:高墩多塔斜拉桥不宜沿用常规桥梁的地震动强度指标进行地震响应预测,而应针对不同情况采用基本周期谱加速度或峰值谱位移;纵向地震作用下,支座系统、主梁和拉索均呈现出较高的损伤概率,而索塔的损伤相对较低;主梁的损伤主要集中在中跨1/4和3/4截面处,拉索的损伤主要集中在端锚索和中跨的长索;由于索塔的损伤远小于其他构件,而易损构件都是由于结构较大变形引起的,因而在此类结构的抗震设计中,控制位移或变形较控制索塔内力更加关键。     

基于地震易损性的斜拉桥斜置式黏滞阻尼器参数优化

为获得超大跨径斜拉桥斜置式黏滞阻尼器的合理参数，提出将基于全概率理论的斜拉桥地震易损性分析方法应用于该类阻尼器参数优化设计中。该方法综合考虑桥梁结构地震动的随机分布特点，同步建立斜拉桥顺桥向、横桥向的黏滞阻尼器参数-地震易损性曲面，以桥梁体系地震易损性最小为目标函数，分析顺桥向与横桥向的易损性曲线变化规律及优化参数，并综合顺桥向及横桥向参数优化结果，得到斜置式黏滞阻尼器的合理参数。以主跨806 m的芜湖长江公路二桥为背景，进行斜置式黏滞阻尼器参数优化设计。结果表明：基于全概率理论的斜拉桥地震易损性分析方法能够综合考虑桥梁结构的地震响应因素，并能根据设计目标对斜置式黏滞阻尼器进行参数优化设计；芜湖长江公路二桥优化后的斜置式黏滞阻尼器与主梁之间的夹角宜设定为26.3°,阻尼系数为3 213 kN·(m/s)^-0.26。     

基于随机振动理论的连续刚构桥抗震动力可靠性分析

采用功率谱密度函数描述地震动输入,将非平稳地震动过程等效成平稳过程,在ANSYS/PSD模块中模拟水平双向地震动输入,得到桥梁在随机地震作用下的响应,并通过首次超越破坏准则计算得出桥梁结构危险截面在地震作用下的失效概率,最后以一座主跨180m连续刚构桥为工程背景运用该方法进行抗震可靠度分析。     

钢筋混凝土桥梁地震易损性分析方法

总结了地震作用下钢筋混凝土桥梁主要构件的理论易损性曲线的建立方法及其基本步骤,并且应该考虑到地面运动、本地土壤条件以及桥梁本身参数等不确定性。进一步说明如何考虑桥梁主要易损构件如桥墩、支座和桥台等对整个桥梁体系易损性的影响,并且利用概率工具从单个构件的易损性直接预计桥梁体系的易损性,表明桥梁作为一个体系比任何一个单独的构件更易损。     

抗震加固对简支旧桥地震易损性的影响

我国早期建设的简支梁桥大多未进行抗震设计,对其进行抗震加固(如钢套管、碳纤维布、铅芯橡胶支座等)可减轻其震害。通过对加固前后的桥梁进行地震易损性分析,可以评价不同的抗震加固方法。首先参考桥梁抗震加固规范,对几种常见的抗震加固桥梁(如钢套管、碳纤维布等)进行建模;再采用增量动力分析(IDA)方法绘制加固前后的桥梁易损性曲线,定性对比分析得出:对墩柱进行加固会增加支座破坏概率;铅芯橡胶支座可大幅降低构件和结构的易损性;碳纤维加铅芯支座的组合加固方案可以最大程度降低桥梁结构的易损性,在不考虑经济条件的情况下为最优抗震加固方案。     

不同破坏模式桥墩地震易损性及震后剩余承载力评估

震后桥梁通行能力预测与评估是抢险救援工作顺利进行的技术需求。桥墩是桥梁结构中重要的承载构件,地震作用下易发生损坏,由于设计参数的不同,将呈现弯曲破坏、弯剪破坏等不同破坏模式。应用理论易损性曲线法,以位移延性比来定义损伤指标,确定地震作用下桥墩弯曲破坏和弯剪破坏两种破坏模式的损伤程度判断标准,得到易损性曲线。为了分析桥梁震后通行能力,引入竖向承载能力折减系数作为损伤指标,对不同等级地震动作用下竖向承载能力的折减进行分析,并回归得到该损伤指标与地面震动加速度的函数关系。分析结果显示,相比弯曲破坏模式,桥墩在地震作用下发生弯剪破坏时达到中等破坏和完全破坏状态的概率随着地面震动加速度的增大而急剧增加。在弯剪破坏模式下,桥墩竖向剩余承载能力随着地面震动加速度的增加而下降的幅度也更大。需要在桥墩设计中合理选择参数避免弯剪破坏的发生。     

基于全寿命周期的桥梁结构抗震性能评价与设计方法研究进展

为了促进桥梁结构全寿命抗震设计研究在中国的发展,详细论述并总结了基于全寿命周期的桥梁结构抗震性能评价与设计方法在国内外的研究进展,同时建立了其研究体系的基本框架。首先介绍了钢筋混凝土桥梁结构在其全寿命周期内遭受以氯离子腐蚀作用为主的环境作用分析模型的研究成果,在此基础上着重介绍了以桥梁结构地震易损性分析方法为代表的抗震性能评价方法与地震损失成本评估方法的研究进展,最后论述了基于全寿命成本分析的桥梁结构抗震优化设计方法研究现状。研究结果表明：基于全寿命周期的抗震性能评价和设计方法能够合理地解决传统抗震设计方法中未考虑结构抗震性能退化的问题,对于桥梁抗震工程领域的发展具有重要意义。     

独塔斜拉桥抗震性能分析

为对特殊桥梁进行抗震分析,以一座72.5m+62.5m不等跨预应力混凝土独塔双索面斜拉桥为工程背景,建立全桥三维空间有限元模型,在动力特性计算基础上,采用地震反应谱多维抗震分析方法,输入不同等级的地震动作用,对结构进行了抗震性能分析。分析采用基于纤维模型的截面弯矩-曲率弹塑性分析方法。计算结果表明,该独塔斜拉桥结构在E1和E2地震作用下具有良好的整体抗震性能。     

大跨度桥梁抗震设计和振动控制的研究与应用现状

本文介绍了大跨度桥梁抗震设计的现状和所面临的困难 ,指出对大跨度桥梁合理的抗震分析方法应当进行多点激励随机地震反应分析 ,并对地震输入问题、随机地震动场的模拟和地震反应分析方法作了介绍。最后侧重介绍了结构振动控制技术的研究现状及其在大跨度桥梁中的应用。