基于非参数核密度估计的桥梁结构地震易损性分析

针对桥梁结构构件常用地震易损性分析方法的不足,提出桥梁构件地震易损性分析的核密度估计方法。基于结构地震易损性条件概率的基本定义,重新定义易损性函数,采用概率统计中的非参数估计的核密度估计思想,实现地震动和抗震需求的联合概率密度分布函数、地震动边缘分布概率密度函数的估计,据此构建桥梁结构构件地震易损性的核密度估计算法。用Bootstrap重抽样方法验证所提易损性算法的正确性和可靠性。以一座刚构-连续组合体系桥梁为例,结合桥梁结构抗震设计规范,构建基于OpenSees软件平台的有限元模型,考虑结构参数不确定性和地震动的不确定性,基于增量动力分析和核密度估计,分析桥梁构件的地震易损性。同时分别用结构易损性分析参数估计的最大似然估计法和概率地震需求分析法、非参数估计的蒙特卡罗法计算结构地震易损性曲线,对比讨论4种结构地震易损性分析方法的结果,验证所提方法的正确性和可靠性。研究结果表明:相同计算精度条件下,所提桥梁结构地震易损性分析的核密度估计方法具有较好的计算效率,可用于桥梁结构构件的地震易损性分析中。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于能力谱的高架车站地震易损性分析

地震易损性分析是一种评估震害损失的方法。采用Pushover能力谱分析法对高架车站结构进行抗震性能研究,考察了层间位移角和塑性铰的出现机制,得到了易损性曲线和易损性矩阵。结果表明,高架车站结构实例在各级地震作用下主要发生轻微损坏或较小概率的中等程度损坏,层间位移角符合性能设计要求。分析所用的方法简易可行,结果可供参考。     

某装配式波形钢腹板组合小箱梁桥梁地震易损性分析

目前,波形钢腹板组合箱梁桥在我国获得了较为广泛的应用,其基本力学特性及设计方法等方面的研究也非常深入,但其抗震性能方面的研究却很少,因此展开地震作用下的性能研究十分有必要。基于一座多跨的典型山区梁桥为例,上部结构均为箱梁、截面形式分别采用波形钢腹板组合箱梁、普通混凝土箱梁两种,并基于通用的Open SEES开源软件,建立了桥梁弹塑性有限元模型,并从PEER数据库选择100条地震波、进行全过程动力时程分析,从而获得了关键构件和关键截面的动力响应规律。利用分析结果,并根据易损性分析原理,对波形钢腹板组合梁桥、常规混凝土梁桥进行构件层次和系统层次的地震易损性分析,获得了相应的易损性曲线,从而可以对两种截面形式的易损性能进行对比,发现波形钢腹板组合箱梁桥具有良好的抗震性能,是山区桥梁的一种比较好的结构形式,适合推广。     

基于性能的大跨径斜拉桥 H 形桥塔纵向地震易损性分析

我国许多地区都处于板壳活跃地带,近年来,由于板壳活动的加剧遭受了多次不同程度的地震灾害,给人民带来了较大的生命财产损失。在地震作用下,作为斜拉桥主要受力构件的主塔若发生损伤,将使斜拉桥整体损伤风险明显提高。因此,以某斜拉桥为工程实例,通过SAP2000有限元分析软件,基于性能抗震设计理论学科知识,利用IDA时程分析结果,根据能力需求比模型法绘制出斜拉桥主塔各关键截面的地震易损性曲线,然后对斜拉桥主塔进行地震易损性分析。结果表明：纵桥向地震作用下,主塔的中塔底截面为易损截面。     

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%。     

大跨桥梁在不同荷载作用下的动力响应监测

桥梁结构的动力特性是结构动力计算和抗震分析的基础,也是桥梁健康状况监测的一个重要指标。该文根据加速度响应时程曲线分析了某大跨斜拉桥在重车、船撞、大风、爆破地震等各种荷载作用下的振动响应,得出大跨桥梁在不同荷载作用下的动力响应特性。     

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。     

基于参数变化对斜拉桥地震易损性的影响分析

为了对比箍筋配筋率的变化对结构抗震性能的影响,以一座斜拉桥为例,运用SAP2000建立非线性动力时程模型。给出了主塔的3个不同截面和损伤指标,对该桥进行增量动力分析(IDA),得到4种不同箍筋配筋率工况下截面的损伤概率,最终绘制了各工况下的地震易损性曲线。结果表明,4种工况下随着箍筋配筋率的提高,主塔各截面的损伤概率不断降低,其中下塔柱截面发生严重损伤和完全损伤的概率降低幅度较明显,为桥梁结构设计等方面提供参考。     

基于保险丝理论的BRB双柱墩易损性分析

为避免桥墩构件在地震荷载作用下遭受严重破坏,基于保险丝理论,假想利用防屈曲耗能支撑(Buckling-restrained brace,BRB)作为保险丝构件装入双柱墩,合理设计其核心耗能段长度,保证在水平地震力作用下BRB构件先于桥墩构件屈服,从而保护桥墩构件。文章采用OpenSees数值分析平台,建立普通双柱墩和不同刚度比BRB双柱墩模型,从结构水平刚度的角度、以BRB构件先发生屈服为原则推导BRB核心段长度范围,通过拟静力分析和增量动力分析(IDA)方法对结构抗震性能进行分析并建立易损性曲线,得到不同模型的易损性曲线。结果表明:在地震荷载作用下,BRB构件先于桥墩构件屈服,耗散地震能量,桥墩构件发生各个等级破坏的概率均有所下降。合理设计BRB构件可降低桥墩构件发生各等级破坏的可能性,且BRB刚度越大耗能越大。     

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。     

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。     

西部冻融环境下隔震曲线梁桥抗震性能研究

曲线梁桥是现代交通的一种重要桥型,由于其平面不规则性导致的弯扭耦合效应,使得曲线梁桥的地震响应非常复杂。西部冻融地区混凝土曲线梁桥结构所处环境十分恶劣,桥梁在承受冻融循环作用的同时还会受氯离子等物质的侵蚀,导致的既有桥梁结构耐久性损伤,造成既有桥梁结构抗震性能退化。针对曲线梁桥弯扭耦合受力的复杂性,建立了隔震曲线梁桥在地震作用下的动力控制微分方程,选择合理的冻融环境下弹性模量退化模型,对隔震曲线梁桥进行抗震性能分析。分析结果表明,在地震作用下,对曲线梁桥不管是墩顶位移还是加速度,随着冻融循环次数的增加,动力响应值随之增大,相应的抗震性能随之降低。     

基于IDA-PSDA的路堤震害易损性评价

为了研究路堤在地震作用下的易损性特点和挡土墙对路堤震害易损性的影响,选取连云港—霍尔果斯高速公路西安—宝鸡段K1125+470处路堤进行理论性震害易损性评价。通过划分路堤震害等级,选取路堤震害损伤参数,建立了路堤震害等级与路堤震害损伤参数之间的对应关系;采用Flac软件建立了无挡土墙和有挡土墙路堤的有限差分模型,选取实际记录地震动进行了增量动力分析,明确了一定地震动峰值加速度作用下无挡土墙和有挡土墙路堤震害损伤参数的取值规律;采用概率性地震需求分析方法研究了路堤发生各等级震害的概率,绘制了路堤震害易损性曲线,并将无挡土墙和有挡土墙路堤的震害易损性评价结果进行对比。研究结果表明:地震动峰值加速度为1.2g时,无挡土墙和有挡土墙路堤发生毁坏的概率比地震动峰值加速度为1.0g时平均高16.854%和76.679%,比地震动峰值加速度为0.8g时平均高95.895%和88.008%,即无论有无挡土墙,地震动峰值加速度越大,路堤发生更严重等级震害的概率越大;超越概率为30%、50%和80%时,有挡土墙路堤发生毁坏时对应的地震动峰值加速度比无挡土墙路堤平均高17.93%、18.14%和18.34%,即在相同地震作用下,有挡土墙路堤的震害状况低于无挡土墙路堤,说明挡土墙对提高路堤抗震性能具有积极作用。     

黄土地区小半径曲线梁桥地震响应规律研究

为研究黄土地区桩基-黄土动力相互作用对小半径曲线桥梁结构地震响应的影响规律,根据桩基-黄土动力相互作用机理,结合黄土动力非线性本构关系,建立了桩基-黄土动力相互作用分析模型。针对小半径曲线桥梁结构的空间质量分布特点,推导建立了小半径曲线桥梁结构的动力运动方程。结合数值仿真分析,对考虑桩基-黄土动力相互作用的小半径曲线桥梁结构进行了地震响应分析。结果表明:考虑桩基-黄土动力相互作用时小半径曲线桥梁结构自振周期增大,结构加速度、位移响应增大;曲线桥梁桥墩内力减小,主梁弯矩和剪力减小,扭矩基本不变。