基于IDA-MC的桥梁地震风险概率评估方法

针对目前桥梁地震风险评估考虑的风险因素单一的不足,并为避免复杂的解析分析,引入增量动力分析方法(IDA)与蒙特卡罗(MC)分析方法相结合的技术,同步考虑地震危险性与桥梁结构在地震作用下的易损性,提出基于IDA-MC的特大桥梁地震风险概率评估方法。依据桥梁所在场地的地震烈度概率分布,通过蒙特卡罗抽样得到数量充足的地震烈度值,将其转换为对应的峰值加速度,并结合IDA分析,结果得到大量的结构响应;根据地震损伤准则判断桥梁结构的损伤指数,进而统计桥梁结构在不同损伤等级下的风险概率。以飘浮体系斜拉桥为例进行了演示,分析过程及结果充分体现了该方法的高效性与准确性,并对飘浮体系斜拉桥的地震风险概率规律进行了深入分析,分析结果将对桥梁的地震风险、运营管理提供有力的技术支撑。     

考虑钢筋锈蚀影响的桥梁综合时变地震易损性分析

传统的钢筋混凝土桥梁地震易损性分析一般只针对桥墩截面曲率等局部构件参数进行,且不考虑耐久性对结构性能的影响,具有一定的局限性.提出一种基于时变周期的桥梁地震易损性分析方法,能够计算复杂桥梁多维整体易损性.在此基础上,通过对钢筋黏结力和截面面积的修正,建立不同龄期桥梁有限元模型,可考虑耐久性降低对地震易损性的影响.通过基于周期和桥墩曲率的易损性分析,建立了考虑钢筋锈蚀影响的桥梁综合时变地震易损性分析方法.算例结果表明基于时变周期的锈蚀桥梁地震损伤值及相关易损性分析能准确细致地反映桥梁整体的损伤演变过程,在此基础上提出的不同服役年限下损伤指数比函数可以表征整体易损性的时变规律.     

高烈度山区中等跨径连续梁桥合理抗震结构体系

针对高烈度山区桥梁的抗震问题,以高烈度山区的中等跨径钢-混组合梁桥——云南省天生大桥为研究对象,研究其合理抗震结构体系布置。建议了山区桥梁的抗震评估分析流程,提出了6种抗震基本体系,并考虑各构件的非线性特征,采用桥梁抗震专用软件OpenSees建立了各体系的全桥精细化非线性动力有限元模型;考虑地震波的不确定性,从PEER数据库中共选择了100条不同强度范围的地震波,对依托工程的基本抗震体系进行了全过程非线性时程分析;利用获得的非线性分析结果,基于地震易损性分析理论分别建立了构件、系统易损性关系曲线,从损伤概率上对该桥梁抗震性能及危险构件进行了评估。结果表明:支座和挡块属于抗震体系的关键构件,支座的易损性随着损伤程度的增大逐步高于其他各类危险构件,挡块的损伤概率也较高;设置高阻尼隔震橡胶支座和挡块后能有效降低各构件的损伤概率,并有效提高系统的抗震性能,对结构抗震有利;综合考虑构件易损性和系统易损性,推荐采用高阻尼隔震橡胶支座及双层挡块的抗震设防措施作为依托工程的最终抗震体系。提出的桥梁合理抗震体系的概念和相应的抗震评估分析流程,可为高烈度山区桥梁抗震设计提供参考。     

基于权重系数的既有结构风灾易损性分析

目的研究一种新型损伤评价方法,对既有建筑在风灾作用下的破坏进行有效预测.方法笔者提出了一种基于构件权重系数评估结构在风灾作用下损伤程度的方法,在以往对结构整体易损性进行分析的基础上通过定义权重得到每个构件在整个结构中的权重系数.该方法用构件位移角和构件权重系数的乘积定义损伤指数,以结构整体损伤指数作为评价结构易损性的参数指标,进而分析结构的易损性.结果对于风速在40 m/s以下的风灾预测,笔者提出方法与传统方法所得结果一致,严重破坏和倒塌破坏的概率基本为零,轻微破坏和中等破坏的概率也相对较小;当风速超过40 m/s时,传统方法对轻微破坏的概率预测已经达到92%,而考虑权重系数后为72%.结论经与传统方法得出的易损性曲线对比,考虑权重系数的风灾易损性分析方法更贴近于实际.     

车致火灾作用下预应力混凝土T梁易损性计算方法

为了对车致火灾下预应力混凝土T形截面梁桥进行抗火性能评估,利用响应面分析法建立响应面函数(RSM)来模拟结构的非线性有限元分析,用蒙特卡洛抽样(MCS)来模拟参数的随机性,然后建立了基于响应面函数以及蒙特卡洛模拟(RSM-MCS)的车致火灾易损性分析方法。该方法中将桥梁构件的损伤等级划分为轻微损伤、中等损伤、严重损伤、完全损伤4个等级,用构件的剩余承载力定义其损伤度,并根据已有的试验和理论成果定义不同损伤状态的界定标准;研究火灾和结构自身参数的随机性问题,并基于中心复合试验设计对参数进行抽样,形成试验样本和检验样本,建立基于RSM-MCS的易损性分析方法,并以此开展预应力混凝土T形截面梁的易损性分析。研究结果表明:基于构件剩余承载力的易损性指标满足了不同破坏模式的需求,其界定标准反映了不同构件的损伤状态;火焰温度、火灾燃烧时间及火焰距受火面的距离3个参数能够很好描述火灾对结构作用的随机性;中心复合试验设计显著减少了复杂的有限元计算;在充分考虑火灾和结构不确定因素的情况下,易损性曲线能较好地反映T形截面梁在不同温度及不同损伤状态下的失效概率;车致火灾作用下预应力混凝土T梁易损性计算方法研究可为其灾前风险评估及灾后性能评估提供依据。     

基于构件的RC连续梁桥地震体系易损性分析

提出了考虑各构件(桥墩、支座、桥台)地震响应相关性的体系易损性计算方法.首先利用均匀设计得到56个结构-地震样本对,得到各构件的地震响应;其次通过Matlab计算得到联合概率地震需求模型(JPSDM),并计算出对应的各构件能力样本;最后借助蒙特卡洛抽样(MCS)得到桥梁结构体系易损性曲线.以一座3跨连续梁桥的非线性Opensees模型为例,结果表明不考虑构件相关性的体系易损性会带来较大误差.     

大跨度斜拉桥地震易损性分析

摒弃传统易损性分析假定，采用增量动力分析方法，提出改进损伤指标参数，对脉冲地震波和非脉冲地震波进行对比，定量分析桥梁结构损伤程度.首先，建立大跨度斜拉桥精细化有限元模型，使用增量动力分析方法，进行大跨度桥梁2 100次非线性时程分析；然后，以斜拉桥桥墩墩底、主塔塔底和支座系统为研究对象，选取合适的损伤指标建立各构件在不同损伤状态下的限值；最后，根据桥梁构件在各级地震作用下的损伤概率，为桥梁抗震提供参考意见.     

基于IDA的大跨连续梁桥地震易损性分析

目的分析公路连续梁桥的地震易损性,为该类桥的多级设防抗震设计研究提供理论依据.方法基于性能抗震设计思想,确定结构的5个性能水准,以桥墩的位移延性比作为性能量化指标,计算桥梁不同极限状态的损伤界限值.在此基础上,采用IDA分析方法计算20条人工拟合地震波作用下的地震响应,基于可靠度理论进行对数回归拟合分析,最终获得地震易损性曲线.结果理论易损性曲线表明该桥具有良好的综合抗震性能,在0.3 g地震动作用下,轻微损伤、中等损伤和严重损伤的概率分别为57.9%、44.7%和3.6%.结论易损性分析结果可以反映桥梁的综合抗震性能和各级损伤状态的超越概率,对分析整个交通路网的抗震性能和制定紧急救援方案具有指导意义.     

基于风险的桥梁抗灾性能设计方法

基于风险思想,提出了考虑灾害危险性和桥梁多级性能水平的抗灾设计方法.根据桥梁结构灾害下的性能要求,定义量化的桥梁性能目标,结合易损性分析,获得灾害下各性能水平的易损性曲线.通过易损性曲线与灾害危险性模型的卷积,获得桥梁各性能水平的概率模型,随后进一步考虑性能水平的损伤比,实现综合失效风险分析.以一斜拉桥桥塔为例,利用建立的方法对地震灾害中桥梁进行了多性能水平分析.     

独塔部分斜拉桥顺桥向地面运动作用下的易损性分析

以墩塔梁固结的独塔预应力混凝土部分斜拉桥为对象,采用动力增量法和数据统计分析研究该类桥梁的地震易损性,确定顺桥向地面运动作用下结构构件的易损部位及损伤破坏概率.采用理论易损性分析方法,选取地面峰值加速度作为地震输入强度指标,并以放大系数为基础选取地震输入;以位移延性比、强度与变形、相对位移、索力为指标分别定义了各构件的损伤状态;根据各构件的损伤概率,拟合建立了各构件及全桥的易损性曲线.结果表明,在顺桥向地面运动作用下,中墩和支座为最易损构件;边墩、主梁均会发生不同程度的损伤;斜拉索、桥塔、桩基安全储备较高.     

考虑氯离子侵蚀的近海桥梁结构地震易损性分析

分析氯离子侵蚀作用对近海桥梁结构抗震性能的影响,提出了近海桥梁时变地震易损性分析方法.以一座近海简支梁桥为例,基于概率方法得到氯离子侵蚀作用引起的纵筋直径和屈服强度、箍筋直径、保护层混凝土抗压强度随时间的退化规律,研究发现随着钢筋腐蚀程度增加,小剪跨比的桥墩会由弯曲破坏转变为弯剪或剪切破坏.基于OpenSees软件建立桥墩在不同服役时间考虑弯曲、粘结和剪切变形的有限元模型并进行Pushover分析和增量动力分析以评估腐蚀桥墩的抗震性能.定义腐蚀桥墩的损伤状态,评估各级损伤状态能力,通过易损性分析方法得到桥梁时变地震易损性曲线.研究结果表明,在氯离子侵蚀作用下,桥墩的材料性能不断退化,导致近海桥梁地震易损性随服役时间逐渐增长.     

基于PSDM和IDA法的深水隔震桥梁地震易损性分析比较

考虑地震动水压力和波浪效应的共同作用,建立了隔震桥梁的弹塑性有限元分析模型,分别基于概率地震需求模型(PSDM)法和增量动力分析(IDA)法形成了桥梁系统及主要构件的地震易损性曲线,并对2种方法所形成的易损性曲线的差异进行了比较分析.研究表明,当桥墩处于弹性阶段时,基于PSDM和IDA法所得到的各损伤极限状态下桥墩的超越概率差别不大;但当桥墩构件进入非线性阶段,由于非线性结果的离散性导致基于PSDM法的需求回归分析的拟合结果失真,而基于IDA法能够很好的避免此种情况的出现;无论是桥墩还是支座,基于PSDM和IDA法计算得出的易损性曲线从轻微破坏到倒塌,2者差异越来越大.     

基于累积塑性应变的结构多维易损性分析

将拟力法的概念运用于能量平衡方程而提出累积塑性应变,其表示为塑性耗散能需求与耗能能力之比.塑性耗散能反映了结构在地震作用下的损伤累积效应,作为构件层次损伤指标的累积塑性应变也考虑了损伤累积效应.建立基于最大层间位移角的易损性曲线,假定一系列累积塑性应变阈值,通过易损性曲线吻合度确定与全局性能水准相对应的局部损伤状态,即累积塑性应变阈值.以累积塑性应变和峰值层加速度响应作为结构构件和非结构构件的工程需求参数,在多维易损性理论框架下建立二维性能极限状态方程和概率地震需求模型,进行易损性分析,并分别讨论加速度阈值、工程需求参数和性能极限状态相关性对易损性的影响.     

考虑氯离子侵蚀时变劣化效应的近海斜拉桥地震易损性分析

为研究氯离子侵蚀对近海大型桥梁地震易损性的时变影响规律,以某近海斜拉桥为对象,建立非线性数值模型并开展增量动力分析,获得主塔等构件及桥梁系统的时变易损性曲线.结果表明,材料腐蚀会导致构件及结构的损伤概率出现不同程度的增加.桥梁结构第1阶自振周期对应的谱加速度Sa(T1)为0.3g时,主塔严重损伤的概率在0、25、50、...     

钢管混凝土组合框架抗连续倒塌鲁棒性初步分析

为研究钢管混凝土框架结构的竖向连续倒塌易损性,设计了一个8层4×4 跨钢管混凝土柱-钢梁空间框架,利用有限元软件ABAQUS,采用静力加载方法,对原结构及拆除各底层柱后的剩余结构进行模拟研究;在已有改进后的两种基于构件重要性的易损性分析方法的基础上,分别计算结构构件的重要性系数;并计算了双柱失效工况下结构的鲁棒性系数,分析了该类结构的竖向鲁棒性.结果表明:两种方法计算结果相近,构件重要性系数的变化趋势一致;外荷载的增加与结构鲁棒性呈负相关,角柱相对边柱和中柱较为重要;角柱与边柱同时失效时,结构发生倒塌的几率大大提升.实际中可采用备用荷载路径的方法对重要性系数较大的构件进行低易损性设计.     

基于性能的平面不规则结构地震易损性分析

针对平面不规则框剪结构,提出基于性能的结构整体地震易损性分析方法。基于性能分析静力弹塑性,根据结构极限损伤状态定义平面不规则框剪结构层间位移角和层间扭转角的4个性能水平限值。通过弹塑性动力时程分析获得结构地震响应。根据超越概率的定义,分别计算层间位移角和层间扭转角极限状态下超越概率。结合地震峰值加速度及超越概率对一平面不规则框剪结构进行基于性能的地震易损性分析,绘制结构的易损性曲线,比较2个指标的易损性曲线,评估结构的抗震性能。研究结果表明:对平面不规则结构进行易损性分析时,应考虑扭转响应对结构的影响,防止高估这类结构的抗震性能。     

非一致地震激励下飘浮体系斜拉桥易损性分析

利用Open Sees软件对一座主跨为420 m的斜拉桥建立有限元模型,分别进行了仅考虑失相干效应、考虑失相干效应和行波效应、考虑失相干效应和场地效应以及综合考虑失相干效应、行波效应和场地效应等4种非一致激励情况下的易损性分析.结合联合概率地震需求模型(TPSDM)和蒙特卡罗抽样获得了基于构件的体系易损性曲线.考虑地震动空间效应的飘浮体系斜拉桥损伤概率明显高于一致激励且失相干效应和场地效应的影响较为显著.失相干效应越明显,斜拉桥体系遭受地震损伤的概率越大.场地效应的影响较为复杂,总体上表现为相邻场地类型差异越大,沿地震波传播方向场地类型由软变硬时,体系损伤概率增加.行波效应对飘浮体系斜拉桥地震损伤的影响较小,易损性分析时忽略行波效应的影响不会造成较大的误差.因此,对飘浮体系斜拉桥进行非一致激励下的地震易损性分析应考虑失相干效应和场地效应的影响,目前广泛采用的一致激励下的易损性分析高估了体系的抗震性能.     

某大跨度连续梁桥的地震易损性分析

连续梁桥是我国高速公路、轨道交通中常用的一种桥梁结构形式。为研究大跨度连续梁桥，选用CSibridge软件对某跨度为181 m的桥梁进行有限元模拟，首先通过非线性增量动力分析方法，计算不同地震动下的墩顶位移。然后通过Xtract软件得到墩底弯矩曲率曲线并定义地震损伤指标。再基于对数正态分布假定，计算了不同地震动强度下的地震需求参数，得到了连续梁桥的地震易损性曲线。最后通过曲线得到了在不同强度的地震作用下，发生轻微破坏、中等破坏、严重破坏和完全破坏的概率。结果表明，易损性分析结果可以反映桥梁的综合抗震性能和各级损伤状态的超越概率，为桥梁结构抗震设计提供了参考。     

带主梁的简化模型与响应面联合 的桥梁船撞易损性分析方法

以往桥梁船撞动力分析以给定事件确定性分析为主,难以反映船撞作用的偶然性和概率性特征,以及不同能量撞击下的桥梁损伤演化特征.为此,本文面向两类典型船舶,以桥梁墩柱受船舶撞击后的剩余承载能力作为损伤评估指标,较为系统地研究了桥梁船撞易损性.首先,建立了受压RC墩柱受到侧向冲击后剩余承载能力的直接模拟方法,通过与试验结果进行对比,验证了该模拟方法的有效性.然后,基于一座典型连续钢筋混凝土梁桥,建立了两种不同的有限元简化模型,并进行了比较和验证.提出一种有限元简化模型与响应面代理模型联合的桥梁船撞易损性分析方法,获得了两类典型船舶撞击下的桥梁易损性曲线.结果表明:所建立的响应面具有良好的精度,可替代复杂的非线性有限元计算;两类船舶类型撞击下的桥墩剩余承载力的响应特征区别较大,在球艏船撞击下剩余承载能力随船速的增大而均匀减少,而在受驳船撞击时,剩余承载能力与临界船速密切相关,呈现出双折线的特征,在进行样本设计时需基于临界速度进行分段;在相同船速及质量的情况下,驳船撞击所造成的结构损伤以及失效的概率普遍要高于球艏船撞击,实际设计中应尤为关注.     

基于风险的桥梁多灾害下合理冲刷深度研究

为了在桥梁设计和评估中充分考虑多灾害影响,基于一致风险原则,提出桥梁在考虑冲刷和地震联合灾害作用条件下的分析框架,开展了考虑地震灾害的合理冲刷深度研究.首先对桥梁进行考虑冲刷的地震易损性分析,获得结构的易损性曲线和易损面;根据两种灾害的危险性模型,获得不同给定冲刷深度下失效概率与冲刷深度的关系及联合失效概率.然后将联合失效概率所对应的冲刷深度作为两种灾害组合时的合理冲刷深度,进一步与设计冲刷深度比较,得到地震和冲刷多灾害下桥梁设计中所需要的冲刷荷载组合系数,并以一悬索桥为例说明分析过程.文中方法有效考虑了桥梁整体风险和经济性,可为地震和冲刷联合灾害作用下不同类型和大小的桥梁的探索分析提供基础.