基于全寿命成本分析框架的桥梁抗震设防烈度效益初探

摘要

为进一步改善桥梁抗震设防标准确定方法，本文借鉴全寿命成本分析的框架，以抗震设防投入和地震风险之和最小为准则，研究了三个地震危险性不同的场地上各按三个地震烈度设防建造铁路桥梁的效益。
　　选取哈佳铁路上三座标准设计的，几何尺寸大体相同，分别按Ⅵ度、Ⅶ度和Ⅷ度设防的桥梁为实例，借助Midas Civil建立三个独立桥墩模型。建模中，将桥墩以上的主梁等上部结构恒载作为集中荷载转换为质量施加于托盘顶部，桩-土相互作用采用“m”法模拟。自振分析的结果表明，三个模型的振动均以第一振型为主，基本周期均在0.56秒左右，第一振型参与质量百分比均占72％以上。
　　采用Push-over分析得到三座桥的能力曲线，利用Vidic提出的强度折减模型，建立了铁路工程抗震设计规范规定的6个基本峰值加速度(分别与地震烈度Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度对应)设计反应谱相应的非弹性需求谱，利用能力谱法求得各桥梁模型在不同烈度下的非线性反应。
　　采用刚度退化的地震损伤模型，将屈服点置于“基本完好”与“轻微破坏”之间，调整修改已有的损伤指数计算公式，根据桥梁模型的非线性位移反应，计算得到三座桥梁遭遇Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度的损伤指数。
　　借助模糊数学中隶属函数的处理方法，考虑到震害等级划分的模糊性，根据三个参考文献震害等级划分方案，建立了震害等级评估的概率模型，与损伤指数结合，计算得到三座桥梁的地震易损性矩阵。
　　选择三个地震危险性不同的场地，50年超越概率10％相应的地震烈度分别为Ⅵ度、Ⅶ度和Ⅷ度。根据每个场地的地震危险曲线数值，计算不同烈度100年的发生概率。
　　根据收集的经验数据、参考文献的取值，选定铁路桥梁各设防烈度造价的提升系数值、各震害等级的直接经济损失和间接经济损失的损失比，计算三座桥梁的初始建造成本中的抗震设防投入，与各场地的地震危险性结合，计算未来地震中的风险成本。地震风险成本中考虑了直接经济损失和间接经济损失两部分的影响。
　　以抗震设防投入和地震风险成本之和为评价指标，分析比较桥梁按Ⅵ度、Ⅶ度和Ⅷ度三个烈度设防的效益。结果初步表明，按50年超越概率10％确定的烈度设防多是效益最好的，仅在Ⅶ度区的场地，三种方案的效益较为接近。说明桥梁工程全寿命成本分析的研究值得重视，有待不断深入。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景、目的及意义

1．2桥梁全寿命成本分析综述

1．2．1提出背景及发展

1．2．2考虑自然灾害风险的LCCA基本框架

1．2．3基于LCCA的桥梁抗震设计

1．3地震易损性的研究现状

1．3．1地震易损性评估的经验方法

1．3．2地震易损性评估的分析方法

1．4本文研究目的与内容安排

第二章三座标准设计桥梁的建模

2．1引言

2．2三座不同设防烈度标准桥梁的设计参数

2．2．1三座标准设计桥梁的基本信息

2．2．2桥墩几何尺寸及材料

2．2．3桩基础尺寸

2．3桩-土相互作用的考虑

2．3．1考虑桩-土相互作用的方法

2．3．2根据基础设计规范计算桩-土相互作用的6个弹簧刚度

2．4模型基本动力特征

2．5本章小结

第三章三座桥梁的非线性静力分析

3．1引言

3．2非线性Push-over分析

3．2．2侧向力分布模式

3．2．3等效单自由度体系的转化方法

3．2．4能力曲线

3．3非弹性需求谱的建立

3．3．1引言

3．3．2等价原则及R-μ-T关系

3．3．3基于铁路工程抗震设计规范建立弹塑性需求谱

3．4求解“性态点”

3．5本章小结

第四章三座桥梁的地震易损性

4．1引言

4．2损伤指数及损伤模型

4．3震害等级的划分

4．4震害等级的概率评价

4．4．1损伤指数

4．4．2基于损伤指数的震害等级概率评价

4．5三座桥梁的易损性矩阵

4．6本章小结

第五章基于全寿命成本分析框架的设防烈度效益

5．1全寿命成本的构成

5．2地震风险成本

5．2．1直接经济损失

5．2．2间接经济损失

5．3桥址场地的地震危险性

5．4各设防烈度的效益

5．4．1抗震设防投入

5．4．2效益对比

5．5本章小结

第六章结论与展望

6．1全文总结

6．2研究展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士期间发表的文章

攻读硕士期间参与的科研项目