考虑不确定性的钢筋混凝土桥梁地震易损性研究

摘要

基于性能的地震工程(PBEE)设计方法经过了近20年的发展，理论框架已经日益成熟，并逐渐被各国的抗震设计规范所采纳。与传统的抗震设计方法相比较，基于性能抗震设计(PBSD)最大的特点是，强调用一些容易被大众所接受的变量来量化结构物在地震作用下的响应和性态水平。然而，由于人类目前掌握知识水平的局限性以及事物本身固有的随机性，都不可避免的会涉及到诸多的不确定性问题。如何准确地量化这些不确定性的影响仍是当前的研究热点，也是确保基于性能抗震设计真实可靠的前提。
　　地震易损性分析作为基于性能抗震设计的一个重要中间环节，能够同时将概率地震危险性分析和地震需求分析中的诸多不确定性因素有效地联系在一起，并为最后的地震损失评估提供基础。目前，考虑不确定性的地震易损性分析在建筑和桥梁等工程抗震领域都倍受欢迎。然而，一方面国际上关于桥梁地震易损性分析中不确定性的研究还不完善;另一方面，我国桥梁所处的地质条件、采用的设计规范以及养护条件都有其自身的特点，国外已有的研究成果不一定适合我国的国情。基于以上原因，本文针对钢筋混凝土桥梁这种量大面广的桥梁结构形式，研究了多种不确定性因素在桥梁地震易损性分析过程中的传递效果，并对各种不确定性因素的影响大小进行量化分析。主要研究内容如下:
　　(1)回顾了桥梁地震易损性分析、易损性函数中不确定性分析以及桥梁系统地震易损性分析的研究现状。基于四种常见的理论地震易损性分析方法，讨论了不同易损性函数中不确定性的分类、表现形式以及处理手段，并指出基于“云图法”的易损性函数可以将地震需求和能力涉及的不确定性分开处理，从而使考虑不确定性的地震易损性分析过程更加清晰。
　　(2)基于OpenSEES源代码分析平台建立了算例桥梁的精确有限元模型，并对模型的正确性和合理性进行了校核。针对26种桥梁建模相关的不确定性因素，基于条带分析方法得到了不同构件地震响应的”龙卷风”图，然后进行了参数敏感性分析。研究表明:随着地震动强度的增加，影响地震响应预测值的建模不确定性因素越多;建模不确定性参数对地震响应均值和对数标准差的影响并非完全一致;结构层次和边界条件的不确定性(SU, BU)的影响较大，材料层次不确定性(MU)的影响几乎可以忽略不计。
　　(3)分别选取了100条近场地震波、远场地震波和人工地震波，基于概率地震需求模型(PSDM)研究了地震波库对地震波库的不确定性(BTB)，并指出地震波本身的不确定性无法消除，但可以通过选取合理的地震动参数(IM)尽量减小这种不确定性对PSDM预测精度的影响。本文通过“效率性”、“实用性”和“充分性”等地震动参数(IM)判别标准，研究了三类地震波合理IM的选取。
　　(4)同时考虑桥梁建模相关和地震动相关的不确定性，基于拉丁超立方抽样(LHS)方法研究了多不确定性的联合效应在桥梁地震易损性分析中的传递效果和影响大小。定义了各构件的损伤指标和不同损伤状态的不确定性，然后利用“云图法”建立了不同构件的地震易损性曲线，对算例桥梁的抗震性能进行评估。最后，详细讨论了各种不确定性在桥梁地震易损性分析过程中的作用。
　　(5)提出了适用于多跨连续梁桥的系统可靠度分析模型，并采用传统的界限估计法、Monte-Carlo模拟方法建立了桥梁的系统地震易损性曲线。此外，本文还提出了一种全新的基于条件边缘乘积法(PCM)的系统地震易损性分析框架，并验证了该方法的高效性和准确性。同时，对上述各种桥梁系统地震易损性分析方法的优缺点进行了比较分析。最后，研究了各类不确定性因素对桥梁系统易损性曲线的影响。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 提出问题

1．2 研究背景

1．3 研究现状

1．3．1 桥梁地震易损性分析的研究现状

1．3．2 桥梁地震易损性分析中不确定性的研究现状

1．3．3 桥梁系统易损性分析的研究现状

1．4 本文的主要工作

1．5 本文的组织

第2章 易损性函数中的不确定性参数

2．1 引言

2．2 基于非线性动力分析的易损性函数

2．2．1 “云图法”易损性函数

2．2．2 “需求能力比对数回归法”易损性函数

2．2．3 “缩放法”易损性函数

2．2．4 “极大似然估计法”易损性函数

2．3 易损性函数中的不确定性

2．3．1 桥梁建模相关的不确定性

2．3．2 地震波相关的不确定性

2．3．3 损伤指标的不确定性

2．4 不确定性在易损性函数中的处理方式

2．5 参数对易损性函数的影响

2．5．1 均值变化的影响

2．5．2 对数标准差变化的影响

2．5．3 两参数同时变化的影响

2．6 小结

第3章 桥梁建模相关不确定性的影响分析

3．1 引言

3．2 桥梁非线性分析模型

3．2．1 算例简介

3．2．2 有限元建模

3．3 地震波输入

3．4 桥梁结构建模相关不确定性参数

3．4．1 结构层次的不确定性

3．4．2 材料层次的不确定性

3．4．3 边界参数的不确定性

3．5 建模相关不确定性参数的重要性分析

3．5．1 参数不确定性分析方法

3．5．2 不确定参数分析区间

3．5．3 工程需求参数的确定

3．5．4 基于条带法的敏感性分析方法

3．5．5 不确定性参数敏感性分析结果

3．6 小结

第4章 地震波相关不确定性的影响和评价

4．1 引言

4．2 桥梁概率地震需求分析

4．2．1 概率地震需求模型

4．2．2 地震波的不确定性分析方法

4．3 地震波数据库的选取

4．3．1 历史地震波

4．3．2 人工地震波

4．3．3 地震波的缩放

4．4 不同地震波库的不确定性分析

4．5 基于PSDM的合理地震动参数评价标准

4．5．1 地震动参数分类

4．5．2 合理地震动参数的评价标准

4．6 不同地震波库的合理IM比较和选择

4．6．1 近场地震波的IM评价

4．6．2 远场地震波的IM评价

4．6．3 人工地震波的IM评价

4．7 关于地震动不确定性的讨论

4．8 小结

第5章 考虑不确定性的桥梁地震易损性分析

5．1 引言

5．2 考虑不确定性的地震易损性分析方法

5．2．1 不确定性在地震易损性分析中传递

5．2．2 拉丁超立方抽样(LHS)

5．2．3 考虑不确定性的易损性分析流程

5．3 算例桥梁和地震波选用

5．4 桥梁损伤指标和抗震能力的确定

5．4．1 墩柱损伤指标

5．4．2 支座损伤指标

5．4．3 桥台损伤指标

5．4．4 构件抗震能力及不确定性

5．5 考虑不确定性的桥梁动力响应分析

5．5．1 不确定性分析工况

5．5．2 考虑不确定性的桥梁非线性响应

5．6 桥梁构件地震易损性分析

5．6．1 确定模型的构件地震易损性曲线

5．6．2 建模不确定性因素对构件易损性的影响

5．7 关于易损性函数中不确定性的讨论

5．8 小结

第6章 桥梁系统地震易损性分析方法研究

6．1 引言

6．2 桥梁系统模型与系统可靠度理论

6．2．1 桥梁系统可靠度模型

6．2．2 桥梁系统可靠度理论

6．3 基于界限估计法的桥梁系统易损性分析

6．3．1 一阶界限估计方法

6．3．2 二阶界限估计方法

6．4 基于蒙特卡洛模拟的桥梁系统易损性分析

6．5 基于PCM近似算法的桥梁系统易损性分析

6．5．1 PCM算法介绍

6．5．2 基于PCM系统易损性分析

6．6 关于桥梁系统地震易损性分析方法的讨论

6．7 考虑不确定性的桥梁系统易损性分析

6．8 小结

结论与展望

参考文献

致谢

读研期间论文、科研项目及获奖情况

附录