基于性能的桥梁抗震设计中地震动强度指标的优化选择研究

摘要

随着全球范围内的地震频发，地震对于人类所带来的破坏也在逐步加大。在地震环境中，与结构抗震性能和地震需求相关的大量不确定因素决定了确定性的方法并不适用于结构抗震。因此，以全概率理论为基础、基于性能的地震工程学理论（Performance-Based Earthquake Engineering，PBEE）已成为国际地震工程和结构抗震领域的研究热点，被公认为未来结构抗震设计理论的发展方向，并已逐渐应用于桥梁抗震设计中，形成了基于性能的桥梁抗震设计理论（Performance-Based Seismic Design，PBSD）。在PBEE和PBSD中，必须要将工程场地处的地震动强度水平作为一个参数进行量化，即地震动强度指标（Intensity Measure，IM），从而描述工程场地的地震活动性，并在桥梁抗震设计中加以应用。而且，PBEE和PBSD理论非常重视地震学与桥梁抗震之间的紧密联系，其第一个分析阶段就是概率地震风险分析(Probabilistic Seismic HazardAnalysis，PSHA)，选择合理的地震动强度指标(IM)，来表征工程场地的地震危险性，并选择符合工程场地实际地震环境和地震风险水平的高质量地震波进行结构动力分析。地震动关键特性的随机性会传递给后续的每一个分析阶段并显著影响到概率地震需求、EDP风险曲线和地震易损曲线等所有重要计算结果。因此，IM和地震波的合理选择，成为整个PBEE和PBSD理论中最基础也是最关键的一环。
　　因此，本文以基于性能的桥梁抗震设计理论为基础，对目前最主要使用的两种单参数IM，即峰值地面运动加速度PGA和谱加速度Sa，进行了对比分析，在此基础上，提出了一种新型多参数IM——基于关键模态周期谱加速度的多参数IM，并开发了与之相应的概率地震风险分析方法。论文的主要工作包括:
　　(1)查阅大量国内外文献资料，对概率地震风险分析、桥梁抗震设计理论、基于性能的地震工程学和桥梁地震易损性分析等方面的研究发展进行系统回顾与总结;
　　(2)采用非规则连续梁桥作为研究对象，对比分析了峰值地面运动加速度PGA和谱加速度Sa分别作为IM时，在基于性能的桥梁抗震设计中的使用效果，发现Sa对于桥梁地震需求预计的精度一般会高于PGA，且PGA对于EDP风险水平的预计会偏于非保守，对桥梁抗震不利;
　　(3)基于以上研究，提出了一种新型多参数IM——基于关键模态周期谱加速度的多参数IM，可以有效考虑到频谱特性、高模态效应等对于结构地震响应的影响，能够显著提高桥梁结构地震需求预计、EDP风险曲线和地震易损性曲线等计算结果的精确性和计算效率。
　　(4)针对基于关键模态周期谱加速度的多参数IM，发展了相应的概率地震风险分析方法，从而有效提高了该新型多参数IM的实用性和可操作性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 地震动关键特性及其概率分布对于结构地震需求的影响研究

1．3 地震动强度指标(Intensity Measure，IM)

1．4 本论文研究的内容及拟解决的问题

第二章 基于PBEE理论的地震动强度指标选择研究

2．1 地震动强度指标选择的评价标准

2．2 概率地震风险分析(Probabilistic Seismic Hazard Analysis，PSHA)

2．3 概率地震需求分析(Probabilistic Seismic Demand Analysis，PSDA)

2．4 本章小结

第三章 单参数地震动强度指标

3．1 概述

3．2 算例分析

3．2．1 算例桥梁有限元模型的建立

3．2．2 算例桥梁的动力特性分析

3．2．3 地震动强度指标的选择

3．2．4 工程需求参数的选择

3．3 概率地震风险分析

3．3．1 峰值地面运动加速度的概率地震风险分析

3．3．2 实际地震波的选择

3．3．3 谱加速度的概率地震风险分析

3．4 概率地震需求分析

3．4．1 采用峰值地面运动加速度作为IM

3．4．2 采用谱加速度作为IM

3．5 工程需求参数风险曲线

3．6 本章小结

第四章 基于关键模态谱加速度的多参数地震动强度指标

4．1 新型多参数地震动强度指标

4．1．1 基于关键模态周期谱加速度的多参数IM

4．1．2 新型多参数IM的概率地震风险分析方法

4．1．3 针对算例桥梁的新型多参数IM计算

4．2 新型多参数IM的概率地震风险分析

4．3 新型多参数IM的概率地震需求分析

4．3．2 概率地震需求预计

4．3．2 概率地震需求模型

4．4 工程需求参数风险曲线

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要研究工作及结论

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况