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桥梁结构抗震性能概率性分析方法研究

作　者: 邹中权
导　师: 贺国京；钟新谷
学　校: 中南大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 基于性能的抗震设计桥梁抗震抗震设防标准极限状态延性指标地震危险性曲线人工地震波随机地震动随机反应谱强度折减系数 Pushover方法能量抗震可靠度
分类号: U442.55
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,基于性能的抗震设计已逐步成为工程抗震领域的主要研究课题,无论在建筑工程还是桥梁工程界均受到广泛关注。考虑到地面运动的巨大不确定性和桥梁结构组成几何、材料的随机性,其地震响应和抗震能力均具有随机性的特点,因而桥梁结构基于性能的抗震设计应建立于概率方法之上。本文综合分析、评价了当前工程结构抗震和基于性能抗震设计方法的发展现状及未来发展趋势,考虑地面运动的随机性和结构特性的随机性,对桥梁结构抗震性能的概率性分析方法进行了较为系统的研究。主要对桥梁基于性能的抗震设防标准、钢筋混凝土延性构件抗震性能指标的概率特性、地震危险性曲线的建立、结构随机非弹性响应谱、静力弹塑性分析方法的改进、桥梁结构抗震性能可靠度的分析方法等方面进行了研究,所获得的主要研究成果如下：1)对建立桥梁结构基于性能的抗震设防标准中需要考虑的几个问题进行了探讨,结合国内外各种抗震设计规范中关于抗震设防标准的规定,考虑我国的实际情况,对我国基于性能的抗震设防标准提出了建议,提出了桥梁结构设防地震水准、抗震性能水准、抗震重要性的划分标准及不同桥梁的抗震性能目标。2)对钢筋混凝土延性构件提出了五种损伤状态、四种极限状态的性能水准定义,并从微观上给出各个极限状态的应变控制指标；然后以钢筋和混凝土的力学特性及其统计特性为基础,针对圆截面钢筋混凝土延性构件各个性能等级下的强度及界限变形特征进行概率分析,得到各个性能等级下构件界限性能指标的概率分布特征,提出了便于进行概率性抗震性能分析的构件各级性能指标的回归公式和概率分布模型。3)以地震安全性评价的概率法为基础,利用现行《中国地震动参数区划图》的编图成果,根据地震烈度和地震加速度的统计概率分布公式,建立了一定年限内不同超越概率水平的地震烈度和地震动加速度与基本烈度和基本加速度之间的换算关系,从而获得以规范为基础的地震危险性曲线；同时,推导了以不同年限表达的地震危险性曲线之间的关系。4)对人工合成地震波的方法进行了改进。首先采用精细积分法计算地震波的反应谱,提高了地震波在高频区段的拟合精度,然后采用高次多项式进行地震波的基线校正,使所合成的地震波有效消除了位移和速度的漂移现象。5)以随机地震动模型为基础,确定了与现行《中国地震动参数区划图(GB18306-2001)》的基本加速度分档和场地类别及特征周期分组相容的随机地震动模型参数。进而基于随机振动理论得到与设计规范相容的基于随机地震动模型的随机弹性反应谱。6)利用历次破坏性地震中所获得的1064条强震记录,根据我国的场地类别和设计特征周期分组进行分类,对单自由度弹塑性系统的非线性地震响应进行计算；基于Nassar&Krawinkler所提出的强度折减系数模型,对计算结果进行统计回归分析,获得了与我国设计规范相容的强度折减系数模型。根据所获得的强度折减系数模型对随机弹性反应谱进行折减,从而获得了各种随机非弹性反应谱。7)以Chopra提出的模态Pushover方法为基础,基于地震荷载的Chopra分解和结构能量平衡方程,推得某阶模态荷载作用下结构系统所输入能量全部转化为该阶模态所吸收能量的结论,并推导了增量模态荷载作用下结构能量增量与谱位移增量和谱加速度增量之间的关系,在此基础上提出了基于能量的Pushover方法。采用所提出的方法对一座连续刚构桥进行了抗震性能分析,结果表明所提出的方法适应性较好,可以适用于较复杂结构的非线性抗震性能分析。8)综合运用关于抗震性能划分标准、抗震性能变形控制指标的概率特性、地震危险性分析成果、随机非弹性地震响应的简化计算方法等的研究成果,建立了桥梁结构抗震性能的概率性分析方法。9)以一座实际桥梁为工程背景,对该桥的抗震性能进行了概率性分析,分别计算了确定强度地震作用下和50年基准期内地震作用下各种极限状态的抗震可靠度。结果表明,所提出的方法计算简便,适应性强,避免了传统结构抗震可靠性分析中因需要进行大规模Monte Carlo模拟、计算量过大而导致分析难以进行的困难。所提出的方法可以用于基于变形破坏准则的大震下结构抗震性能的概率性分析。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-35
  1.1 引言  12-15
  1.2 桥梁抗震设计方法的演变  15-22
    1.2.1 第一阶段——基于经验进行抗震设计(1930年以前)  16
    1.2.2 第二阶段——基于静力学理论进行抗震设计(1930—1950年)  16-17
    1.2.3 第三阶段——反应谱法的推广应用(1950—1960年)  17-19
    1.2.4 第四阶段——结构抗震设计方法的飞跃发展(1960—1990年)  19-21
    1.2.5 第五阶段——基于性能的抗震设计方法(1990-现在)  21-22
  1.3 桥梁结构基于性能抗震设计的研究现状  22-28
    1.3.1 桥梁结构基于性能抗震设防标准的研究现状  23-24
    1.3.2 桥梁结构基于性能的抗震设计方法的研究现状  24-25
    1.3.3 桥梁结构非线性抗震性能分析方法的研究现状  25-28
  1.4 发展桥梁结构抗震性能概率性分析方法的必要性  28-31
  1.5 需要解决的关键问题及本文的主要研究内容  31-35
    1.5.1 桥梁结构抗震性能概率性分析方法需要解决的主要问题  31-32
    1.5.2 本文的主要研究内容及章节安排  32-35
第二章桥梁抗震性能与基于性能的抗震设防标准  35-51
  2.1 引言  35
  2.2 基于性能抗震设防标准的有关概念  35-39
  2.3 桥梁的非结构抗震性能  39-40
  2.4 桥梁结构基于性能的抗震设防标准  40-49
    2.4.1 国内外常用抗震设计规范的抗震设防标准  41-45
    2.4.2 桥梁结构基于性能抗震设防标准的建议  45-49
  2.5 小结  49-51
第三章钢筋混凝土延性构件的抗震性能指标及其概率特性  51-87
  3.1 引言  51-52
  3.2 材料的力学特性及其统计特征  52-58
    3.2.1 混凝土  52-57
    3.2.2 钢筋  57-58
  3.3 构件极限状态的定义  58-61
    3.3.1 基本完好极限状态  59
    3.3.2 轻微破损极限状态  59-60
    3.3.3 损害控制极限状态  60
    3.3.4 倒塌控制极限状态  60-61
  3.4 各种极限状态曲率延性指标的确定性分析  61-74
    3.4.1 分析方法及构件基本参数  61-62
    3.4.2 截面尺寸对分析结果的影响  62-66
    3.4.3 几种极限状态的界限曲率  66-71
    3.4.4 几种极限状态的曲率延性系数  71-74
  3.5 各种极限状态曲率延性指标的概率性分析  74-83
    3.5.1 构件设计参数和基本随机变量取值  74-76
    3.5.2 无量纲界限曲率和曲率延性系数的概率分布特征  76-82
    3.5.3 回归分析  82-83
  3.6 各种极限状态强度指标的概率特性  83-85
  3.7 小结  85-87
第四章地震危险性曲线与人工地震动合成  87-110
  4.1 引言  87-88
  4.2 工程场地地震安全性评价的概率法简述  88-91
    4.2.1 地震安全性评价概率法的基本假定  89-90
    4.2.2 概率法评价地震安全性的基本过程  90-91
  4.3 地震作用的概率分布及其超越概率曲线  91-100
    4.3.1 极值分布的基本理论  91-92
    4.3.2 地震作用的概率分布  92-94
    4.3.3 地震作用的危险性曲线  94-100
  4.4 人工地震动合成  100-109
    4.4.1 三角级数法合成人工地震波的一般过程  101-103
    4.4.2 反应谱计算方法的改进  103-106
    4.4.3 人工合成地震波的基线校正  106-109
  4.5 本章小结  109-110
第五章基于随机地震动模型的随机非弹性反应谱研究  110-138
  5.1 引言  110-111
  5.2 基于随机地震动模型的随机地震反应谱  111-122
    5.2.1 随机地震动模型  111-113
    5.2.2 随机地震动模型参数的确定  113-119
    5.2.3 随机地震反应谱  119-122
  5.3 强度折减系数的研究  122-134
    5.3.1 已有的强度折减系数模型  123-128
    5.3.2 地震记录的选取及其分类  128-129
    5.3.3 分析方法  129
    5.3.4 统计平均意义上的强度折减系数谱  129-131
    5.3.5 回归分析  131-134
  5.4 随机非弹性反应谱  134-137
  5.5 本章小结  137-138
第六章抗震性能分析的静力弹塑性方法及其改进  138-168
  6.1 引言  138-139
  6.2 静力弹塑性分析方法简介  139-150
    6.2.1 基本原理和假定  139-140
    6.2.2 实施步骤  140-141
    6.2.3 侧向荷载模式  141-144
    6.2.4 目标位移的求解  144-149
    6.2.5 在桥梁工程中应用的有关问题  149-150
  6.3 考虑高阶振型影响的静力弹塑性方法  150-157
    6.3.1 关于静力弹塑性分析中高阶振型影响的讨论  150-151
    6.3.2 模态Pushover方法  151-156
    6.3.3 其他考虑高阶振型影响的静力弹塑性分析方法  156-157
  6.4 基于能量的模态Pushover方法  157-162
    6.4.1 线弹性系统的能量分解  158-159
    6.4.2 非线性系统的能量分解  159-160
    6.4.3 等效非线性单自由度系统特性的确定  160-162
    6.4.4 结构响应的计算  162
    6.4.5 参振振型的选取  162
  6.5 算例分析  162-166
    6.5.1 工程概况  162-163
    6.5.2 动力特性分析  163-164
    6.5.3 Pushover分析成果  164-166
  6.6 本章小结  166-168
第七章桥梁结构抗震性能的概率性分析  168-182
  7.1 引言  168-169
  7.2 概率Pushover分析方法简介  169-172
    7.2.1 抗力曲线的随机化  169
    7.2.2 目标谱曲线的随机化  169-170
    7.2.3 基于概率Pushover分析的结构体系抗震可靠度评估  170-172
  7.3 大震作用下基于概率Pushover方法的非弹性抗震性能可靠度分析  172-173
  7.4 算例分析  173-181
    7.4.1 工程概况  174
    7.4.2 计算模型  174-175
    7.4.3 概率Pushover分析  175-176
    7.4.4 桥墩抗震性能可靠度分析  176-181
  7.5 本章小结  181-182
第八章总结与展望  182-185
  8.1 主要研究成果  182-183
  8.2 研究展望  183-185
参考文献  185-201
致谢  201-202
攻读学位期间的主要研究成果  202-203

桥梁结构抗震性能概率性分析方法研究

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