鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的概率地震易損性與風險分析.pdf

1、近年來,以控制地震風險和地震損失為目標的新一代基于性能地震工程(Performance-BasedEarthquakeEngineering,PBEE)正成為國際地震工程領(lǐng)域的研究熱點。由于地震災(zāi)害和工程結(jié)構(gòu)本身均具有強烈的隨機性和不確定性,因此美國太平洋地震工程研究中心(PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter,PEER)提出了基于全概率表達式的新一代PBEE概率決策框架。該框架以概率地震風

2、險為研究目標,將概率地震危險性、概率地震易損性和概率地震損失作為主要研究內(nèi)容。
　　為了適應(yīng)基于性能地震工程(PBEE)的發(fā)展趨勢,我國編制完成了《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則(試用)》。最新頒布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50010-2010》也在構(gòu)件層次提出了基于性能的抗震設(shè)計方法。但是,上述文獻均采用的是第一代確定性的基于性能的抗震設(shè)計思想,基于全概率的PBEE在我國尚未得到廣泛的研究。此外,2008年汶川特大地震也啟示我們:即使按

3、現(xiàn)行抗震規(guī)范進行設(shè)計的結(jié)構(gòu),在發(fā)生超過預(yù)期的罕遇地震甚至“巨震”時也有發(fā)生倒塌的可能性。因此,對按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行地震安全與風險評估,對于進行科學(xué)的抗震加固和防震減災(zāi)規(guī)劃具有重要的理論和實際意義?；谏鲜鲈?本文以按我國規(guī)范設(shè)計的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象,以概率地震風險為研究目的,以概率地震易損性為主要研究內(nèi)容,從不確定性傳遞的角度,采用解析函數(shù)和高效隨機模擬方法,對概率地震易損性和風險分析進行了理論和應(yīng)用研究。本文的主要研

4、究內(nèi)容如下:
　　1)按照我國規(guī)范,設(shè)計了23個不同高度、不同設(shè)防烈度的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為“索引原型(indexachetype)結(jié)構(gòu)”,并在OpenSees中對結(jié)構(gòu)進行了有限元建模。通過與鋼筋混凝土構(gòu)件(柱)和結(jié)構(gòu)整體的實驗結(jié)果對比,驗證了本文所建立OpenSees模型的合理性。
　　2)將降維積分與Nataf變換相結(jié)合,提出了一種考慮隨機變量邊緣分布和相關(guān)性信息的點估計法,并提出了一種新的靈敏度參數(shù)。通過三個數(shù)值算例

5、研究表明:本文提出的點估計法的精度滿足要求,提出的靈敏度參數(shù)可以合理地描述隨機變量在標準正態(tài)空間的變化對模型反應(yīng)的影響。
　　3)選取了100條實際地震動作為輸入,對60個地震動強度參數(shù)和6個結(jié)構(gòu)反應(yīng)參數(shù)進行了地震動強度參數(shù)的概率評價。分別采用云圖法和條帶法建立了單體結(jié)構(gòu)的概率地震需求模型,驗證了地震需求與地震動強度之間對數(shù)線性關(guān)系的合理性。針對傳統(tǒng)概率地震需求模型無法考慮倒塌狀態(tài)對地震需求影響的缺點,提出了考慮倒塌狀態(tài)的概率地震

6、需求模型修正方法。提出了群體結(jié)構(gòu)概率地震需求分析的云圖-條帶法,建立了群體結(jié)構(gòu)的概率地震需求模型。
　　4)提出了在結(jié)構(gòu)Pushover曲線上定義非倒塌極限狀態(tài)閾值的構(gòu)件-整體混合損傷控制原則。考慮結(jié)構(gòu)不確定性的影響,基于本文提出的點估計法,提出了一種隨機Pushover方法來進行非倒塌極限狀態(tài)的概率抗震能力分析?？紤]地震動和結(jié)構(gòu)不確定性的影響,提出了基于均值一次二階矩法(MVFOSM)的隨機增量動力分析(IDA)方法,以評估強震

7、作用下結(jié)構(gòu)的概率抗倒塌能力。采用隨機Pushover方法和隨機IDA方法,建立了23個索引原型結(jié)構(gòu)的概率抗震能力模型。基于單體結(jié)構(gòu)概率抗震能力分析結(jié)果,統(tǒng)計獲得了群體結(jié)構(gòu)的抗震能力概率分布特征,并對本文定義的四種極限狀態(tài)閾值進行了概率評價。
　　5)證明了基于地震動強度和基于結(jié)構(gòu)位移的概率地震易損性函數(shù)的一致性。從不確定性傳遞的角度,推導(dǎo)了考慮本質(zhì)不確定性的概率地震需求易損性和概率地震損傷易損性的解析函數(shù),以及考慮知識不確定性的概

8、率地震易損性點估計和區(qū)間估計解析函數(shù),并獲得了概率地震易損性點估計函數(shù)的置信度水平。利用解析概率地震易損性函數(shù),得到了索引原型結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線,并計算了結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和破壞狀態(tài)失效概率。提出了一種定量描述結(jié)構(gòu)地震安全的指標:安全裕度比,并對索引原型結(jié)構(gòu)在不同極限狀態(tài)下的安全裕度進行了概率評價。生成了與HAZUS軟件相容的地震易損性曲線,并與HAZUS軟件建議的地震易損性曲線進行了對比分析。對傳統(tǒng)的地震易損性模型進行了考慮倒塌狀態(tài)的模

9、型修正。進行了群體結(jié)構(gòu)的概率地震易損性分析,并與單體結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線進行了對比分析。
　　6)基于概率地震易損性函數(shù),采用經(jīng)典的冪指數(shù)形式的概率危險性函數(shù),推導(dǎo)了考慮本質(zhì)和知識不確定性的概率地震風險的解析函數(shù)。在概率地震易損性分析的基礎(chǔ)上,采用概率地震風險解析函數(shù),分別在地震需求和地震損傷層次進行了索引原型結(jié)構(gòu)的概率地震風險分析。為評估按我國規(guī)范設(shè)計的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震概率安全水平,進一步計算了索引原型結(jié)構(gòu)在使用期(50