結構整體可靠度方法及RC框架非線性整體抗震可靠度分析.pdf

1、基于性能的地震工程(Performamance-Based Earthquake Engineering, PBEE)和基于性能的抗震設計(Performance-Based Seismic Design, PBSD)是美國太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research, PEER)提出的新一代抗震設計理念、方法與技術,得到了全球地震工程界的研究者和工程師們的熱烈響應。由于地震的發(fā)

2、生在時間、空間和強度上具有強烈的隨機性,地震地面運動具有隨機過程和隨機場特性;另外,工程結構的地震需求和抗震能力方面都存在大量的不確定性,因此將PBEE和PBSD建立在基于結構可靠度理論的概率設計方法之上非常必要,基于可靠度理論的概率抗震性能評估也成為PBEE和PBSD的主要研究內容之一。
　　結構體系的抗震可靠度是對結構概率地震風險評定的定量衡量,近年來出現(xiàn)了利用結構整體極限狀態(tài)來近似計算結構體系可靠度的趨勢,新一代PBEE也將

3、基于結構整體可靠度的地震風險作為主要的研究目標?；谏鲜鲈?本文分別從基本變量模型和狀態(tài)變量模型入手,發(fā)展了兩類高效的整體可靠度方法——廣義一次可靠度方法(first order reliability method, FORM)和改進高階矩法(higher order moment method, HOMM);然后以按我國規(guī)范設計的鋼筋混凝土框架結構為研究對象,以結構整體抗震可靠度為主要研究內容,以結構整體抗震安全性評估為研究目的,

4、分別針對承載能力、變形能力、地震損傷和連續(xù)倒塌四種整體極限狀態(tài)方程,采用所提出的廣義FORM和改進HOMM方法,對結構整體的抗震可靠性和魯棒性進行了系統(tǒng)深入的研究。本文的主要研究內容如下:
　　1)將基于正態(tài)分布的 Nataf變換拓展到基于 Copula函數(shù)的廣義 Nataf變換,提出了基于廣義 Nataf變換的擴展一次可靠度方法(Extended FORM, EFORM),該方法可以有效地考慮隨機變量之間的非線性相關性;在此基礎

5、上,提出了考慮參數(shù)不確定性的模糊一次可靠度方法( Fuzzy FORM, FFORM);針對結構整體可靠度的基本變量模型,在 MATLAB平臺和OpenSees軟件上實現(xiàn)了基于廣義 FORM(EFORM和 FFORM)的結構整體可靠度分析。算例分析表明,本文提出的廣義 FORM法可以有效地考慮隨機變量之間的非線性相關性和隨機變量參數(shù)的不確定性。
　　2)基于廣義 Nataf變換,提出了一種考慮隨機變量邊緣分布和相關性信息的改進點估

6、計法;將改進點估計法與最大熵方法相結合,提出了改進的高階矩法( HOMM);針對結構整體可靠度的狀態(tài)變量模型,實現(xiàn)了基于改進HOMM的結構整體可靠度分析。算例分析表明,本文提出的改進 HOMM法不僅具有與FORM相同的精度,而且計算效率比FORM高。
　　3)按照我國規(guī)范,在同一設防烈度下設計了三個不同高度的鋼筋混凝土框架結構作為研究對象,并在 OpenSees中對結構進行了有限元建模。通過與鋼筋混凝土構件(柱)和結構整體的實驗結

7、果對比,驗證了本文所建立OpenSees模型的合理性。對此三個結構進行了確定性的抗震性能分析,得到了其主要的抗震性態(tài)特征。
　　4)建立了鋼筋混凝土框架結構的整體承載能力極限狀態(tài)方程;將廣義FORM和改進 HOMM方法分別與確定性 Pushover方法相結合,提出了基于FORM的設計點 Pushover方法和基于改進點估計法的隨機 Pushover方法,對比分析表明,兩種方法具有較好的一致性;將兩種方法應用于鋼筋混凝土框架結構整體

8、承載能力極限狀態(tài)的非線性靜力抗震可靠度分析,得到了結構整體承載能力極限狀態(tài)抗震可靠度指標及靈敏度指標的變化規(guī)律,獲得了基于整體承載能力的靜力地震易損性曲線。
　　5)建立了鋼筋混凝土框架結構的整體變形能力極限狀態(tài)方程;將廣義FORM和改進HOMM方法分別與確定性能力譜法相結合,提出了基于FORM的設計點能力譜法和基于改進點估計法的隨機能力譜法,對比分析表明,兩種方法具有較好的一致性;將兩種方法應用于鋼筋混凝土框架結構整體變形能力極

9、限狀態(tài)的非線性靜力抗震可靠度分析,得到了結構整體變形能力極限狀態(tài)抗震可靠度指標及靈敏度指標的變化規(guī)律,獲得了基于整體變形能力相應于不同破壞狀態(tài)的靜力地震易損性曲線。
　　6)建立了鋼筋混凝土框架結構的整體地震損傷極限狀態(tài)方程,提出了基于點估計法的結構動力反應概率密度演化方法;采用20條實際地震動和兩種人工地震動,同時考慮地震動和結構的隨機性,采用點估計法進行了結構整體動力反應分析及其參數(shù)靈敏度分析,得到了結構整體變形反應和整體損傷

10、指標的概率密度演化曲線,采用改進 HOMM方法、首次超越準則以及累積損傷準則,對基于整體損傷指標的地震損傷極限狀態(tài)進行了非線性動力抗震可靠度分析,得到了結構整體地震損傷極限狀態(tài)抗震可靠度指標的變化規(guī)律。
　　7)從“偶然事件”、“局部損傷”、“不成比例破壞”和“失效后果”四個方面給出了結構魯棒性的新定義;建立了鋼筋混凝土框架結構的整體連續(xù)倒塌極限狀態(tài)方程;提出了基于構件抗震可靠度分析的結構最可能失效構件識別方法;將改進點估計法分別

11、與確定性的靜力 Pushdown分析(PDA)和豎向增量動力分析(incremental dynamic analysis,IDA)方法相結合,提出了隨機Pushdown分析方法和隨機豎向 IDA方法,采用此兩種方法分別對完好結構和損傷結構的概率抗豎向連續(xù)倒塌能力及參數(shù)靈敏度進行了分析,采用全概率公式得到了考慮地震危險性的結構連續(xù)倒塌失效概率;在此基礎上,利用基于條件可靠度和整體可靠度的魯棒性指標,研究了結構整體抗震魯棒性指標的變化規(guī)律