鋼筋混凝土框架結構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域的研究熱點。由于地震災害和工程結構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容。
　　為了適應基于性能地震工程(PBEE)的發(fā)展趨勢,我國編制完成了《建筑工程抗震性態(tài)設計通則(試用)》。最新頒布的《建筑抗震設計規(guī)范GB50010-2010》也在構件層次提出了基于性能的抗震設計方法。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)范進行設計的結構,在發(fā)生超過預期的罕遇地震甚至“巨震”時也有發(fā)生倒塌的可能性。因此,對按現(xiàn)行規(guī)范設計的結構進行地震安全與風險評估,對于進行科學的抗震加固和防震減災規(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)范設計的鋼筋混凝土框架結構為研究對象,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用研究。本文的主要研

4、究內容如下:
　　1)按照我國規(guī)范,設計了23個不同高度、不同設防烈度的鋼筋混凝土框架結構作為“索引原型(indexachetype)結構”,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變換相結合,提出了一種考慮隨機變量邊緣分布和相關性信息的點估計法,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個結構反應參數(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構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。提出了群體結構概率地震需求分析的云圖-條帶法,建立了群體結構的概率地震需求模型。
　　4)提出了在結構Pushover曲線上定義非倒塌極限狀態(tài)閾值的構件-整體混合損傷控制原則。考慮結構不確定性的影響,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]地震動和結構不確定性的影響,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、作用下結構的概率抗倒塌能力。采用隨機Pushover方法和隨機IDA方法,建立了23個索引原型結構的概率抗震能力模型?；趩误w結構概率抗震能力分析結果,統(tǒng)計獲得了群體結構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構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,推導了考慮本質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),得到了索引原型結構的地震易損性曲線,并計算了結構的極限狀態(tài)和破壞狀態(tài)失效概率。提出了一種定量描述結構地震安全的指標:安全裕度比,并對索引原型結構在不同極限狀態(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。進行了群體結構的概率地震易損性分析,并與單體結構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),采用經典的冪指數(shù)形式的概率危險性函數(shù),推導了考慮本質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構的概率地震風險分析。為評估按我國規(guī)范設計的鋼筋混凝土框架結構的地震概率安全水平,進一步計算了索引原型結構在使用期(50