結(jié)構(gòu)易損性分析

結(jié)構(gòu)易損性分析S130110141姓名：楊求主講內(nèi)容一.結(jié)構(gòu)易損性概念、現(xiàn)狀及問題二.結(jié)構(gòu)地震易損性分析基本原理三.結(jié)構(gòu)易損性分析計算方法四.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易損性分析五.基于可靠度和性能的結(jié)構(gòu)整體地震易損性分析1.結(jié)構(gòu)易損性：在不同強(qiáng)度地震作用下工程結(jié)構(gòu)發(fā)生各種破壞狀態(tài)的條件概率，它可以從概率的意義上定量地刻畫結(jié)構(gòu)的杭震性能，從宏觀的角度描述地震動強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)破壞程度之間的關(guān)系2.國內(nèi)外研究進(jìn)展：（1）核電站工程方面的研究進(jìn)展（2）建筑工程方面的研究進(jìn)展（3）橋梁工程方面的研究進(jìn)展（4）生命線工程方面的研究進(jìn)展結(jié)構(gòu)易損性概念、現(xiàn)狀及問題3.存在問題及解決方法：（1）地震易損性輸入?yún)?shù)問題（三類參數(shù)：宏觀物理量、地震動參數(shù)、反應(yīng)譜參數(shù)）：單純采用某一個物理量作為地震動的輸人無法完全描述地震動的強(qiáng)隨機(jī)性解決方法：用多物理量來代表地震動的輸人（2）地震易損性的破壞準(zhǔn)則問題（強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則、變形破壞準(zhǔn)則、能量破壞準(zhǔn)則、變形和能量雙重破壞準(zhǔn)則等）：同一個結(jié)構(gòu)，在不同破壞準(zhǔn)則下，有時會出現(xiàn)易損性分析結(jié)果相差很大的情況解決方法：雙參數(shù)損傷指標(biāo)來描述結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)（3）地震易損性的分析類型問題（解析的易損性分析、經(jīng)驗(yàn)的易損性分析）：解析的易損性分析計算量巨大，經(jīng)驗(yàn)的易損性分析過于依賴專家的經(jīng)驗(yàn)，造成分析結(jié)果的過于簡化，可信度不高解決方法：結(jié)合兩類分析方法（4）地震易損性的分析方法問題：基于非線性動力時程分析的蒙特卡洛模擬法計算量太大、基于隨機(jī)振動理論的動力可靠度分析方法對理論假設(shè)要求較高，數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程較嚴(yán)格，預(yù)測結(jié)果驗(yàn)證較困難解決方法：結(jié)合結(jié)構(gòu)有限元分析和可靠度分析結(jié)構(gòu)地震易損性分析基本原理常說的地震易損性分析是指對地震強(qiáng)度和建筑物震害關(guān)系的分析，地震易損性分析的基本原理如下圖：結(jié)構(gòu)地震易損性通常采用易損性系數(shù)、破壞概率矩陣或易損性曲線來表示。在易損性分析中，涉及三個參數(shù):結(jié)構(gòu)反應(yīng)、破壞極限狀態(tài)界限值和地震動強(qiáng)度指標(biāo)。其表達(dá)式如下:

式中：ＦＲ為地震易損性；Ｐ為失效概率，Ａ為地震動強(qiáng)度指標(biāo)；ａ為地震強(qiáng)度；ＬＳ為結(jié)構(gòu)的性能水平，上式定義的是結(jié)構(gòu)的整體易損性。若建筑物在地震中全部倒塌，則易損性值為1;反之，若建筑物在地震中完好無損，則易損性值為０。在分析結(jié)構(gòu)的地震易損性時，要知道場地的地震特性和結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特性，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)合破話標(biāo)準(zhǔn)來評估分析結(jié)構(gòu)的地震易損性性能。結(jié)構(gòu)易損性分析計算方法1.建筑物易損性分析方法：（1）基于可靠度和靈敏度的易損性分析方法結(jié)構(gòu)局部地震易損性的可靠度表達(dá)式：式中：β為結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)；為標(biāo)準(zhǔn)整體隨機(jī)變量的累積分布函數(shù)。采用該式計算結(jié)構(gòu)地震易損性的優(yōu)點(diǎn)就是每次改變θ時，只需要進(jìn)行一次結(jié)構(gòu)可靠度分析即可，具體計算可采用有限元可靠度方法:如果采用蒙特卡洛模擬法，若想得到與參數(shù)θ對應(yīng)的一個易損性值，需要進(jìn)行很多次的非線性有限元分析。

（2）結(jié)構(gòu)易損性曲線分析方法用不同PGA(地震峰值加速度)水平下的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)概率表示結(jié)構(gòu)的抗震易損性。在一個固定的時間間隔內(nèi)，求出結(jié)構(gòu)任一層間位移的最大概率分布函數(shù)，假定跨越水平充分高，求出在時間間隔［０，ｔ］內(nèi)發(fā)生跨越的概率。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的極限狀態(tài)概率：

表示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的極限狀態(tài)概率

是結(jié)構(gòu)第?層的極限狀態(tài)概率針對不同的PGA水平，采用重復(fù)計算結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)頻率，就可以形成條件失效概率與PGA的關(guān)系曲線（結(jié)構(gòu)易損性曲線）2.橋梁地震易損性分析方法：（1）易損性曲線法：橋梁結(jié)構(gòu)的易損性曲線根據(jù)其獲取方法分為經(jīng)驗(yàn)易損性曲線和理論易損性曲線。前者是通過過去地震中的破壞報告分析得來的，后者通過對橋梁結(jié)構(gòu)的地震動響應(yīng)分析而得到。在獲得橋梁結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線后，就可以對該類橋梁在不同強(qiáng)度地震作用下的破壞狀態(tài)進(jìn)行評估和分析（2）經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計法：周神根根據(jù)唐山地震中遭到破壞的272座鐵路橋梁的震害資料，建立了鐵路橋梁的易損性計算公式：朱美珍統(tǒng)計了唐山、海城、通海100多座公路橋梁的震害情況，建立了公路橋梁的非線性易損性計算公式：（3）規(guī)范校核法：規(guī)范校核法是先依據(jù)《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ004-89)中的有關(guān)規(guī)定計算橋梁主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用，然后將地震作用效應(yīng)與恒載效應(yīng)組合，得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，并與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限荷載相比較，從而給出橋梁結(jié)構(gòu)的震害等級。該方法的一般公式為：式中:K為結(jié)構(gòu)抗震安全系數(shù)，γ為橋梁現(xiàn)狀折減系數(shù)，γ=0.5-1.0;Rd為按極限狀態(tài)法計算的結(jié)構(gòu)抗力函數(shù);R為材料強(qiáng)度值,γm為材料安全系數(shù)，γm=1.0-1.5；Sd為荷載效應(yīng)函數(shù)，G為永久荷載，E為結(jié)構(gòu)地震作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易損性分析1.鋼筋混凝土建筑物的易損性預(yù)測：鋼筋混凝土建筑物的震害頂測通常是根據(jù)對各個構(gòu)件的延性要求進(jìn)行的。由許多非彈性循環(huán)引起的低周期疲勞型破壞對鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞也是很嚴(yán)重的。依據(jù)1979年Montengro地震中，對4萬多建筑物的震害分類，進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以建立經(jīng)驗(yàn)的和理論的易損性函效，發(fā)展了兩類建筑物的易損函效，其中考慮到震后建筑物的修復(fù)、加固的費(fèi)用，和新建的抗震建筑物的費(fèi)用。在第一類建筑物中，研究了4個類型的沒有進(jìn)行抗震考慮的建筑系統(tǒng)，在第二類建筑物中，選擇了兩個類型的經(jīng)抗震考慮的鋼筋混凝土建筑進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易損性破壞指數(shù)：破壞指數(shù)是描述結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受到地震時破壞狀態(tài)的無量綱指數(shù)，是特定破壞狀態(tài)的函數(shù)，是人們在地震后對受損建筑做出處理決策的重要理論依據(jù)3.破壞指數(shù)的作用：（1）預(yù)測災(zāi)害方面（2）震后損失估計方面4.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理：地震作用下，框架結(jié)構(gòu)首先在彈性范圍內(nèi)工作，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)端部出現(xiàn)局部混凝土被壓碎，鋼筋屈服等現(xiàn)象，形成塑性鉸，而后進(jìn)入破壞狀態(tài)，部分構(gòu)件失效后退出工作，結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行重新分配，這時，整體結(jié)構(gòu)并沒有倒塌，坍塌，最后因失穩(wěn)而整體倒塌?；诳煽慷群托阅艿慕Y(jié)構(gòu)整體地震易損性分析

地震易損性分析可以給出結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震下發(fā)生各級破壞的概率。因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析既可以用于震前災(zāi)害預(yù)測，設(shè)計人員也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性的不同，有針對性地提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，又可以用于震后損失評估，為估計地震損失提供依據(jù)。

基于性能的抗震設(shè)計理論，于20世紀(jì)90年代中期由美國科學(xué)家和工程師首先提出。

性能設(shè)計的目的:在不同風(fēng)險水平設(shè)防的地震荷載作用下設(shè)計不同重要程度的工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使其具有滿足不同功能要求的性能水準(zhǔn)，在可能的經(jīng)濟(jì)條件下最大限度地減輕地震災(zāi)害造成的破壞和損失。性能設(shè)計的核心問題之一:確定結(jié)構(gòu)的多級抗震性能目標(biāo)，它是聯(lián)系結(jié)構(gòu)設(shè)計師與業(yè)主和社會公眾之間的橋梁和紐帶?？拐鹦阅苣繕?biāo)是地震設(shè)防水準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)的函數(shù)，地震設(shè)防水準(zhǔn)是根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和既定的設(shè)防目標(biāo)并考慮具體的社會經(jīng)濟(jì)條件而采用的帶有一定概率保證率的地震動強(qiáng)度參數(shù)，而結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)則是與每一級地震設(shè)防水準(zhǔn)相對應(yīng)的期望的結(jié)構(gòu)最大破壞程度。結(jié)構(gòu)整體地震易損性計算的有限元可靠度方法

地震易損性分析可以給出結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震下發(fā)生各級破壞的概率。因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析既可以用于震前災(zāi)害預(yù)測，設(shè)計人員也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)易損性的不同，有針對性地提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，又可以用于震后損失評估，為估計地震損失提供依據(jù)。鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，充分利用了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)點(diǎn)。雖然在地震區(qū)越來越多地采用這種新型的結(jié)構(gòu)體系，但迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)對鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的地震易損性進(jìn)行過研究。以十五層的組合梁一方鋼管混凝土柱框架結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行地震易損性分析

首先給出一種基于性能的結(jié)構(gòu)整體地震易損性分析方法。(如下圖1所示)然后，定義了基于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)抗震性能水平，建立結(jié)構(gòu)破壞等級與性能水平的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)結(jié)構(gòu)中承重構(gòu)件的破壞狀態(tài)確定了以層間位移角做為量化性指標(biāo)的取值。通過對1280個結(jié)構(gòu)一地震動樣本進(jìn)行概率地震反應(yīng)分析，獲得了對應(yīng)于不同PGA的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的對數(shù)正態(tài)概率密度函數(shù)。計算對應(yīng)于不同P