結構易損性分析

結構易損性分析S130110141姓名：楊求主講內容一.結構易損性概念、現(xiàn)狀及問題二.結構地震易損性分析基本原理三.結構易損性分析計算方法四.鋼筋混凝土結構易損性分析五.基于可靠度和性能的結構整體地震易損性分析1.結構易損性：在不同強度地震作用下工程結構發(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構的杭震性能，從宏觀的角度描述地震動強度與結構破壞程度之間的關系2.國內外研究進展：（1）核電站工程方面的研究進展（2）建筑工程方面的研究進展（3）橋梁工程方面的研究進展（4）生命線工程方面的研究進展結構易損性概念、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隨機性解決方法：用多物理量來代表地震動的輸人（2）地震易損性的破壞準則問題（強度破壞準則、變形破壞準則、能量破壞準則、變形和能量雙重破壞準則等）：同一個結構，在不同破壞準則下，有時會出現(xiàn)易損性分析結果相差很大的情況解決方法：雙參數(shù)損傷指標來描述結構破壞狀態(tài)（3）地震易損性的分析類型問題（解析的易損性分析、經(jīng)驗的易損性分析）：解析的易損性分析計算量巨大，經(jīng)驗的易損性分析過于依賴專家的經(jīng)驗，造成分析結果的過于簡化，可信度不高解決方法：結合兩類分析方法（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、基于隨機振動理論的動力可靠度分析方法對理論假設要求較高，數(shù)學推導過程較嚴格，預測結果驗證較困難解決方法：結合結構有限元分析和可靠度分析結構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度和建筑物震害關系的分析，地震易損性分析的基本原理如下圖：結構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):結構反應、破壞極限狀態(tài)界限值和地震動強度指標。其表達式如下:

式中：ＦＲ為地震易損性；Ｐ為失效概率，Ａ為地震動強度指標；ａ為地震強度；ＬＳ為結構的性能水平，上式定義的是結構的整體易損性。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。在分析結構的地震易損性時，要知道場地的地震特性和結構恢復力特性，然后根據(jù)結構響應結合破話標準來評估分析結構的地震易損性性能。結構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構局部地震易損性的可靠度表達式：式中：β為結構的可靠指標；為標準整體隨機變量的累積分布函數(shù)。采用該式計算結構地震易損性的優(yōu)點就是每次改變θ時，只需要進行一次結構可靠度分析即可，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對應的一個易損性值，需要進行很多次的非線性有限元分析。

（2）結構易損性曲線分析方法用不同PGA(地震峰值加速度)水平下的結構極限狀態(tài)概率表示結構的抗震易損性。在一個固定的時間間隔內，求出結構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］內發(fā)生跨越的概率。結構系統(tǒng)的極限狀態(tài)概率：

表示結構系統(tǒng)的極限狀態(tài)概率

是結構第?層的極限狀態(tài)概率針對不同的PGA水平，采用重復計算結構的極限狀態(tài)頻率，就可以形成條件失效概率與PGA的關系曲線（結構易損性曲線）2.橋梁地震易損性分析方法：（1）易損性曲線法：橋梁結構的易損性曲線根據(jù)其獲取方法分為經(jīng)驗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，后者通過對橋梁結構的地震動響應分析而得到。在獲得橋梁結構的地震易損性曲線后，就可以對該類橋梁在不同強度地震作用下的破壞狀態(tài)進行評估和分析（2）經(jīng)驗統(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)《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTJ004-89)中的有關規(guī)定計算橋梁主要結構構件的地震作用，然后將地震作用效應與恒載效應組合，得到結構構件的內力，并與結構構件的極限荷載相比較，從而給出橋梁結構的震害等級。該方法的一般公式為：式中:K為結構抗震安全系數(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)法計算的結構抗力函數(shù);R為材料強度值,γm為材料安全系數(shù)，γm=1.0-1.5；Sd為荷載效應函數(shù)，G為永久荷載，E為結構地震作用。鋼筋混凝土結構易損性分析1.鋼筋混凝土建筑物的易損性預測：鋼筋混凝土建筑物的震害頂測通常是根據(jù)對各個構件的延性要求進行的。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件的破壞也是很嚴重的。依據(jù)1979年Montengro地震中，對4萬多建筑物的震害分類，進行了詳細的分析，以建立經(jīng)驗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、加固的費用，和新建的抗震建筑物的費用。在第一類建筑物中，研究了4個類型的沒有進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行了詳細的分析。

2.鋼筋混凝土結構易損性破壞指數(shù)：破壞指數(shù)是描述結構或構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）預測災害方面（2）震后損失估計方面4.鋼筋混凝土框架結構地震破壞機理：地震作用下，框架結構首先在彈性范圍內工作，結構不產(chǎn)生破壞，在強烈地震作用下，結構端部出現(xiàn)局部混凝土被壓碎，鋼筋屈服等現(xiàn)象，形成塑性鉸，而后進入破壞狀態(tài)，部分構件失效后退出工作，結構內力進行重新分配，這時，整體結構并沒有倒塌，坍塌，最后因失穩(wěn)而整體倒塌?；诳煽慷群托阅艿慕Y構整體地震易損性分析

地震易損性分析可以給出結構在不同強度地震下發(fā)生各級破壞的概率。因此對結構進行易損性分析既可以用于震前災害預測，設計人員也可以根據(jù)結構易損性的不同，有針對性地提高結構的抗震能力，又可以用于震后損失評估，為估計地震損失提供依據(jù)。

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

性能設計的目的:在不同風險水平設防的地震荷載作用下設計不同重要程度的工程結構系統(tǒng)，使其具有滿足不同功能要求的性能水準，在可能的經(jīng)濟條件下最大限度地減輕地震災害造成的破壞和損失。性能設計的核心問題之一:確定結構的多級抗震性能目標，它是聯(lián)系結構設計師與業(yè)主和社會公眾之間的橋梁和紐帶?？拐鹦阅苣繕耸堑卣鹪O防水準和結構性能水準的函數(shù)，地震設防水準是根據(jù)客觀的設防環(huán)境和既定的設防目標并考慮具體的社會經(jīng)濟條件而采用的帶有一定概率保證率的地震動強度參數(shù)，而結構性能水準則是與每一級地震設防水準相對應的期望的結構最大破壞程度。結構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構在不同強度地震下發(fā)生各級破壞的概率。因此對結構進行易損性分析既可以用于震前災害預測，設計人員也可以根據(jù)結構易損性的不同，有針對性地提高結構的抗震能力，又可以用于震后損失評估，為估計地震損失提供依據(jù)。鋼一混凝土組合結構是一種新型的結構形式，充分利用了鋼結構和混凝土結構的各自優(yōu)點。雖然在地震區(qū)越來越多地采用這種新型的結構體系，但迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)文獻對鋼一混凝土組合結構的地震易損性進行過研究。以十五層的組合梁一方鋼管混凝土柱框架結構為例進行地震易損性分析

首先給出一種基于性能的結構整體地震易損性分析方法。(如下圖1所示)然后，定義了基于構件的結構抗震性能水平，建立結構破壞等級與性能水平的對應關系，并根據(jù)結構中承重構件的破壞狀態(tài)確定了以層間位移角做為量化性指標的取值。通過對1280個結構一地震動樣本進行概率地震反應分析，獲得了對應于不同PGA的結構反應的對數(shù)正態(tài)概率密度函數(shù)。計算對應于不同P