結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計理念、方法與技術(shù),得到了全球地震工程界的研究者和工程師們的熱烈響應(yīng)。由于地震的發(fā)

2、生在時間、空間和強(qiáng)度上具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性,地震地面運動具有隨機(jī)過程和隨機(jī)場特性;另外,工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可靠度理論的概率設(shè)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(nèi)容之一。
　　結(jié)構(gòu)體系的抗震可靠度是對結(jié)構(gòu)概率地震風(fēng)險評定的定量衡量,近年來出現(xiàn)了利用結(jié)構(gòu)整體極限狀態(tài)來近似計算結(jié)構(gòu)體系可靠度的趨勢,新一代PBEE也將

3、基于結(jié)構(gòu)整體可靠度的地震風(fēng)險作為主要的研究目標(biāo)。基于上述原因,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(jìn)高階矩法(higher order moment method, HOMM);然后以按我國規(guī)范設(shè)計的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象,以結(jié)構(gòu)整體抗震可靠度為主要研究內(nèi)容,以結(jié)構(gòu)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(jìn)HOMM方法,對結(jié)構(gòu)整體的抗震可靠性和魯棒性進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。本文的主要研究內(nèi)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(kuò)展一次可靠度方法(Extended FORM, EFORM),該方法可以有效地考慮隨機(jī)變量之間的非線性相關(guān)性;在此基礎(chǔ)

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jī)變量之間的非線性相關(guān)性和隨機(jī)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(jī)變量邊緣分布和相關(guān)性信息的改進(jìn)點估

6、計法;將改進(jìn)點估計法與最大熵方法相結(jié)合,提出了改進(jìn)的高階矩法( HOMM);針對結(jié)構(gòu)整體可靠度的狀態(tài)變量模型,實現(xiàn)了基于改進(jìn)HOMM的結(jié)構(gòu)整體可靠度分析。算例分析表明,本文提出的改進(jìn) 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(shè)防烈度下設(shè)計了三個不同高度的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)作為研究對象,并在 OpenSees中對結(jié)構(gòu)進(jìn)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)

7、果對比,驗證了本文所建立OpenSees模型的合理性。對此三個結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)的整體承載能力極限狀態(tài)方程;將廣義FORM和改進(jìn) HOMM方法分別與確定性 Pushover方法相結(jié)合,提出了基于FORM的設(shè)計點 Pushover方法和基于改進(jìn)點估計法的隨機(jī) 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(yīng)用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體承載能力極限狀態(tài)抗震可靠度指標(biāo)及靈敏度指標(biāo)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(jié)構(gòu)的整體變形能力極限狀態(tài)方程;將廣義FORM和改進(jìn)HOMM方法分別與確定性能力譜法相結(jié)合,提出了基于FORM的設(shè)計點能力譜法和基于改進(jìn)點估計法的隨機(jī)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(yīng)用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體變形能力極限狀態(tài)抗震可靠度指標(biāo)及靈敏度指標(biāo)的變化規(guī)律,獲得了基于整體變形能力相應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動力反應(yīng)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(jié)構(gòu)的隨機(jī)性,采用點估計法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)整體動力反應(yīng)分析及其參數(shù)靈敏度分析,得到了結(jié)構(gòu)整體變形反應(yīng)和整體損傷

10、指標(biāo)的概率密度演化曲線,采用改進(jìn) HOMM方法、首次超越準(zhǔn)則以及累積損傷準(zhǔn)則,對基于整體損傷指標(biāo)的地震損傷極限狀態(tài)進(jìn)行了非線性動力抗震可靠度分析,得到了結(jié)構(gòu)整體地震損傷極限狀態(tài)抗震可靠度指標(biāo)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(jié)構(gòu)魯棒性的新定義;建立了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體連續(xù)倒塌極限狀態(tài)方程;提出了基于構(gòu)件抗震可靠度分析的結(jié)構(gòu)最可能失效構(gòu)件識別方法;將改進(jìn)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(jié)合,提出了隨機(jī)Pushdown分析方法和隨機(jī)豎向 IDA方法,采用此兩種方法分別對完好結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)的概率抗豎向連續(xù)倒塌能力及參數(shù)靈敏度進(jìn)行了分析,采用全概率公式得到了考慮地震危險性的結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌失效概率;在此基礎(chǔ)上,利用基于條件可靠度和整體可靠度的魯棒性指標(biāo),研究了結(jié)構(gòu)整體抗震魯棒性指標(biāo)的變化規(guī)律