基于概率的公路桥梁抗震性能设计理论研究

发布时间：2018-10-14 10:15

【摘要】：基于性能的抗震设计理论提出以来,得到国际上的广泛重视与研究,目前已成为各国工程结构抗震设计规范未来的主要发展方向。考虑到结构抗震性能设计中存在大量的不确定性(如地震动、材料参数、几何参数等),使得基于性能的抗震设计所追求的性能目标没有保障。因此,公路桥梁结构基于性能的抗震设计必须建立在可靠度理论的框架下。在基于概率和性能的抗震设计背景下,本文从设计地震动水平、结构抗震性能水平、基于可靠度的性能目标和概率设计方法等方面介绍了公路桥梁基于概率的抗震性能设计总体框架。重点研究了规则桥梁概率抗震能力模型、概率地震需求模型和在给定性能目标可靠度下性能极限状态方程的建立。主要工作和研究成果如下：(1)针对公路桥梁提出了实用的基于概率的抗震性能设计框架。在该框架中,针对我国现行规范中同一地震区不同抗震设防类别桥梁遭遇的地震危险性不一致的问题,建议设计基准期统一取为100年,取超越概率分别为86%、19%、10%和4%的四级设计地震动水平；考虑桥梁震后预期将发挥的使用功能,将其抗震性能水平按正常通行、有限通行、应急通行和禁止通行等功能要求相应地划分为四个等级；抗震性能目标规定为在给定设计地震动水平下结构超过规定的抗震性能水平的条件概率,以期解决我国公路桥梁的抗震设防目标长期没有规定预期的可靠度的问题；采用结构可靠度分析方法,推导了分项系数与基本变量概率统计特征值、目标可靠度指标之间的函数关系,从而建立了公路桥梁基于概率的抗震性能设计的通用表达式。(2)将公路桥梁中的规则桥梁抗震性能水平划分为四个等级,并从钢筋混凝土桥墩物理损伤角度给出其各性能水平极限状态的控制条件。基于等效集中塑性铰理论,推导了各性能水平极限状态下墩顶侧移率计算公式,并应用183个矩形和77个圆形桥墩拟静力试验结果,通过多元回归分析,得到计算公式中轴压比、剪跨比和配箍特征值的相应系数。考虑计算公式中认知不确定性,采用K-S方法,对各性能水平极限状态下墩顶侧移率概率分布模型进行分析,结果表明,在5%重要性水平下概率分布模型服从对数正态分布。另外,基于本文收集的桥墩拟静力试验数据结果,得到了各性能水平与位移延性系数限值和标准化滞回能量限值的关系。最终建立了便于进行概率性抗震性能设计和评估的规则桥梁概率抗震能力模型。(3)考虑结构损伤由地震作用首次超越和反复累计共同造成的,提出了采用钢筋凝土桥墩标准化塑性变形与标准化累积滞回耗能组合的改进损伤指标。建议的改进损伤指标在钢筋混凝土桥墩开始进入屈服时损伤指标为0,在破坏时损伤指标为1,能够解决Park-Ang损伤指标存在上下界不收敛的问题。基于本文搜集的桥墩拟静力试验数据结果,计算了有限通行和应急通行极限状态下各桥墩改进损伤指标限值,并通过概率性分析得到改进损伤指标限值的概率分布模型及概率特征值。结果表明,在有限通行和应急通行极限状态下,本文所提出的改进损伤指标限值相对于Park-Ang损伤指标离散性显著降低。(4)针对公路桥梁中的规则桥梁,选择三类不同场地共2390条地震动记录,采用增量动力分析方法,计算了8座具有代表性的规则桥梁样本的地震需求。选择阻尼比为5%、与结构基本周期对应的谱加速度作为地震动强度指标,分别选择性能设计参数(墩顶侧移率、位移延性系数、标准化滞回能量和改进损伤指标)作为工程需求参数,考察了各工程需求参数在不同地震动强度水平下的概率分布特征；结果表明,在不同的地震动强度水平下,墩顶侧移率、位移延性系数和标准化滞回能量服从对数正态分布,改进损伤指标服从标准beta分布。通过回归分析,建立了规则桥梁实用的概率地震需求模型；该模型同时适用于三类场地,可大大简化规则桥梁基于概率和性能的抗震设计中的需求计算。(5)在第二章提出的公路桥梁基于概率的抗震性能设计框架下,根据第三章和第四章建立的规则桥梁概率抗震能力模型和概率地震需求模型,采用一次二阶矩理论,推导了基于需求-能力系数的抗震性能设计的极限状态方程,该方程同时考虑了结构地震需求和抗震能力的不确定性,并且可以得到在给定性能目标矩阵可靠指标下需求-能力分项系数的取值。(6)建立了适应我国地震区划的地震危险性曲线,在此基础上,采用全概率理论推导了规则桥梁给定抗震性能水平年平均超越概率的解析表达式。为了便于工程应用,将其转化为基于需求—能力系数的抗震性能设计的极限状态方程。通过对一座规则桥梁的案例分析,表明本文所提出的方法可以方便地进行给定性能目标矩阵可靠指标和给定抗震性能水平年平均超越概率的抗震性能设计,使基于性能抗震设计所追求的性能目标更有保障。
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【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U442.55

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