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单层球面网壳结构地震概率风险评估研究

高广燕  
【摘要】:以基于性态的抗震设计思想为基础、以力学分析与经济学理论为工具、以减小结构生命周期总投资为主要目标的结构地震概率风险评估,代表了当前抗震应用研究的主要发展方向。在多高层等普通建筑结构以及桥梁结构领域,地震概率风险评估方法及应用的研究已经取得了较为丰富的理论成果,在一些结构抗震设计规范中也有所体现。但是,大跨空间结构的地震行为及强震破坏机理更为复杂并具有自身特点,多高层结构的研究成果并不适用;且由于大跨空间结构往往是一个地区或城市的地标性建筑,具有重要的社会意义与经济价值,开展其在地震作用下的风险评估理论研究、为准确评估地震风险或为初始建设投资提供决策依据,显得尤为迫切。本文以大跨空间结构的一种典型形式——凯威特型单层球面网壳结构为研究对象,进行了地震易损性以及风险评估研究,主要研究内容及成果如下: (1)单层球面网壳结构在地震作用下的参数敏感性 统计归纳了与单层球面网壳在地震作用下结构响应相关的各结构参数的概率分布模型,包括钢材屈服强度、弹性模量、泊松比,杆件管径和壁厚以及屋面荷载等。为减少地震易损性分析中需考虑的随机性因素,对网壳结构的各结构参数进行了敏感性分析。以结构的最大位移及塑性发展深度等典型结构响应为评价指标,确定了各参数变化对结构响应影响的大小。计算了结构响应对各结构参数的变异系数,并与结构响应对地震动的变异系数进行了比较,得出可将屋面质量以及钢材屈服强度和弹性模量视作随机性因素而其它参数视作确定性因素的结论。同时对结构初始几何缺陷的影响进行了分析,根据规程中关于网壳结构施工验收的规定,取跨度的1/1500作为初始几何缺陷值,可得出在易损性分析中将初始几何缺陷作为确定性因素考虑的结论。 (2)单层球面网壳地震易损性分析 简要阐述了建筑结构地震易损性分析的基本原理,考察了表征单层球面网壳结构损伤程度的指标以及适合于单层球面网壳结构的性态水准划分方法,在此基础上提出了单层球面网壳结构地震易损性分析的方法及步骤。对三个典型无下部支承结构的单层球面网壳模型进行了地震易损性分析:对随机参数进行了Monte-Carlo模拟,并在PEER数据库和CSMNC数据库中选取了80条地震动,形成了80个结构-地震动样本对,通过对样本对数值模拟结果的分析,评价了三个网壳结构的地震易损性。 (3)单层球面网壳地震概率风险评估 简要阐述了建筑结构地震概率风险评估的方法和步骤,对上一部分中的三个网壳结构依次进行了场地危险性分析、地震易损性分析,地震概率损伤分析以及经济损失及人员伤亡估计。最后,以一40m跨度的单层球面网壳结构音乐厅为例,通过对改变杆件截面的几种结构设计方案结构生命周期总投资(初始造价、检修维护费用以及地震经济损失之和)的计算,得到了适合于各烈度区的最小投资方案,该算例也体现了网壳结构地震概率风险评估的重要意义和价值。


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