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网壳结构的概率地震易损性分析

钟杰  
【摘要】:网壳结构作为大跨度空间网格结构的主要结构形式之一,被广泛应用于综合文体中心、大型交通枢纽车站及航站楼、集群式工业厂房等基础设施。我国地震灾害严重,量大面广的网壳结构面临着严重的地震威胁。大跨度空间结构一旦发生破坏或倒塌,将造成严重的人员伤亡、经济损失或社会影响。我国现行抗震设计规范采用多级设计的思想,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”,其实质是性能化设计的雏形,但该设计思想不能考虑到中小地震时结构或非结构构件的破坏程度及由此导致的经济损失,远远不能满足社会和公众对结构抗震性能的需求。本文以基于性能的多水准化抗震设计及地震风险评估为研究背景,对典型的大跨度空间网格结构——单层球面网壳和单层柱面网壳进行地震易损性分析,一方面可为网壳结构的多水准性能化设计奠定理论基础,另一方面则为地震灾害损失的快速预测与评估及地震巨灾保险制度的实施提供技术支持。具体来说,本文的研究工作如下:(1)以平均模态应变能系数作为振型贡献指标,将其值大于0.01的振型定义为网壳结构线弹性地震响应的主导振型。以20条真实地震动记录作为输入,分别考虑4种地震动输入情况:仅X向、仅Y向、仅Z向和三向地震动同时输入,对单层球面网壳和单层柱面网壳的主导振型进行识别。在此基础上,采用振型分解反应谱法和CQC振型组合方法计算网壳结构仅考虑主导振型、前30阶及前250阶振型三种情况的地震效应组合值,并将其与时程分析结果进行对比,以验证该识别方法的可行性。(2)基于网壳结构的主导振型,提出了可同时考虑更多结构自振特性和地震动频谱成分的地震动强度参数Sa,dom(T_1~d,T_2~d,...,T_i~d,...T_N~d,(ζ))(简记为Sa,dom),该地震动强度参数表示为结构各主导振型对应地震动加速度反应谱值的几何加权平均数,其中各阶主导振型的平均模态应变能系数作为相应的权值。选取了11个常见的地震动强度参数,从与网壳结构非线性地震响应的相关性、有效性、充分性等方面与本文提出的地震动强度参数进行综合对比,并对Sa,dom 的地震危险可计算性进行了讨论。(3)确定了网壳结构地震易损性分析中历史地震动记录的选取原则及合理输入数目,并从太平洋地震工程研究中心“下一代衰减模型”强震数据库中选取了 40条远场地震动记录来考虑易损性分析中的地震动不确定性。总结了网壳结构有限元建模中13个随机参数的概率分布模型,并通过单参数敏感性分析获得了表征13个随机参数敏感性大小的“龙卷风图”。在此基础上,采用Sobol'法和拉丁超立方抽样方法对5个主要的随机参数进行了全局敏感性分析,获得了 5个参数各自对结构响应的贡献率。(4)从结构滞回耗能的角度出发,提出了基于地震能量需求的结构损伤指标DIE,该指标定义为地震能量需求与结构耗能能力的比值,其中地震能量需求即为结构在地震过程中的总滞回耗能,可通过对结构的加速度响应时程进行连续小波变换等效获得。以高效的拉丁超立方抽样方法对5个主要的结构随机参数进行抽样,以40条远场地震动作为输入,对18个不同矢跨比及屋面质量的单层球面网壳和单层柱面网壳的720个随机样本进行动力荷载域全过程分析,对分析结果进行统计,基于损伤指标DIE建立了不同网壳结构的概率地震需求模型、概率抗震能力模型和概率倒塌能力模型,并获得了网壳结构不同性能水准的地震易损性曲线。(5)基于文献中己有的近场速度脉冲型地震动判别方法,选取了 40条包含速度脉冲分量的近场地震动,并将其作为输入,考察了单层球面网壳和单层柱面网壳在近场速度脉冲型地震动作用下的位移和轴力响应;对网壳结构进行动力荷载域全过程分析,建立了网壳结构在近场速度脉冲型地震动作用下的概率地震需求模型、概率抗震能力模型和概率倒塌能力模型,并与远场地震动作用下的分析结果进行对比。


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