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基于随机地震作用的结构评估与设计

2011年4月1日,吕大刚教授应李惠教授邀请,在结构健康监测与控制实验室做地震工程可靠度研究现状报告。

吕教授首先梳理基于性能的抗震设计发展。他列举了美国自FEMA 373 、ATC-58规程之后,Pushover 方法和能力谱方法运用于建筑物在地震作用下的位移响应评定。而最终安全情况是绘制各级地震峰值加速度下的失效概率的离散点连线,判断结构在不同地震作用下是否安全。接着考虑地震作用和结构情况的不确定性,以峰值加速度为基本变量,讨论结构安全的条件概率,以层间位移和失效条件概率为轴绘制图形。在此基础上,PEER研究中心【1】提出了建立地震作用模型、结构损伤模型和损失模型【2】三步的结构安全评定原则。

接着吕教授将基于性能的抗震设计与评估分为如下内容,分别讲述:

  1. 结构易损性分析

           结构易损性是在地震烈度为某级别时,荷载需求大于结构能力的条件概率,表达式如下:

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    方程1 .结构易损性概率指标

    其基本图形如下图所示,”Better”、”Worse”是就损伤发生中位值对应的地震烈度较小、因而比较经济而言的:

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    图1 结构易损性概率累计分布示意图

    在ATC-13规程中,依据专家经验,建立了破坏概率矩阵,将结构地震作用后按照功能分为五个阶段,矩阵中元素计算方法为:

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    方程2.结构破坏概率矩阵元素计算

    易损性指数的得出方法有经验易损性、试验易损性和数值模拟易损性。

  2. 地震危险性分析

    场地危险性分析以及如何从场地的危险性过渡到结构的危险性。

    在损失危险性中,主要介绍了两个软件HAZUS-MH Process 和MAEViz。

  3. 结构损伤和倒塌的估计

    局部损伤模型,在Opensees 的Mehanny损伤模型的基础上加以改进。

    两种不同倒塌模式的区分与分别提出方法。

    1. 侧增量倒塌
    2. 竖向连续倒塌

      提出了Push Down的方法,分析倒塌过程中塑性铰的发展过程。 此外有评价倒塌安全性的指标:

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    方程3.倒塌安全性评价指标

    主要的倒塌模型建立依赖于 IDA(Incremental Dynamic Analysis) 。

  4. 结构在地震作用下鲁棒性分析

    鲁棒性的定义:

    提高结构鲁棒性的做法有如下几种:

    • 事件控制法
    • 间接控制法
    • 直接设计法:特殊局部抗力法
  5. 基于风险评估的全寿命设计
  6. 基于力的抗震设计的再认识

    我国现行抗震规范讲究三阶段两水准,将小震作用下的地震作用换算成力,加入到结构设计荷载中,落实到构件的破坏荷载设计中。形成了构件的弹塑性设计和结构的弹性设计这种不对应的局面,示意图如下:

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    图2.小震设计存在的问题

    吕教授准备申请一自然科学基金面上项目,对现有规范的折算水平进行认识。

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