基于不确定性的钢桁架桥连续倒塌和地震易损性评估

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近年来,桥梁结构因地震、车船撞击和超载等因素发生的多起连续倒塌事件,引起了广大研究人员的关注。目前,针对钢桁架桥的地震易损性研究十分缺乏,关于桥梁连续倒塌的研究不多,特别是考虑结构随机性的钢桁架桥连续倒塌研究,尚未见公开报道。考虑结构材料和地震作用的随机性,本文开展了钢桁架桥的连续倒塌和地震易损性研究工作,提出基于等效非线性静力分析的桥梁结构连续倒塌分析框架和基于评分指标、更新结构模型的桥梁地震易损性计算方法,分析计算了64m铁路标准钢桁梁桥和横琴二桥钢桁拱桥的连续倒塌过程结构响应和地震易损性。本文的主要工作和结论如下:1.考虑结构材料的随机性,提出了钢桁架桥连续倒塌分析的等效非线性静力分析框架,分析计算了64m铁路标准钢桁梁桥和横琴二桥钢桁拱桥在连续倒塌过程中的结构响应。以算例钢桁梁桥为例,分别建立节点刚接、半铰接刚接和弹性连接的平面和空间杆系结构模型,比较了倒塌破坏时桁梁桥的非线性静、动力响应;对比了杆件破坏时长、基于应力和位移的分析等因素对桥梁响应的影响。计算了横琴二桥钢桁拱桥和算例钢桁梁桥的非线性等效动力放大系数和需求能力比,结果表明:钢桁架桥抗连续倒塌的非线性等效动力放大系数为1.1~1.4。2.提出了基于综合桥梁结构构件和部件损伤评分指标的钢桁架桥易损性分析方法,阐述了其计算过程和步骤。考虑地震动和结构材料参数的随机性,采用Open Sees软件,进行了64m铁路标准钢桁梁桥的非线性时程分析,获得其在单向和多向地震波作用以及桥上有车和无车工况下的桁梁桥结构响应,采用基于评分指标的易损性方法和频数统计法计算了其易损性曲线。结果显示,两种方法的变化趋势接近;地震波横向分量是控制钢桁梁桥易损性的关键因素,桥上无列车作用时钢桁梁桥出现严重损伤和完全损伤的概率较低。3.提出了一种用于结构模型修正的改进人工蜂群算法。建议的算法通过引入禁忌目录和混沌搜索增加人工蜂群算法的勘探和开发能力,采用竞标选择提升其全局搜索能力。通过显式测试函数和隐式验证模型的数值算例,验证了建议方法的正确性和高效性。探讨了结构的测点布置、测量误差等因素对结构模型修正结果的影响;最后基于环境振动的实测数据,采用改进的人工蜂群算法和基于贝叶斯的模型修正方法,完成了横琴二桥的结构模型修正,用于其地震易损性分析。4.提出满足“构件—系统”统计意义协调的桥梁结构系统易损性分析方法,采用高效、快速的单变量条件近似法求解系统易损性的失效概率,计算了横琴二桥的支座和桥墩的构件及系统易损性。算例结果表明:横琴二桥的易损部位为边墩支座,主拱桁架结构的损伤概率很低;结构严重和完全损伤时横琴二桥的系统易损性曲线更接近其系统失效概率的上界。
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