一种强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法技术

本发明专利技术公开了一种强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法，包括：S1、构建双槽渡槽结构的精细化纤维梁单元数值模型；S2、基于精细化纤维梁单元数值模型，对双槽渡槽结构进行非线性动力响应分析；S3、基于非线性动力响应分析过程，对双槽渡槽结构在地震作用下的结构倒塌进行模拟分析，确定双槽渡槽结构整体失稳的倒塌判定准则；S4、在随机地震作用下，基于倒塌判定准则采用概率密度演化方法确定双槽渡槽结构整体的抗震可靠度。本发明专利技术从能量吸收与耗散的角度建立渡槽结构在地震作用下的整体倒塌判定准则，可以准确判定渡槽结构倒塌与否，并能准确给出倒塌临界时间，实现了对钢筋混凝土渡槽结构在灾害性动力荷载作用下的倒塌分析。塌分析。塌分析。

【技术实现步骤摘要】
一种强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法


[0001]本专利技术属于渡槽结构抗震
，具体涉及一种强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法。

技术介绍

[0002]大型渡槽结构在强震作用下会产生较大的变形，部分构件会进入塑性状态，其动力响应会受到材料非线性、几何非线性的影响，在以往的研究中常用的线弹性、局部构件非线性、弹塑性分离的方法存在一定的局限性，所得结果往往与实际情况存在较大出入，对渡槽结构抗震性能的设计较为保守。
[0003]目前，针对渡槽结构抗震可靠性分析研究已有部分学者取得了卓有成效研究。吴剑国等提出了计算渡槽结构系统可靠度的样本法，根据Metropolis准则构造马尔可夫链模拟样本，通过在失效域中进行预抽样，获得对失效概率贡献大的区域的分布信息，进而计算结构系统的失效概率。安旭文和朱暾基于变形破坏准则，建议了渡槽槽架的层间位移限值，采用Monte Carlo模拟与有限元分析相结合的方法对渡槽槽架的可靠性进行了研究。Ma和Chen
[44]建立了基于主失效模式和综合相关系数法的渡槽系统可靠性分析模型，探讨了洺河渡槽桩梁多侧壁的系统可靠性。张多新等系统总结了近十年来渡槽结构动力学研究进展，指出基于工程结构的动力学可靠度理论已在渡槽工程中开展研究，并渐露曙光。
[0004]以上研究为渡槽结构的抗震设计提供了重要参考，但已有文献研究表明，地震激励的随机性会对工程结构的地震响应产生重大影响。事实上，由于非线性与地震随机性的耦合致使结构的损伤破坏产生较大的随机性，使得结构最先发生破坏的位置和破坏模式与预期设计截然不同。因此，更有必要对“头重脚轻”的渡槽结构开展考虑地震激励随机性的地震响应和可靠性分析，以更客观地反映渡槽结构在遭遇地震作用时的响应规律和抗震可靠性。张威和徐建国从动力可靠度理论出发，开展了随机性地震动激励下的渡槽结构非线性动力响应分析和可靠性研究，发现地震激励的随机性会对渡槽结构的非线性动力响应规律产生显著影响。王舟等建立了两种全非平稳地震动加速度过程的广义演变谱模型，结合概率密度演化理论计算了渡槽结构的随机地震作用下抗震可靠度。
[0005]上述研究成果为随机地震作用下渡槽结构整体抗震可靠度分析提供了重要参考，但可靠度计算主要基于随机模拟方法，计算效率低，且由于缺乏统一的结构失效判定准则，在确定性分析中往往依赖经验判断，无法精确统一的得出渡槽结构整体抗震可靠度。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的现有的强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法解决了现有的可靠度计算基于随机模拟方法，计算效率低的问题。
[0007]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法，包括以下步骤：
[0008]S1、构建双槽渡槽结构的精细化纤维梁单元数值模型；
[0009]S2、基于精细化纤维梁单元数值模型，对双槽渡槽结构进行非线性动力响应分析；
[0010]S3、基于非线性动力响应分析过程，对双槽渡槽结构在地震作用下的结构倒塌进行模拟分析，确定双槽渡槽结构整体失稳的倒塌判定准则；
[0011]S4、在随机地震作用下，基于倒塌判定准则采用概率密度演化方法确定双槽渡槽结构整体的抗震可靠度。
[0012]进一步地，所述步骤S1中的精细化纤维梁单元数值模型满足以下条件：
[0013](1)考虑渡槽薄壁结构横向弯矩和翘曲变形耦合振动对薄壁梁单元刚度矩阵的影响；
[0014](2)渡槽界面的变形均满足平截面假定；
[0015](3)钢筋和混凝土纤维均处于单轴受力状态，并分别采用弹塑性抗拉混凝土本构模型和反复荷载下钢筋硬化本构模型表示。
[0016]进一步地，在所述精细化纤维梁单元数值模型中：
[0017]通过引入翘曲函数得到模型单元内任意一点的位移，其表示为：
[0018][0019]式中，U(x,y,z)为任意点水平横向位移，u(x)为任意点形心处横向水平位移，θ
z
(x)为截面绕z轴转角，ω(x)为截面翘曲函数值，θ
y
(x)为截面绕y轴转角，θ
x
(x)为截面绕x轴转角，v(x)为任意点形心处纵向水平位移，x为结点x轴坐标值，y为结点y轴坐标值，z为结点z轴坐标值；
[0020]当漕渡结构进入弹塑性及大位移变形时，考虑非线性和几何非线性对刚度矩阵影响时应变矩阵为：
[0021][0022]式中，[B0]为线性微小位移应变矩阵；[B
L
({δ})]为几何非线性应变矩阵，δ为节点位移列阵；
[0023]考虑几何非线性变形的刚度矩阵为：
[0024][0025]式中，下标Ω为整个积分区域，[D]为刚度矩阵，[k0]为线性刚度矩阵，[k
L
]为非线性影响刚度矩阵。
[0026]进一步地，所述步骤S2中，对双槽渡槽结构进行非线性动力响应分析包括渡槽结构位移非线性响应分析以及渡槽结构各截面处内力非线性响应分析；
[0027]其中，渡槽结构位移非线性响应分析为渡槽结构在不同场地类型及不同调幅地震波作用下的非线性响应；所述渡槽结构的非线性响应值随着场地条件变弱而增大，对于不同调幅地震波，渡槽结构进入高度非线性后位移响应持续增大；
[0028]渡槽结构各截面处内力非线性响应分析包括渡槽结构边跨跨中、中跨跨中以及墩
底截面的非线性响应计算结果。
[0029]进一步地，所述步骤S3中，采用增量动力分析的方法，通过对双槽渡槽结构输入不同幅值大小的北岭地震波Northridge，基于双槽渡槽结构的非线性动力响应分析过程进行结构倒塌模拟，获取模拟过程中双槽漕渡结构的能量变化以及双槽渡槽结构整体失稳倒塌全过程。
[0030]进一步地，所述步骤S3的结构倒塌的判定准则为：
[0031]在地震荷载作用下，当双槽渡槽结构整体的有效特征能量小于有效输入能量时，结构保证整体稳定状态；反之，若结构有效特征能在某一时刻超过有效能量时，则结构从这一时刻其出现动力失稳线性进而引起倒塌；其表示为：
[0032][0033]其中，有效特征能量E
eff_intr
(t)为外部荷载激励所引起的结构自身振动过程中所产生的反映结构自身属性的能量，其表达式为：
[0034][0035]式中，Π(t)为系统t时刻广义余能，f
T
(u,t)为恢复力矢量，u(t)为结点位移矢量，σ为应力张量，为弹性应变率张量，V为渡槽结构积分区域；
[0036]有效输入能量E
eff_inp
(t)为外界输入到结构系统中的瞬时能量，其表达式为：
[0037][0038]式中，F
T
(t)为外部动力激励矢量，u(t)为结点位移矢量，为结点速度矢量，为系统阻尼力矢量，E
k
(t)为t时刻系统动能，E
es
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、构建双槽渡槽结构的精细化纤维梁单元数值模型；S2、基于精细化纤维梁单元数值模型，对双槽渡槽结构进行非线性动力响应分析；S3、基于非线性动力响应分析过程，对双槽渡槽结构在地震作用下的结构倒塌进行模拟分析，确定双槽渡槽结构整体失稳的倒塌判定准则；S4、在随机地震作用下，基于倒塌判定准则采用概率密度演化方法确定双槽渡槽结构整体的抗震可靠度。2.根据权利要求1所述的强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法，其特征在于，所述步骤S1中的精细化纤维梁单元数值模型满足以下条件：(1)考虑渡槽薄壁结构横向弯矩和翘曲变形耦合振动对薄壁梁单元刚度矩阵的影响；(2)渡槽界面的变形均满足平截面假定；(3)钢筋和混凝土纤维均处于单轴受力状态，并分别采用弹塑性抗拉混凝土本构模型和反复荷载下钢筋硬化本构模型表示。3.根据权利要求2所述的强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法，其特征在于，在所述精细化纤维梁单元数值模型中：通过引入翘曲函数得到模型单元内任意一点的位移，其表示为：式中，U(x,y,z)为任意点水平横向位移，u(x)为任意点形心处横向水平位移，θ
z
(x)为截面绕z轴转角，ω(x)为截面翘曲函数值，θ
y
(x)为截面绕y轴转角，θ
x
(x)为截面绕x轴转角，v(x)为任意点形心处纵向水平位移，x为结点x轴坐标值，y为结点y轴坐标值，z为结点z轴坐标值；当漕渡结构进入弹塑性及大位移变形时，考虑非线性和几何非线性对刚度矩阵影响时应变矩阵为：式中，[B0]为线性微小位移应变矩阵；[B
L
({δ})]为几何非线性应变矩阵，δ为节点位移列阵；考虑几何非线性变形的刚度矩阵为：式中，下标Ω为整个积分区域，[D]为刚度矩阵，[k0]为线性刚度矩阵，[k
L
]为非线性影响刚度矩阵。4.根据权利要求2所述的强震作用下双槽渡槽结构的抗震可靠度分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，对双槽渡槽结构进行非线性动力响应分析包括渡槽结构位移非线性响应分析以及渡槽结构各截面处内力非线性响应分析；
其中，渡槽结构位移非线性响应分析为渡槽结构在不同场地类型及不同调幅地震波作用下的非线性响应；所述渡槽结构的非线性响应值随着场地条件变弱而增大，对于不同调幅地震波，渡槽结构进入高度非线性后位移响应持续增大；渡槽结构各截面处内力非线性响应分析包括渡槽结构边跨跨中、中跨跨中以及墩底截面的非线性响应计算结果。5.根据权利要求1所述的强震作用下双槽漕渡结构的抗震可靠度分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用增量动力分析的方法，通过对双槽渡槽结构输入不同幅值大小的北岭地震波Northridge，基于双槽渡槽结构的非线性动力响应分析过程进行结构倒塌模拟，获取模拟过程中双槽漕渡结构的能量变化以及双槽渡槽结...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建国，张金鹏，王江飞，吴冲，周奇，耿玉鹏，姚俊成，蔡迎春，姚广，高渐斌，缪锋阳，张梦乐，柳世宇，
申请(专利权)人：河南濮泽高速公路有限公司，
类型：发明
国别省市：