一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法技术

本发明专利技术提出一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，包括不确定性建模参数的选取，精细化有限元模型的建立，基于耐震时程法的地震动输入，基于云图法的地易损性分析，基于龙卷风法的敏感性分析，基于中心点法的不确定性分析。本发明专利技术能够对建模随机参数的敏感性进行排序，量化建模不确定性对地震易损性分析的影响。识别出的影响相对较小或不明显的建模参数有助于减少这些参数的计算工作量，确定的关键建模参数对于实现改进的地震易损性评估是很关键的，降低关键建模参数的不确定性可以提高结构的可靠性估计。以提高结构的可靠性估计。以提高结构的可靠性估计。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法


[0001]本专利技术涉及工程结构抗震性能评估
，具体涉及一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法。

技术介绍

[0002]基于性能抗震设计的出现使得地震工程的研究和应用越来越倾向于根据一组性能化目标进行结构设计。这意味着工程师必须确保结构在整个使用期间满足足够的安全水平。结构的安全性一般通过可靠性分析进行量化，主要目的是考虑所有不确定性的来源及其对结构性能的影响，从而计算失效概率。
[0003]地震易损性分析是评估地震作用下结构可靠性的有力工具，被广泛应用于预测结构在地震作用下的破坏程度。然而，由于模型本身及其参数都是不确定的，结构的失效概率与易损性分析中的初步假设密切相关，模型输入参数的微小变化可能导致地震易损性估计的相关可变性。
[0004]如果不知道建模参数对传播各种不确定性的敏感性，就很难知道易损性评估的水平。如果忽略重要参数，这可能导致不可靠的易损性估计；相反地如果所有随机参数的不确定性都考虑，则可能会在统计和模拟上花费不必要的精力。在设计和优化过程中提高对建模参数的认识，能够使工程师对目标性能水平做出更好的决策，更关键的结构就会承受更少的损坏和最小的功能损失，结构所承受的危险就更加可控制和预测。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目标是开发有效的方法处理结构地震易损性中建模方面的不确定性，指导未来的不确定性处理、计算资源的管理以及通过现场测试等方式对精确建模参数的估计进行投资，进而提供一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法。
[0006]本专利技术提供的技术方案是：一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，包括以下若干步骤：
[0007]第一步：不确定性建模参数的选取。
[0008]通过对既有研究成果的整理分析，确定结构建模随机参数，假定建模参数的随机分布特征，选择参数分析区间定出建模参数的均值、上界值、下界值。
[0009]第二步：精细化有限元模型的建立。
[0010]选取合适的材料本构模型、截面模型、单元模型，采用有限元软件建立精细化结构数值模型。根据第一步的建模参数的分析区间分别建立均值模型、上界值模型、下界值模型。
[0011]第三步：基于耐震时程法的地震动输入。
[0012]选择目标反应谱和目标时间点，根据在某一时间内反应谱的大小与持续时间成线性关系，求解下列方程合成耐震时程曲线。
[0013][0014][0015][0016]式中：Sa
T
(T,t)为t时刻的加速度反应谱；T为结构的自振周期；t为任意时间点；t
Target
为目标时间点；Sa
C
(T)为目标加速度反应谱；Su
T
(T,t)为目标位移反应谱；a
g
为寻求的耐震加时程曲线；Sa(T,t)和Su(T,t)分别为a
g
在t时刻的加速度反应谱和位移反应谱；α为位移谱的相对权重系数。
[0017]第四步：基于云图法的地易损性分析。
[0018]假设结构的需求和能力的概率特征由对数正态分布描述，结构需求参数的均值与地震动强度参数的关系满足幂指数关系，采用下列公式建立结构的地震易损性函数。
[0019][0020][0021][0022]式中：P
f
为结构达到或超过损伤极限状态的概率；Φ[]为标准正态分布函数；为结构需求参数的均值；β
Sd|IM
为地震响应在给定IM范围内的条件对数标准差；β
c
分别为结构能力参数的均值和对数标准差；IM为地震动强度参数；a和b为未知的回归系数；Di为在第i条地震动作用下结构需求响应的峰值；N为进行非线性动力分析的次数。
[0023]将第三步得到的耐震时程曲线输入到第二步建立的数值模型中进行非线性时程分析得到结构的地震响应。定义结构的损伤极限状态，选取合适的地震动强度参数和结构需求参数，代入到地震易损性函数中得到易损性曲线。
[0024]第五步：基于龙卷风法的敏感性分析。
[0025]以结构达到或超过某种损伤极限状态的概率为50％时所对应的易损性中位值为摆幅指标，根据第四步得到的易损性曲线采用下式计算摆幅值，根据摆幅值的大小从高到低进行排序，建立模型输入参数对输出响应相对影响的龙卷风图。
[0026]R
Δ
＝|Δ
μ+
‑
Δ
μ
|+|Δ
μ
‑
Δ
μ
‑
|
[0027]式中：Δ
μ+
、Δ
μ
、Δ
μ
‑
分别为基于上界值、均值、下界值模型得到的易损性中位值。
[0028]第六步：基于中心点法的不确定性分析。
[0029]如果非线性函数为X＝g(X1,X2,
…
,X
n
)，将X在各变量的均值点处展开成泰勒级数，并取线性项，采用差分法近似确定g(X)对X
i
的梯度。
[0030][0031][0032][0033][0034][0035]式中：X
i
为建模随机参数；μ
Xi
、分别为建模随机参数的均值、上界值、下界值；和分别为建模随机参数和时的易损性中位值。
[0036]采用下式求解建模相关的对数标准差β
M
，反映与结构建模相关的不确定性。
[0037][0038]式中：σ
X
为标准差，β
Mi
为第i个建模随机变量的对数标准差。
[0039]将β
M
代入易损性函数得到下式考虑建模不确性的易损性函数。
[0040][0041]相比于现有技术，本专利技术的一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，能够对建模随机参数的敏感性进行排序，量化建模不确定性对地震易损性分析的影响。识别出的影响相对较小或不明显的建模参数有助于减少这些参数的计算工作量，确定的关键建模参数对于实现改进的地震易损性评估是很关键的，降低关键建模参数的不确定性可以提高的结构可靠性估计。
附图说明
[0042]图1是本专利技术一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法的流程图；
[0043]图2是本专利技术一实施例中双层框架式桥墩的计算模型图；图中，F—竖向荷载，P—水平荷载，1—节点，2—非线性梁柱单元，3—零长度截面单元；
[0044]图3是本专利技术合成的耐震时程曲线的示意图；图中，(a)为时程曲线，(b)为加速度反应谱；
[0045]图4是本专利技术结构模型在各极限状态下的龙卷风图；图中，(a)为结构模型在轻微损伤状态下的龙卷风图，(b)为结构模型在中度损伤状态下的龙卷风图，(c)为结构模型在重度损伤状态下的龙卷风图，(d)为结构模型在完全损伤状态下的龙卷风图；
[0046]图5是本专利技术考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，不确定性建模参数的选取；步骤2，精细化有限元模型的建立；步骤3，基于耐震时程法的地震动输入；步骤4，基于云图法的地易损性分析；步骤5，基于龙卷风法的敏感性分析；步骤6，基于中心点法的不确定性分析。2.如权利要求1所述的一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：通过对既有研究成果的整理分析，确定结构建模随机参数，假定建模参数的随机分布特征，选择分析区间定出建模参数的均值、上界值和下界值。3.如权利要求2所述的一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：选取合适的材料本构模型、截面模型和单元模型，采用有限元软件建立精细化结构数值模型；根据步骤1的建模参数分析区间分别建立均值模型、上界值模型和下界值模型。4.如权利要求3所述的一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：选择目标反应谱和目标时间点，根据在某一时间内反应谱的大小与持续时间成线性关系，求解下列方程合成耐震时程曲线系，求解下列方程合成耐震时程曲线系，求解下列方程合成耐震时程曲线式中：Sa
T
(T,t)为t时刻的加速度反应谱；T为结构的自振周期；t为任意时间点；t
Target
为目标时间点；Sa
C
(T)为目标加速度反应谱；Su
T
(T,t)为目标位移反应谱；a
g
为寻求的耐震加时程曲线；Sa(T,t)和Su(T,t)分别为a
g
在t时刻的加速度反应谱和位移反应谱；α为位移谱的相对权重系数。5.如权利要求4所述的一种考虑建模不确定性的结构地震易损性分析方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：假设结构的需求和能力的概率特征由对数正态分布描述，结构需求参数的均值与地震动强度参数的关系满足幂指数关系，采用下列公式建立结构的地震易损性函数动强度参数的关系满足幂指数关系，采用下列公式建立结构的地震易损性函数
式中：P
f
为结构达到或超过损伤极限状态的概率；Φ[]为标准正态分布函数；为结构需求参数的均值；β
Sd|IM
为地震响应在给...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗恒，
申请(专利权)人：中信建筑设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：