一种地下地上一体结构等价极值抗震可靠度评估方法与流程

本发明涉及结构抗震可靠度分析，具体涉及一种地下地上一体结构等价极值抗震可靠度评估方法。

背景技术：

1、随着城市地下空间开发规模不断扩大，地下车站、地下商业空间、地下停车库等地下结构逐渐与地上建筑形成空间连续、构件连接且共同受力的地下地上一体结构。该类结构在地震作用下同时受到地上结构惯性效应、地下结构周围土体约束效应、地震波传播效应以及地下结构与地上结构连接部位传力效应的共同影响，其动力响应具有明显的空间耦合性和时变性。仅对地上结构或地下结构进行独立分析，难以准确反映整体结构体系的抗震安全状态。

2、现有结构抗震可靠度评估通常基于随机地震动样本开展动力时程分析，再依据结构响应是否超过预设性能限值统计失效概率。然而，地下结构与地上结构在受力机理、变形特征及抗震性能要求方面存在差异，即使采用层间位移角等相同响应指标，其对应的性能限值也通常不同。若直接将各楼层响应进行比较，难以在统一尺度下反映不同结构区域的安全裕度；若采用单一性能限值进行整体判定，又可能造成地上结构或地下结构失效状态的错误识别。

3、此外，地下地上一体结构通常包含多个地上楼层和地下楼层，任一楼层在地震作用全过程中的任一时刻超过其对应性能限值，均可能引起局部或整体结构失效。因此，其可靠度评估实质上属于多楼层、多时刻及多性能限值共同控制的系统可靠度问题。传统样本计数方法难以连续描述可靠度随地震作用时间的演化过程，且在失效概率较低或计算模型复杂时，需要大量动力时程分析，计算成本较高。

4、鉴于此，本发明提供一种地下地上一体结构等价极值抗震可靠度评估方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种地下地上一体结构等价极值抗震可靠度评估方法，用于解决地下结构与地上结构采用不同抗震性能限值时，难以统一表征多楼层、多时刻地震响应并准确评估整体结构及分区结构时变抗震可靠度的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供一种地下地上一体结构等价极值抗震可靠度评估方法，包括以下步骤：

4、s1，采用谱表示—随机函数方法构建随机地震动生成模型，在由有限维基本随机变量形成的概率空间内选取多个代表点，为各代表点配置代表概率，并根据各代表点生成随机地震动加速度时程，形成随机地震动概率样本集；

5、s2，建立包括地上结构、地下结构、基础、周围土体及土与结构相互作用关系的整体有限元分析模型；

6、s3，将所述随机地震动概率样本集输入所述整体有限元分析模型，获得各随机地震动样本作用下各楼层随时间变化的结构响应；

7、s4，根据各楼层所属的地上结构区域或地下结构区域，确定相应抗震性能限值，将各楼层的结构响应与相应抗震性能限值进行比值处理，得到各楼层的归一化需求比；

8、s5，分别在整体楼层集合、地上楼层集合和地下楼层集合中，提取从地震动开始至当前时刻的最大归一化需求比，得到整体结构、地上结构和地下结构对应的等价极值变量；

9、s6，以所述等价极值变量作为响应变量进行概率密度演化求解，获得所述等价极值变量随时间变化的概率分布，并根据预设失效阈值分别计算整体结构、地上结构和地下结构的时变抗震可靠度及失效概率。

10、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s1中，所述基本随机变量用于表征随机地震动的频谱特征、相位特征和强度包络特征中的一种或多种；所述代表点通过数论选点、sobol序列、等概率划分或概率完备点集方式获得，各代表点对应的代表概率均不小于零，且全部代表概率之和为一。

11、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s2中，所述整体有限元分析模型包括地上结构构件、地下结构构件、连接地上结构和地下结构的基础或连接构件、地下结构周围的土体域、土体边界条件以及地下结构与周围土体之间的接触关系；所述整体有限元分析模型用于在同一模型中耦合计算地上结构的惯性作用、地下结构的土体约束作用以及地上结构与地下结构连接部位的传力作用。

12、作为本发明的一种优选技术方案，所述土体边界条件采用黏弹性边界、自由场边界或无限元边界，所述地下结构与周围土体之间采用接触单元、界面单元、弹簧—阻尼单元或共节点方式建立相互作用关系，地震动由所述土体域的底部边界输入。

13、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s3中，所述结构响应包括层间位移角、层间变形、构件变形、楼层加速度和构件内力中的一种或多种；当地上结构和地下结构采用同一种结构响应作为评价指标时，分别为地上楼层和地下楼层设置不同的抗震性能限值。

14、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s4中，所述归一化需求比为各楼层结构响应的绝对值与该楼层对应抗震性能限值的比值；所述归一化需求比不大于一时，判定相应楼层未超过抗震性能限值，所述归一化需求比大于一时，判定相应楼层超过抗震性能限值。

15、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s5中，针对任一指定楼层集合，所述等价极值变量为从地震动开始至当前时刻，该指定楼层集合内所有楼层归一化需求比的最大值；所述指定楼层集合分别为包括地上楼层和地下楼层的整体楼层集合、仅包括地上楼层的地上楼层集合以及仅包括地下楼层的地下楼层集合。

16、作为本发明的一种优选技术方案，步骤s6中，建立等价极值变量与所述基本随机变量的联合概率密度演化关系，通过在基本随机变量概率空间内对联合概率密度进行积分，获得等价极值变量的边缘概率密度，并将等价极值变量不超过预设失效阈值的概率确定为抗震可靠度，将等价极值变量超过预设失效阈值的概率确定为失效概率。

17、作为本发明的一种优选技术方案，对等价极值变量的取值空间进行网格离散，将各代表点对应的代表概率作为概率质量，初始化于相应等价极值变量初值所在的网格位置；根据各随机地震动样本的等价极值变量在相邻时刻之间的增量，确定概率质量在相邻网格之间的迁移量，并通过细化时间步长，使单个时间步内的概率质量迁移范围不超过一个网格间距。

18、作为本发明的一种优选技术方案，还包括可靠度校核和控制楼层识别：根据各随机地震动样本的代表概率，对等价极值变量未超过预设失效阈值的样本进行加权求和，得到校核可靠度；确定每个随机地震动样本在地震动持时内最大归一化需求比对应的楼层，将该楼层作为控制楼层，并将控制楼层相同的失效样本对应的代表概率累加，得到各楼层对整体结构失效事件的失效贡献概率。

19、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

20、本发明通过将地上结构和地下结构各楼层的地震响应分别与对应抗震性能限值进行归一化处理，使不同结构区域、不同控制标准下的响应状态能够转换至统一的无量纲评价尺度；在此基础上，通过对整体楼层集合、地上楼层集合和地下楼层集合内的归一化需求比进行楼层维度和时间维度的极值提取，将多楼层、多时刻及多性能限值共同控制的复杂系统失效事件转化为单一等价极值变量超过失效阈值的事件，从而降低失效事件表达及概率求解的复杂度；进一步结合概率密度演化方法获得等价极值变量随地震作用时间变化的概率分布，因此能够统一计算地下地上一体结构的整体可靠度、地上结构可靠度、地下结构可靠度及对应失效概率，并识别主要控制楼层，提高复杂耦合结构抗震可靠度评估的准确性、连续性和工程适用性。