一种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法与流程

1.本发明涉及桥梁工程防灾减灾技术领域，具体为一种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法。


背景技术：

2.近年来，随着全球气候变化加剧，各种自然灾害频发，桥梁结构倒塌呈上升趋势。其中洪涝灾害因其高发频率，对桥梁安全造成了重大威胁。洪涝灾害对桥梁基础的冲刷作用极大地破坏了周围土层对基础的围护支撑作用，从而影响了桥梁稳定性。在地震高烈度区，河流的冲刷作用将会对桥梁抗震性能造成影响。随着冲刷深度的增加，承台和桩基逐渐暴露，原有土层对基础的围护作用减少，结构趋于不稳定。随着围护土层深度的降低，桩基自由长度增加，结构固有周期发生变化，地震作用随之改变。
3.较为准确地评估桥梁在冲刷作用后的抗震性能可以有效地提高人员疏散和灾后救援中人员物资输送的效率。历次震害表明，由于桥梁设施的损坏，救灾人员与物资无法及时抵达灾区中心，给国家带来了巨大的人员与财产损失，因此精确评估地震-冲刷灾害耦合作用下桥梁抗震性能的意义重大。
4.现行国内外抗震规范中，计算水平地震力时一般会将桥墩的固定端作为一般冲刷线或者基础顶面。但实际情况中，由于不同冲刷深度对桥梁基础的影响并未得到充分研究，简单地将固定端作为冲刷线可能低估水平地震作用，增大桥梁失效的风险。
5.目前桥梁设计由确定性设计理论向概率/可靠度的设计理论发展，荷载及抗力系数设计规范及其依靠的可靠度理论近年来逐渐成为一个研究热点。现有国内外规范虽然考虑了包括地震、船撞、车撞、浮冰荷载等自然灾害情况的极限设计状态，但其多数仅研究单一灾害作用下的荷载系数，对于地震和冲刷如何组合并未做出明确的规定。


技术实现要素：

6.(一)要解决的技术问题
7.为解决上述现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法，以确定耦合灾害作用下的冲刷荷载系数，有效避免了灾害组合分析中对边缘效应的忽略，实现桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析。
8.(二)技术方案
9.为达到上述目的，本发明提供了一种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法，该方法包括：
10.根据桥梁结构系统1和地震动激励2构建桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型，对该桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型求解得到结构系统的动力响应；
11.在给定冲刷深度下，对结构构件的性能状态与所述结构系统的动力响应进行拟合得到以地震动强度为变量的能力需求比模型i，建立给定冲刷深度下的易损性曲线方程4；
12.根据给定冲刷深度下的易损性曲线方程4和地震危险性概率密度方程7，建立给定冲刷深度、地震灾害作用下的平均年失效概率模型8，计算不同冲刷深度下的平均年失效概率值，得到冲刷深度-失效概率曲线方程9；
13.在不同冲刷深度下，对结构构件的性能状态与所述结构系统的动力响应进行拟合得到以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii，建立不同冲刷深度下的易损性曲面方程6；
14.根据不同冲刷深度下的易损性曲面方程6、地震危险性概率密度方程7和冲刷危险性概率密度方程10，建立地震-冲刷耦合灾害作用下的联合平均年失效概率模型11，计算得到平均年失效概率值，在冲刷深度-失效概率曲线方程9中求得的冲刷深度为合理冲刷深度12；以及
15.将所述合理冲刷深度12与设计冲刷深度的14的比值作为地震-冲刷灾害耦合作用下冲刷荷载系数13。
16.上述方案中，在所述根据桥梁结构系统1和地震动激励2构建桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型的步骤中，将桥梁结构中的主梁1-1、墩柱1-2、桩1-3、桩-土相互作用1-4、支座1-5、索塔1-6、缆索承重系统1-7作为桥梁结构系统1的构件进行模拟，其中：所述桥梁结构系统1采用有限单元法模拟，所述主梁1-1、墩柱1-2、索塔1-6采用梁-柱单元模拟，所述桩-土相互作用1-4及支座1-5采用由质量、弹簧和阻尼器组成的系统模拟，缆索承重体系采用桁架单元模拟。
17.上述方案中，所述结构构件的性能状态由主梁1-1、墩柱1-2、桩1-3、支座1-5、索塔1-6、缆索承重系统1-7的性能状态确定。
18.上述方案中，所述主梁1-1的性能状态由截面屈服弯矩及曲率确定；所述墩柱1-2的性能状态、所述桩1-3的性能状态、所述索塔1-6的性能状态均由截面曲率延性和各构件漂移率确定；所述支座1-5的性能状态采用支座剪切应变确定。
19.上述方案中，所述以地震动强度为变量的能力需求比模型i和所述以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii的表达式分别为：
20.μd＝g(im)
21.μ
dh
＝g(im，h)
22.式中，μd为以地震动强度为变量的能力需求比模型i，μ
dh
为以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii，g为多项式方程，im为地震动强度，h为冲刷深度。
23.上述方案中，所述给定冲刷深度下的易损性曲线方程4和所述不同冲刷深度下的易损性曲面方程6的表达方式为：
[0024][0025][0026]
式中，pd为给定冲刷深度下的易损性曲线方程4，p
dh
为不同冲刷深度下的易损性曲面方程6，φ为标准正态分布函数，σd为以地震动强度为变量的能力需求比模型i中的方差，σ
dh
为以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii中的方差。
[0027]
上述方案中，所述地震危险性的概率密度方程7通过在确定的场地条件下发生的地震动强度大于预先估计的地震动强度的概率来表示，其表达方式为：
[0028][0029]
式中，i为地震烈度，与地震动强度im之间的关系为：
[0030]
im＝10
(ilg2-0.01)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-2)
[0031]
上述方案中，所述给定冲刷深度、地震灾害作用下的平均年失效概率模型8为结构地震损伤失效概率和地震危险性的概率密度方程的联合概率，其表达方式为：
[0032][0033]
上述方案中，所述冲刷危险性概率密度方程10符合对数正态分布，其表达方式为：
[0034][0035]
式中，η为冲刷深度的对数平均值；ξ为冲刷深度的对数标准差；
[0036]
所述地震-冲刷耦合灾害作用下的联合平均年失效概率模型11为结构地震损伤失效概率、地震危险性的概率密度及冲刷深度危险性的联合概率，其表达方式为：
[0037][0038]
上述方案中，所述将合理冲刷深度12与设计冲刷深度的14的比值作为地震-冲刷灾害耦合作用下冲刷荷载系数13，其表达方式为：
[0039][0040]
式中，h
x
为联合概率密度计算得到的合理冲刷深度，hd为设计冲刷深度。
[0041]
(三)有益效果
[0042]
本发明提供的这种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
[0043]
1.本发明提供的这种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法，通过采用概率统计思想来考虑地震-冲刷两种灾害耦合作用，充分考虑了桥梁结构系统中的非线性因素和地震-冲刷耦合作用的非线性效应，最终能够确定耦合灾害作用下的冲刷荷载系数，有效避免了灾害组合分析中对边缘效应的忽略，实现了桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析。
[0044]
2.本发明提供的这种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法，通过采用概率统计思想来考虑地震-冲刷两种灾害耦合作用，将合理冲刷深度与设计冲刷深度的比值作为地震-冲刷灾害耦合作用下冲刷荷载系数，概念清晰、科学合理，符合桥梁在地震-冲刷灾害耦合作用下的实际状态，为桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下危险性分析及荷载组合系数确定提供了一种有效的方法，有利于在桥梁工程防灾减灾技术领域的广泛使用。
附图说明
[0045]
图1为依照本发明实施的桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法的流程图。
[0046]
图2为依照本发明实施的地震-冲刷耦合作用下典型桥梁结构系统数值计算模型的示意图。
[0047]
图3为依照本发明实施的给定冲刷深度下的易损性曲线。
[0048]
图4为依照本发明实施的地震危险性概率密度曲线。
[0049]
图5为依照本发明实施的给定冲刷深度和地震-冲刷耦合失效概率。
[0050]
图6为地震冲刷耦合易损性曲面。
[0051]
图7为冲刷危险性概率密度曲线。
[0052]
附图中标记：1-1主梁、1-2墩柱、1-3桩、1-4桩-土相互作用、1-5支座、1-6索塔、1-7缆索承重系统。
具体实施方式
[0053]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0054]
本发明提供的这种桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法，采用概率统计思想来考虑地震-冲刷两种灾害耦合作用，首先，建立桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型，数值求解得到结构系统的动力响应；其次，建立地震作用下构件及结构的易损性曲线和地震-冲刷耦合作用下的易损性曲面，结合地震危险性的概率密度方程及冲刷深度危险性曲线，建立地震灾害作用下的平均年失效概率和地震-冲刷耦合灾害耦合作用下的联合平均年失效概率；最终，确定地震-冲刷耦合作用下的合理设计冲刷深度，将合理冲刷深度与设计冲刷深度的比值作为地震-冲刷灾害耦合作用下冲刷荷载系数。
[0055]
请参照图1和图2，图1为依照本发明实施例的桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下的危险性分析方法的流程图，图2为依照本发明实施例的地震-冲刷耦合作用下典型桥梁结构系统数值计算模型的示意图，该方法包括：
[0056]
步骤1：根据桥梁结构系统1和地震动激励2构建桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型，对该桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型求解得到结构系统的动力响应；
[0057]
步骤2：在给定冲刷深度下，对结构构件的性能状态与所述结构系统的动力响应进行拟合得到以地震动强度为变量的能力需求比模型i，建立给定冲刷深度下的易损性曲线方程4；
[0058]
步骤3：根据给定冲刷深度下的易损性曲线方程4和地震危险性概率密度方程7，建立给定冲刷深度、地震灾害作用下的平均年失效概率模型8，计算不同冲刷深度下的平均年失效概率值，得到冲刷深度-失效概率曲线方程9；
[0059]
步骤4：在不同冲刷深度下，对结构构件的性能状态与所述结构系统的动力响应进行拟合得到以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii，建立不同冲刷深度下的易损性曲面方程6；
[0060]
步骤5：根据不同冲刷深度下的易损性曲面方程6、地震危险性概率密度方程7和冲
刷危险性概率密度方程10，建立地震-冲刷耦合灾害作用下的联合平均年失效概率模型11，计算得到平均年失效概率值，在冲刷深度-失效概率曲线方程9中求得的冲刷深度为合理冲刷深度12；
[0061]
步骤6：将所述合理冲刷深度12与设计冲刷深度的14的比值作为地震-冲刷灾害耦合作用下冲刷荷载系数13。
[0062]
根据本发明的实施例，步骤1中所述根据桥梁结构系统1和地震动激励2构建桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型，是将桥梁结构中的主梁1-1、墩柱1-2、桩1-3、桩-土相互作用1-4、支座1-5、索塔1-6、缆索承重系统1-7作为桥梁结构系统1的构件进行模拟，其中：所述桥梁结构系统1采用有限单元法模拟，所述主梁1-1、墩柱1-2、索塔1-6采用梁-柱单元模拟，所述桩-土相互作用1-4及支座1-5采用由质量、弹簧和阻尼器组成的系统模拟，缆索承重体系采用桁架单元模拟。进而，对该桥梁结构体系地震作用下的非线性动力数值分析模型求解得到结构系统的动力响应。
[0063]
接着，根据求解得到的结构系统的动力响应，确定结构构件的性能状态。根据本发明的实施例，步骤2中所述结构构件的性能状态由主梁1-1、墩柱1-2、桩1-3、支座1-5、索塔1-6、缆索承重系统1-7的性能状态确定。其中：所述主梁1-1的性能状态由截面屈服弯矩及曲率确定；所述墩柱1-2的性能状态、所述桩1-3的性能状态、所述索塔1-6的性能状态均由截面曲率延性和各构件漂移率确定；所述支座1-5的性能状态采用支座剪切应变确定。
[0064]
接着，在给定冲刷深度下，对结构构件的性能状态与所述结构系统的动力响应进行拟合得到以地震动强度为变量的能力需求比模型i，建立给定冲刷深度下的易损性曲线方程4。或者，在不同冲刷深度下，对结构构件的性能状态与所述结构系统的动力响应进行拟合得到以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii，建立不同冲刷深度下的易损性曲面方程6。
[0065]
根据本发明的实施例，步骤2中所述以地震动强度为变量的能力需求比模型i和步骤4中所述以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii的表达式分别为：
[0066]
μd＝g(im)
[0067]
μ
dh
＝g(im，h)
[0068]
式中，μd为以地震动强度为变量的能力需求比模型i，μ
dh
为以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii，g为多项式方程，im为地震动强度，h为冲刷深度。
[0069]
根据本发明的实施例，步骤2中所述给定冲刷深度下的易损性曲线方程4和步骤4中所述不同冲刷深度下的易损性曲面方程6的表达方式为：
[0070][0071][0072]
式中，pd为给定冲刷深度下的易损性曲线方程4，p
dh
为不同冲刷深度下的易损性曲面方程6，φ为标准正态分布函数，σd为以地震动强度为变量的能力需求比模型i中的方差，σ
dh
为以地震动强度及冲刷深度为变量的能力需求比模型ii中的方差。
[0073]
根据本发明的实施例，步骤5中所述地震危险性的概率密度方程7通过在确定的场
地条件下发生的地震动强度大于预先估计的地震动强度的概率来表示，其表达方式为：
[0074][0075]
式中，i为地震烈度，与地震动强度im之间的关系为：
[0076]
im＝10
(ilg2-0.01)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3-2)
[0077]
根据本发明的实施例，步骤3中所述给定冲刷深度、地震灾害作用下的平均年失效概率模型8为结构地震损伤失效概率和地震危险性的概率密度方程的联合概率，其表达方式为：
[0078][0079]
根据本发明的实施例，步骤5中所述冲刷危险性概率密度方程10符合对数正态分布，其表达方式为：
[0080][0081]
式中，η为冲刷深度的对数平均值；ξ为冲刷深度的对数标准差。
[0082]
根据本发明的实施例，步骤5中所述地震-冲刷耦合灾害作用下的联合平均年失效概率模型11为结构地震损伤失效概率、地震危险性的概率密度及冲刷深度危险性的联合概率，其表达方式为：
[0083][0084]
根据本发明的实施例，步骤6中所述将合理冲刷深度12与设计冲刷深度的14的比值作为地震-冲刷灾害耦合作用下冲刷荷载系数13，其表达方式为：
[0085][0086]
式中，h
x
为联合概率密度计算得到的合理冲刷深度，hd为设计冲刷深度。
[0087]
本发明采用基于概率的方法考虑地震-冲刷两种灾害耦合作用的组合，能够考虑桥梁结构系统中的非线性因素、地震-冲刷耦合作用的非线性效应，有效避免了灾害组合中对边缘效应的忽略，为桥梁地震-冲刷灾害耦合作用下危险性分析及荷载组合系数确定提供了一种有效的方法。
[0088]
实施例
[0089]
下面以如图2所示的桥梁为例对本发明进行说明。
[0090]
建立桥梁结构的非线性动力分析模型，其中主梁、墩柱和索塔采用梁柱单元模拟，桩-土相互作用及支座采用由质量、弹簧和阻尼器组成的系统模拟，拉索采用桁架单元模拟，如图2所示。通过调整桩-土相互作用模型中的参数，实现不同的冲刷深度，数值求解不同冲刷深度下桥梁结构的动力响应，建立不同冲刷深度下的易损性曲线，该不同冲刷深度下的易损性曲线参照公式2-1，对应曲线如图3所示。
[0091]
如图4所示，根据不同冲刷深度下的易损性曲线和地震危险性概率密度曲线，建立
给定冲刷深度、地震灾害作用下的平均年失效概率模型，该平均年失效概率模型参照公式4-1，计算给定冲刷深度下的平均年失效概率值，得到冲刷深度-失效概率曲线，如图5所示。
[0092]
根据考虑冲刷-地震耦合的易损性曲面(公式2-2，对应曲线如图6所示)、地震危险性概率密度曲线和冲刷危险性概率密度曲线(如图7所示)，建立地震-冲刷耦合灾害作用下的联合平均年失效概率模型，该联合平均年失效概率模型参照公式6-1，计算得到平均年失效概率值，如图5所示。
[0093]
在如图5所示的冲刷深度-失效概率曲线中，冲刷深度(h
x
)为合理冲刷深度，冲刷荷载系数可以由公式7-1计算。
[0094]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。