文摘

孤立的桥梁设计通常由于地区平衡过度位移和地震力。最优强度措施(IMs)的概率地震需求模型孤立的桥梁受到pulse-like地面运动是确定在本研究中。四种典型的孤立梁桥类型与不同墩高(从4米到20米)是用来进行非线性时程分析。完全七structure-independent IMs和比较。关键工程需求参数(edp),即桥墩延性需求和轴承变形沿纵向和横向方向,记录过程中。一般来说,震动往往是最佳的IM pulse-like地面运动下的孤立的桥梁基于实用性,效率,熟练和充分性准则。结果可以提供有效的指导最优强度衡量选择的概率地震需求模型(PSDMs)的孤立pulse-like地面运动下的桥梁。

1。介绍

已经观察到,由于地区的地面运动记录,通常作为20公里内断层破裂,往往不同于远场对手三个主要特点,即速度脉冲,方向性效应和大型垂直加速度分量(1]。这些差异通常是速度和位移时间序列所示,已被归因于两个效果:破裂方向性效应和放纵的一步。破裂方向性表示破裂传播的影响相对于网站(2]。由于方向性通常体现在fault-normal方向,方向是垂直于表面的断层破裂。网站可能体验向前方向性破裂传播向网站时速度几乎等于土壤的横波速度。这种效应的形式出现在一个大型的、长周期速度脉冲。和fault-parallel效果观察的方向扔的一步,也就是说,断层滑动方向平行,出现在一个永久位移的形式。由于上述特性,由于地面运动对结构和高输入能量导致严重的破坏。这种现象最初发现虽然et al。3,4]。然而,只有1994年北岭地震后,由于地面运动的严重影响的需求结构和结合到设计过程的影响的必要性是公认的5,6]。

概率地震需求模型条件在一个地面运动强度测量(IM)是一种常见的和必要的步骤生成分析脆弱性曲线。强度措施(IMs)代表的地面运动特征和发挥重要作用的概率地震需求分析。跟踪和减少不确定性与PSDM可以通过选择最优的完成我的需求模型是调节(7]。

研究人员做了很多工作上的选择最佳IMs远场地面运动近年来。修改后的麦式震级强度规模选择应用技术委员会(8)作为首选。这些数据是采用风险评估软件包HAZUS。HAZUS选择最新版本的谱加速度段1 s (年代−1)和峰值地面位移和IMs (PGD)。帕吉特et al。7)研究的地震响应动静力简支钢梁桥类,发现地面峰值加速度(PGA)和谱加速度基本周期(年代一个)往往是最优的合成地面运动和IMs累积绝对速度也是一个竞争者记录运动。除了常见的IMs,更复杂的参数,提出了多参数,或者基于矢量的IMs (9- - - - - -12]。在桥梁工程社区,PGA和年代一个是被广泛接受的IMs (7,13]。

然而,有相对较少的研究最优措施pulse-like地面运动强度(14]。Yakhchalian et al。15]提出常用的标量强度测量,即在结构的基本周期谱加速度(年代一个),不足,不足以预测地震反应对脉冲时间的pulse-like地面运动和发展最优integral-based IM (我- - - - - -年代一个)与15通用的框架结构。贝克和康奈尔大学(16]证明了由于pulse-like不被传统的地面运动强度相结合的措施,提出了一种矢量强度测量年代一个测量的光谱形状。李等人。17)提出了两种模糊数值(FV)structure-specific强度措施(一个基于平方谱速度,另一种是基于非弹性位移谱)描述由于pulse-like地面运动。钟等。1]研究了斜拉桥的反应在合成和pulse-like地面运动记录,发现震动往往是最优强度测量相对于其他六structure-independent IMs。

一般来说,现有的IMs可以分为两类,即structure-dependent IMs和structure-independent IMs。前者结合结构特点和强度的措施,而后者只考虑地面运动的特点。然而,帕吉特et al。7]提出structure-dependent IMs很难获得在一个区域风险评估桥组合由于缺乏足够的信息,比如基本的结构。孤立的桥梁显示完全不同的地震响应比普通短时间内桥梁。因此,本研究旨在确定的最优IM孤立pulse-like地面运动下桥梁评估现有七structure-independent IMs。四种典型的孤立的桥梁类型与不同墩高(从4米到20米)是用来进行非线性时程分析。效率、实用性、熟练和充分性,危害可计算性评估候选人选择强度的措施。

2。脆弱性函数方法

作为一个新兴的工具,地震是一个有用的工具来评估脆弱性的潜在地震破坏桥梁在地震。地震脆弱性是指条件概率地震需求满足或超过结构的抗震能力受到一系列特定的地面运动,通常用方程(1): 在哪里P脆弱性是条件失效概率,年代D和 的值和弥散地震需求,分别年代C和βc是地震的对应值和分散能力,分别和 累积正态分布函数。摘要概率地震需求分析(PSDA)是利用获得的脆弱性曲线桥梁,它可以建立工程需求参数之间的概率关系(edp)的组件和地面运动强度的措施(IMs) [18]。在这个过程中,峰值要求(D我)的关键组件,即曲率延性的码头和轴承的变形,被记录的我地面运动。

如果假定地震需求符合对数正态分布,地震需求(中位数之间的关系年代D)和强度测量(IM)可以用方程(2): 在哪里一个和b从响应数据获得回归系数的非线性时程分析。色散 理论上相关的地面运动。但是,为了简化,通常假定 是常数(19)如下: 在哪里n地面运动的数量。

3所示。一个最优的IM的特征

选择一个近似的IM概率地震需求模型中起着至关重要的作用,它提供了电子数据处理和IMs之间的联系。最优的IM应该满足以下五个需求1,7]。

3.1。实用性

实用性是用来检查之间的相关性要求放置在地面运动的结构和强度的措施,这是衡量回归参数b在方程(2)。更大的价值b表明一个更实际的IM。

3.2。效率

效率被认为是常见的指标,是一个最佳的IM。一个高效的IM可以减少估计需求的变化值,这是由较低的回归参数 在方程(3)。

3.3。熟练程度:一个复合指标的效率和实用性

传统的最优选择IM基于实用性和效率可能会导致一个挑战在平衡这两个参数。处理这个问题,帕吉特et al。7提出了一种复合测量ζ结合实用性和效率,这是定义在方程(4)。更熟练的IM收益率较低ζ。

3.4。充分性

充分性是一种替代的方法来确定最优的IM PSDMs [19]。足够我是统计独立的地面运动特征,如大小(米),震中距(R),和故障特征。IMs的充分性评估与剩余的回归分析ε/我来获取相应的 价值,从PSDM地面运动特征,米或R(1]。一个更大的 回归的价值评估表明更充分的IM。

3.5。风险的可计算性

风险的可计算性也是一个可行的衡量一个最优的IM。在定义Giovenale et al。20.),风险可计算性的努力水平评估地震灾害或推导出风险曲线。PGA或谱加速度段0.2秒或1 s是现成的风险地图;然而,其他structure-dependent IMs需要更多努力和有困难在计算一些IMs风险地图。

因此,只有structure-independent IMs,即七现有的IMs帕吉特et al。7),被认为是和比较。表列出了详细的IMs1与他们的公式。

表1
强度的措施相比,本文的列表。

4所示。特点和建模的孤立的桥梁

四种典型的孤立梁桥常见交通网络是采用本文的案例研究,即多单元的箱形梁(MCBG),多波束箱形梁(MBBG),混凝土工字形大梁桥(CIGB)和钢铁工字大梁桥(SIGB)。生成PSDMs代表每个桥的类型,配置必要的一些概括。大桥竣工数据收集各部门的运输和工程师的建议有经验的设计和恢复桥梁被确定码头的细节,上层建筑几何、隔离轴承参数,等等。公路桥梁的抗震设计指南21)也指为了确保关键特征(如刚度、质量,和自然周期)通常是符合现有的桥梁。特别是,码头维度决心保证桥墩的轴向压缩比是延性需求的约10%。通过这种方式,获得的结论本文代表孤立梁桥类型而不是一个特定的桥(图1)。

(一)
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图1
典型的梁的横截面(a) MCBG, (b) MBBG, (c) CIGB和(d) SIGB(单位:毫米)。

展示结构时期对优化结果的影响,码头的高度不同宽4米到20米来生成一个周期范围内。桥的典型的纵向布局图2。桥墩的纵向配筋率是统一设置为1.2%,16毫米圆形垂直间距为100 mm的关系。码头的配置也呈现在图2,在那里n是7 CIGB和MBBG MCBG 9,和5 SIGB和D指的是边长的码头。每个桥式的详细几何总结表2。


图2
海拔和码头部分简支梁桥的属性。
表2
四种孤立梁桥类型的特性。

作为一个有效的抗震措施和灾难预防、隔离设备发挥了重要作用在减少结构的地震反应。常见的隔离设备应用于交通网络包括弹性轴承(ERB)式桥墩(LRB)和摩擦摆系统(FPS) [22]。本文选择LRB装备在桥系统。LRB的力学性能可以被建模与双线性关系,决定与三个参数,即特征强度问、弹性刚度K1,postyielding刚度K2。给出了这些参数在表的具体公式3,在那里一个铅的横截面区域领导核心,G剪切模量的橡胶,一个的面积是橡胶,Σtr是橡胶层的总厚度。自参数依赖于特定站点场景和有一个可用的LRB组合(23),轴承参数直接决定根据万有引力上层建筑,如表所示4。

表3
LRB的机械参数的公式。
表4
机械性能LRB四桥的类型。

四桥类型被认为是在本文中包括元素会经历高度非线性行为在地震,这是纳入详细三维非线性OpenSees模型(24]。上层建筑通常是弹性受到地震和与弹性梁柱单元模拟。由于箍筋的约束作用在码头,我们应该将具体划分为盖零件和承压部件,分别。因此,我们采用纤维元素子结构模型。每个纤维元素都有自己的,可以模拟约束混凝土应力-应变关系,包括混凝土、纵向钢筋,分别。隔离设备的响应是由非线性模拟双线性元素铅的收益率。图3给出了分析模型的示意图孤立梁桥梁钢筋,混凝土,LRB的关系,σy,εy,fc,εuu,ε铜,K屈服强度、屈服应变、抗压强度、应变无侧限混凝土的抗压强度,应变约束混凝土的抗压强度,分别和放大系数由于约束效应。


图3
材料非线性分析模型与模型和隔离设备。

在模型中,屈服强度,加工硬化率,和钢的弹性模量是400 MPa, 0.5%,分别为2.0×105 MPa。在OpenSees Concrete01和Steel01材料模型,修改后的单轴Kent-Scott-Park [25)核心混凝土模型建立了考虑卸/重新加载刚度退化。核心混凝土,混凝土的抗压强度是设置为29.8 MPa和26.8 MPa,分别和破碎菌株是0.016和0.0035。

此外,阻尼是考虑为每个样本。结构动态分析的常用阻尼包括粘滞阻尼、模态阻尼和结构阻尼(26,27]。尽管提出了许多阻尼模型,理想的阻尼仍难以确定。在这篇文章中,粘性阻尼与瑞利阻尼考虑。瑞利阻尼具有代数操作的特点,统一的数学表达式,和简单的应用程序,这是广泛应用于结构动力响应分析。它假定阻尼矩阵(C质量矩阵)的组合(米和刚度矩阵K][26]: 在哪里α0和α1两个比例系数计算出方程(6): 在哪里ξ阻尼比是(本文假定为0.05)和ω我和ωj是结构的固有振动频率。因为纵向和横向地震反应的桥梁是本文的重点,第一阶纵向和横向频率选择的值ω我和ωj。瑞利阻尼的详细计算结果表1。

5。地面运动数据库

数据库包括243 pulse-like地面运动建立了波斯货币和贝克28]在2012年6月版的NGA-West2数据库通过旋转地面运动和识别脉冲在所有的方向。Dabaghi和Kiureghian29日)从数据库中选择121 pulse-like地面运动除余震和记录在网站远离断层(超过30公里)。因此,其余pulse-like地面运动数据库包含121对2014版的NGA-West2数据库。图4显示pulse-like地面运动对的分布米和RPGA,震动,脉冲时期(Tp)。从地震地面运动记录,米范围从5.4到7.9R从0.07变化到28.04公里。错误的机制包括反向,罢工滑,和反向斜。数据库中的每条记录pulse-like地面运动方向旋转到包含最大脉冲幅度和相应的正交水平方向后,贝克提出的方法(2]和Dabaghi Kiureghian [29日]。

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图4
pulse-like地面运动分布(a)级和source-to-site距离,(b) PGA, (c)震动,(d)脉冲周期T p。

本文使用上述的非线性进行历史分析121对pulse-like地面运动。电子数据处理包括曲率延性的要求(μx和μy:下标x和y指的是纵向和横向方向),轴承变形码头(δx,δy)、跟踪和记录的过程中。

地震地面运动的要求和IMs, PSDMs很容易开发。出于演示目的,PSDMs曲率延性μx条件的PGA和震动MCBG(墩高18米)在图5,在那里R2是相关系数。正如图中所示,b值分别是0.84和1.81 1.42和0.93,这表明震动更实用和有效的。相应的ζ分别是1.69和0.51,表明更精通IM震动。检查PGA的充分性条件统计依赖米和R绘制在图6。如图, 值是0.2527和2.3308×10−4关于米和R,分别。这一现象表明,震动更独立米和依赖R。

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图5
PSDMs曲率延性需求μ x条件(a) PGA和(b)给出。
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图6
与有条件的统计依赖充分性检查震动(一)米和(b)R。

突出脉冲效应的地震需求结构,最优强度测量远场情况下的地面运动的重复选择过程。一组80远场地面运动Shafieezadeh et al。30.]本文中使用的地震激励。图7显示了远场分布的地面运动。从地震地面运动记录米从5.5到7,R不同的从12.3到60公里。


图7
远场分布的地面运动。

6。最优强度测量下Pulse-Like地面运动

6.1。实用性

IMs的实用性比较可以用回归估计参数b。一个更实际的IM收益更大b。四桥的实用性比较类型与不同码头的高度数据所示8和9。如下数据,给出往往是最实用的IM码头曲率延性的纵向和横向方向,其次是骑兵。相比之下,低高度的情况下(从4米到12米),第四往往是最实用的IM,和更高的高度情况下(从14米到20米),PGA是最实用的IM。整个高度范围内,第四,PGD CAD、由于相对较低的实用性和PGA不适当的参数b。同样,对于displacement-related edp,即轴承位移,给出最实用的纵向和横向方向,其次是骑兵;最实用的IM Iv。被认为是高度范围,第四,CAD, PGD往往不太合适,因为实用性相对较低的参数b。一般来说,震动往往是最实用的IM,其次是骑兵。特别是,一个人应该注意,长周期的情况下(例如,16 - 20米),PGA不是一个实际的IM pulse-like地面运动下,这是一个常用的即时通讯建立分析脆弱性曲线(22]。

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图8
IMs实用性比较(一)码头沿纵向方向曲率延性和(b)码头沿着横向曲率延性。
(一)
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图9
IMs实用性比较(一)轴承变形沿纵向方向和(b)轴承沿横向变形。

如上所述,最优强度测量受到远场地面运动也确定了。表5总结了七个structure-independent IMs的实用性比较下远场MCBG的地面运动。为简单起见,横向的比较是没有的,因为它类似趋势。其他三个桥类型的实用性比较结果也不是这里列出由于类似的趋势。如表所示,骑兵往往是最实用的IM,紧随其后的是震动;然而,Iv往往是最不实用。为了证明脉冲效应实用性比较结果以图形方式,图10显示了比较的结果下pulse-like地面运动和远场地面运动,PGA,震动,第四,骑兵是选为候选IMs(调节μy),其他情况下遵循类似的趋势。如图,给出可选为适当的IM评估地震在远场和pulse-like地面运动的需求。此外,PGA不适当开发PSDMs在实用性方面,尤其是对高桥墩(超过16米)pulse-like地面运动。例如,b值是0.69和0.35 8 m和16 m病例pulse-like地面运动,分别,对远场地面运动,b变化在一个狭窄的范围。这一现象表明,PGA不应该选择的IM pulse-like地面运动下长周期结构。

表5
需求模型和实用性比较IMs受到远场地面运动。

图10
实用性比较下的IMs pulse-like和远场地面运动。实线和虚线指pulse-like和远场地面运动的情况下,分别。
6.2。效率

表示,IMs的效率与色散可以评估 从PSDMs获得。更大的 是,低效率的IM。数据11和12目前的效率比较pulse-like地面运动下的四种桥。如下数据,给出往往是最有效的IM码头的高度从4米到16米码头曲率延性。然而,当高度18米或20米,第四往往是最有效的IM。轴承的变形、Ia往往是最有效的在纵向方向,给出最有效的IM横向方向。一般来说,震动往往是最有效的IM。一个有趣的现象观察,PGA不是有效的实用性比较类似于长周期结构,强烈支持上述的假设。

(一)
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图11
IMs效率比较(一)码头曲率延性沿纵向方向和(b)码头沿着横向曲率延性。
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图12
IMs效率比较(a)轴承变形沿纵向方向和(b)轴承沿横向变形。

同样的,表6列表7 structure-independent IMs的效率比较远场地面运动。如表所示,Iv往往是最有效的IM。被认为是高度范围,PGA和PGD效率较低,因为相对较大的效率参数 。同样,为了证明脉冲效应的比较结果,图13显示了IMs的效率比较下pulse-like地面运动和远场地面运动,PGA,震动,第四,Ia选为候选IMs(调节μy),其他情况下遵循类似的趋势。如图,给出可选为适当的IM预测桥梁的地震响应在远场或pulse-like地面运动对效率。此外,PGA下最有效的IM pulse-like或远场最大地面运动由于色散 。

表6
需求模型和效率比较IMs受到远场地面运动。

图13
效率比较的IMs pulse-like和远场地面运动。实线和虚线参考案例pulse-like和远场地面运动下,分别。
6.3。熟练

复合测量ζ可以用来估计IMs的熟练程度,结合实用性和效率。更熟练的IM较低ζ。IMs在人物的比较熟练14和15。如下数据,ζ小震动条件反射的曲率延性和轴承变形在纵向和横向的方向,这表明震动是最精通IM,其次是骑兵。考虑高度范围,第四,CAD, PGD和PGA往往不太合适,因为相对较高水平的参数ζ。同样,对于长周期情况,PGA不是精通IM,与实用性和效率比较结果一致。这一现象表明,PGA不适合选为IM发展PSDMs pulse-like下长周期结构的地面运动。

(一)
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图14
IMs能力比较(一)码头沿纵向方向曲率延性和(b)码头沿着横向曲率延性。
(一)
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图15
IMs能力比较(一)轴承变形沿纵向方向和(b)轴承沿横向变形。

同样的,表7总结了比较熟练的七个structure-independent IMs在远场地面运动。如表所示,骑兵往往是最精通的IM,其次是震动。为了证明脉冲效应的比较结果,图16显示了IMs的熟练程度比较下pulse-like地面运动和远场地面运动,PGA,震动,骑兵和Ia选为候选IMs(调节μy),其他情况下遵循类似的趋势。如图,给出可选为适当的IM评估地震需求下远场和pulse-like地面运动能力。此外,PGA不适当的执行pulse-like或远场地面运动下的脆弱性分析,因为相对较大ζ。每个人都应该注意ζPGA的价值与码头的高度增加极其pulse-like地面运动,这表明PGA下至少精通pulse-like地面运动。这种现象是一致的实用性和效率比较的结果。

表7
需求模型和水平比较IMs受到远场地面运动。

图16
比较熟练的IMs pulse-like和远场地面运动。实线和虚线指pulse-like和远场地面运动的情况下,分别。
6.4。充分性

的 值,这与回归分析获得剩余,ε从PSDM / IM,相对于地面运动特征,也就是说,米或RIMs的充分性,是一个指标。一般来说, 值为0.1时被认为是截止的IM不足。

一个更大的 意味着我更充分的价值。IMs充分比较的四个候选人,即震动,PGA,骑兵,和Ia的数字17和18。数据表明,PGA往往是最充分的IM调节在码头上的曲率延性降低高度范围(从4米至6米)对米和R在纵向和横向的方向。更高的高度情况下(大于8米),骑兵往往更充分,其次是震动。displacement-related EDP,即轴承变形、PGA往往是最充分的IM高度较低的情况下(4米到8米)对米;随着高度增加,给出更充分的。然而,骑兵往往是最充分的我对R低的高度范围(4米到8米)在纵向和横向的方向。随着高度的增加,骑兵和震动往往是最充分的IMs在纵向和横向方向,分别。一般来说,PGA和震动都可以被选为最充分的IMs PSDMs孤立的桥梁。

(一)
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图17
对IMs充分性比较米(一)码头沿纵向方向,曲率延性(b)码头沿着横向曲率延性,(c)轴承变形沿纵向方向,和(d)轴承沿横向变形。
(一)
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图18
对IMs充分性比较R(一)码头沿纵向方向,曲率延性(b)码头沿着横向曲率延性,(c)轴承变形沿纵向方向,和(d)轴承沿横向变形。

同样的,表8显示了比较充足的七个structure-independent IMs在远场的地面运动。如表所示,Iv往往是最充足的IM,其次是震动和骑兵。证明脉冲的影响充分比较的结果,图19显示了IMs的充分性比较下pulse-like地面运动和远场地面运动,PGA,震动,骑兵和Ia选为候选IMs(调节μy),其他情况下遵循类似的趋势。如图,给出更充分的对R和足够的对米在pulse-like地面运动。在远场的地面运动,给出适当的独立米和R。同样,PGA相对依赖米和R,这意味着PGA不充分的。

表8
需求模型和充分性比较使用 IMs受到远场地面运动的价值观。

图19
比较充足的IMs pulse-like和远场地面运动。实线和虚线参考案例pulse-like和远场地面运动下,分别。

一般来说,在实用性的基础上,效率,熟练,可以选择和充分的比较结果,给出最优IM评估地震需求的孤立pulse-like和远场地面运动下的桥梁。然而,PGA不是一个适当的IM建立PSDMs孤立的桥梁,这是常用的脆弱性分析的结构。

7所示。结论

强度测量(IM)起着至关重要的作用在连接结构的地震危险性分析的需求(例如,曲率延性和轴承变形)。传统的地面运动模型中使用的概率地震危险性需求分析不考虑脉冲效应,可能低估了由于结构位于断层地区的地震需求。此外,研究最优强度测量选择针对pulse-like地面运动是罕见的,没有被广泛接受的最佳强度测量地面运动pulse-like桥工程社区,强调研究的必要性的最佳措施针对pulse-like地面运动强度。

本文的目的是确定最优的IM PSDMs孤立的桥梁受到pulse-like地面运动。为此,我们选择四种常见孤立梁桥类型与不同码头的高度(从4米到20米),也就是说,多单元的箱形梁(MCBG),多波束箱形梁(MBBG),混凝土工字形大梁桥(CIGB)和钢铁工字大梁桥(SIGB),作为案例研究。完全七structure-independent IMs,即峰值地面加速度(PGA),地面峰值速度(震动),峰值地面位移(PGD),阿里亚斯强度(Ia),速度强度(Iv),累积绝对速度(CAV)和累积绝对位移(CAD),选择候选人IMs。概率地震需求分析是使用121对pulse-like执行地面运动。需求工程参数(edp),即码头曲率延性(μx,μy)和轴承变形(δx,δy),是监测和重新排序。效率、实用性、熟练、充分性和风险可计算性的选择指标选择最优强度测量。

一般来说,震动往往是最优调节PSDMs IM的孤立与考虑码头桥梁高度范围基于上述五个指标。这种现象可以解释在孤立的桥梁的响应pulse-like地面运动由脉冲控制的特点。此外,作为常用的即时通讯,PGA并不是一种合适的选择建立孤立的脆弱性曲线桥梁pulse-like地面运动下,这意味着应该特别注意强度测量选择当脉冲效应不容忽视。本文获得的结果旨在为孤立的概率地震需求分析提供指导桥梁在断层附近。

数据可用性

所有的数据、模型和代码生成或使用在研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51608161和51608161),中国博士后科学基金会(2016 m602007),中央大学的基础研究基金(PA2019GDPK0041),和中国科技部(SLDRCE19-B-19)。支持感激地承认。