一种双槽渡槽结构地震易损性分析方法

1.本发明属于双槽渡槽结构抗震技术领域，具体涉及一种双槽渡槽结构地震易损性分析方法。


背景技术：

2.大型渡槽结构被称为跨流域调水工程中的“咽喉”工程，结构的安全性在整个输水工程中具有举足轻重的作用。大型渡槽结构由于上部槽身的薄壁构造和槽内水体的存在，以及两者在地震激励下产生的流固耦合效应，使得渡槽结构的地震响应十分复杂。
3.随着不少学者在渡槽结构抗震领域研究工作的不断进行，也取得了许多卓有成效的成果；张文学等以流固耦合动力学理论为基础，结合反应谱理论，推导了渡槽结构横向地震响应的简化计算公式，并与非线性有限元模型的时程响应进行对比分析；郑明燕、周振纲通过渡槽结构拟动力试验和数值理论分析研究了不同桩土分析模型对渡槽结构抗震性能的影响；徐瑞祥等基于一种新型斜面导向的自复位减隔震型支座和单槽振动台试验来研究该支座的减隔震效果。
4.以上研究分别从抗震分析方法、数值有限元建模、结构损伤破坏以及减隔振控制等角度对渡槽结构的抗震性能和影响因素进行分析，但对于地震作用下槽身与水体之间的流固耦合相互作用这一关键部分，大都采用westguarrd模型和housner模型，这两种分析计算方法都采用附加质量来简化水体与槽体之间的相互作用，忽视了地震动加速度引起的动水压力。
5.除此之外，聂利英等以洗耳河渡槽为例，利用弹塑性梁单元对排架进行模拟，采用有限体积法、二阶迎风格式及任意拉格朗日-欧拉有限元方法(ale)建立了二维流固耦合渡槽结构数值模型，分析了横槽向地震作用下排架的损伤和渡槽结构非线性动力响应；张多新等基于变分原理提出了流固耦合系统的位移-压力有限元模拟方法，求解了渡槽结构流固耦合分析系统的动力特性求解方程，建立了矩型和u形渡槽结构的动力分析模型,以非对称模态特征值求解法得到了大型渡槽结构的动力特性,可以较为准确地求解结构的动力特性与地震响应规律。
6.上述研究虽然能够模拟槽身与水体之间的流固耦合作用，并在一定程度上提高数值模拟的精度，但与地震作用下薄壁槽身结构与水体之间真实的动力相互作用依然有较大的差异，同时上述方法计算量较大，且在进行渡槽结构抗震分析时大都只研究了水平向地震激励下渡槽的抗震性能。
7.由于地震动发生的不确定性，在研究渡槽结构抗震可靠性时需要输入大量随机地震波来进行动力响应计算，以量化结构的抗震性能，而上述的分析模型显然不能完成此项工作。且由于地震易损性分析是评估工程结构在地震激励下风险和潜在损害的关键步骤，双槽渡槽结构在水的结构运输中起着至关重要的作用，因此需要对其地震动性能进行准确评估，而现有的地震易损性分析方法通常缺乏精确性，大多基于附加质量法来简化水体与渡槽结构之间的相互作用，但该方法只能粗略地表示由地震动加速度引起的与其同方向的
动水压力，无法准确表达槽内水体晃动引起的冲击动水压力和对流动水压力，与真实的流固耦合相互作用有较大差异，并未考虑双槽渡槽结构中的流体-结构相互作用效应。


技术实现要素：

8.针对现有方法在双槽渡槽结构的地震易损性分析中存在精度不高、未考虑流体-结构相互作用效应以及无法准确表达槽内水体晃动引起的冲击动水压力和对流动水压力，与真实的流固耦合相互作用有较大差异的缺陷和问题，本发明提供一种双槽渡槽结构地震易损性分析方法。
9.本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种双槽渡槽结构地震易损性分析方法，包括以下组成部分：渡槽结构流固耦合分析模型的建立、非线性动力响应分析和地震易损性分析；通过流固耦合效应分析计算方法以及高效准确的分析单元和建立材料本构模型来进行流固耦合的双槽渡槽结构有限元分析模型的建立，以准确反映结构动力分析结果；所述分析单元包括纤维梁单元、零长度单元和两节点连接单元；
10.所述渡槽结构流固耦合分析模型的建立包括以下过程：
11.(1)依据结构形式及分析单元特性，将单跨渡槽的槽身平均分为七段；
12.(2)对槽身构件中的槽壁和底板进行分解并分别转化为对应的纤维截面；
13.(3)两节点连接单元分别连接质量块与槽壁来组成流固耦合分析模型的质量弹簧系统，以体现对流动水压力对渡槽结构的影响，并通过施加单元力来体现冲击动水压力；
14.(4)通过流固耦合效应分析计算方法得到每段槽身中质量弹簧系统中质量块的质量与弹簧的刚度，同时将水体和槽身自身的质量赋予分析单元；
15.所述渡槽结构有限元模型建立后并对所述渡槽结构进行非线性动力时程分析，来准确获得结构地震响应；最后进行渡槽结构地震易损性分析，包括概率地震需求分析和概率抗震能力分析；所述概率地震需求分析用于通过对有限元数值模型进行大量的动力响应分析，得到结构的地震需求和地震动强度之间存在的对应关系，进而获得工程结构的概率地震需求模型；所述概率抗震能力分析用于通过实际情况划分不同结构对应的破坏等级，并定义各种损伤破坏等级相应的极限状态，最后结合概率需求分析模型得到结构的地震易损性曲线。
16.进一步地，所述步骤一中选择使用能够准确反映混凝土弹塑性的随机损伤的本构关系模型和能够同时考虑双向bauschinger效应、等向强化效应的giuffre-menegotto-pinto钢筋本构模型进行有限元模型建立。
17.进一步地，所述纤维梁单元进行建模时需要在单元和截面两个层次分别构建：
18.(1)对于单元：纤维梁单元需要沿单元纵向划分为多个积分点截面，利用位移形函数进行插值，进而得到节点处的位移与积分点处的截面位移之间的关系，最后利用几何方程来得到任意积分点处的应变；
19.(2)对于截面：将上述积分点处的截面进行网格的划分，并利用平截面假定来得到每个网格对应的应变，之后利用纤维网格相应的本构关系来求得对应积分点的应力，最后对截面的应力进行积分，从而得到整个截面的内力。
20.进一步地，采用基于柔度法的纤维梁单元进行有限元模拟，用以较优的反映和模拟钢筋混凝土各种材料及构件的复杂的非线性力学特性。
21.进一步地，所述非线性动力时程分析是将选定的地震动对结构进行激励，对结构体系的运动方程进行积分，并利用数值积分方法获得结构在地震动作用下每一时刻的加速度、速度、位移响应，并根据结构构件的材料属性来获取结构的内力和变形在整个地震过程中的变化情况。
22.进一步地，采用newmark-β法中的增量分析方法进行动力时程分析，其动力方程的增量形式可表示为：
[0023][0024]
式中：a
n+1
为结构n+1时刻的加速度。
[0025]
进一步地，所述渡槽结构的地震易损性分析过程包括：地震动的选取与调幅、地震动强度指标的选取以及基于所述双槽渡槽结构流固耦合分析模型，依据上述的地震易损性评估分析理论，采用增量动力分析法(ida)进行非线性响应分析，得到渡槽结构的易损性情况。
[0026]
进一步地，所述地震易损性分析包括墩柱易损性分析和支座易损性分析。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028]
本发明通过采用流固耦合效应计算方法和纤维梁单元模型，建立了能够兼顾计算效率和计算精度的有限元分析模型，来研究双槽渡槽结构的抗震性能；该分析模型综合了附加质量法和弹簧-质量法的优点，并且能综合考虑水平向地震动和竖向地震动对结构产生动水压力作用；
[0029]
本发明通过建立了能够全面反应钢筋混凝土材料非线性的材料本构模型和纤维梁单元进行双槽渡槽结构空间梁格流固耦合分析模型，用于非线性地震响应及地震易损性分析；基于有限元数值分析模型研究了渡槽结构两种水体分析模型在不同水位工况下的自振周期、振动模态等动力特性。
[0030]
建立了可以兼顾计算效率与计算精度的渡槽结构流固耦合分析计算模型，依据渡槽所处的实际场地情况选取合适的随机地震动进行激励，基于增量动力分析法(ida)得到大型双槽渡槽结构的概率地震需求分析模型和易损性曲线，并与附加质量模型进行对比，实现对双槽渡槽结构地震易损性规律的分析。
[0031]
本发明方法通过扩展流固结构耦合分析方法，考虑了流体-结构相互作用效应，从而更准确地评估结构的地震响应。本发明方法引入了混凝土弹塑性损伤本构模型，用于准确表示混凝土的应力-应变关系和损伤演化，从而实现对结构响应的更真实评估。本发明方法应用了giuffre-menegotto-pinto钢筋本构模型，有效地捕捉了双槽渡槽结构中钢筋的双向bauschinger效应和各向同性硬化等特殊行为，准确描述了钢筋混凝土构件的响应；
[0032]
本发明综合考虑了流体-固体结构相互作用、混凝土的非线性行为以及钢筋的特殊本构行为，为双槽渡槽结构的地震易损性分析提供了更准确、可靠的方法；并通过对双槽渡槽结构进行振动台试验，验证了分析模型的准确性。
附图说明
[0033]
图1为本发明流固耦合效应分析计算示意图；
[0034]
图2为本发明混凝土本构应力应变曲线图；
[0035]
图3为本发明钢筋本构应力应变曲线图；
[0036]
图4为本发明纤维梁单元模型示意图；
[0037]
图5为本发明两节点连接单元示意图；
[0038]
图6为本发明流固耦合分析模型示意图；
[0039]
图7为本发明增强动力分析流程图；
[0040]
图8为本发明结构典型概率地震需求模型示意图；
[0041]
图9为本发明易损性分析流程示意图；
[0042]
图10为本发明渡槽结构漕墩横槽向易损性曲线图；
[0043]
图11为本发明渡槽结构支座横槽向易损性曲线图；
[0044]
图12为本发明流固耦合分析模型地震需求模型拟合曲线图；
[0045]
图13为本发明附加质量分析模型地震需求模型拟合曲线图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0047]
请参阅图1-11，本发明提供了双槽渡槽结构地震易损性分析方法的技术方案：该方法扩展了水工程抗震设计规范中推荐的流固耦合分析方法，适用于双单元渡槽结构。采用混凝土弹塑性损伤本构模型和giuffre-menegotto-pinto钢筋本构模型，分别可以解释双向包辛格效应和各向同性硬化效应。该方法采用高效、精确的纤维梁单元捕捉钢筋混凝土等材料的各种非线性力学特性。此外，采用零长单元和双节点连接单元模拟不同方向的力学行为。建立了考虑流固耦合效应的双槽渡槽结构有限元分析模型。通过对双槽渡槽结构进行振动台试验，验证了分析模型的准确性。
[0048]
实施例一：
[0049]
本发明提供了一种双槽渡槽结构地震易损性分析方法，包括渡槽结构流固耦合分析模型的建立、非线性动力响应分析和地震易损性分析三部分；通过流固耦合效应分析计算方法以及高效准确的分析单元和建立材料本构模型来进行流固耦合的双槽渡槽结构有限元分析模型的建立，以准确反映结构动力分析结果；具体地，由于渡槽结构槽身内水体在地震动激励下产生的剧烈晃动，从而使得结构表面同时受到对流水压力和脉冲动水压力作用；因此本发明以单槽渡槽结构分析模型的计算方法为基础，得到双槽渡槽结构分析的模型的计算方法，其计算分析示意图如图1所示；
[0050]
(1)冲击动水压力
[0051]
本发明所述的渡槽为一级渡槽，其在横槽向水平地震动作用下，冲击动水压力对槽壁的作用可作为沿高程分布的固定于其水平方向的附加质量进行考虑，当h/l≤1.5时，按公式(2.1)计算；当h/l》1.5时,按公式(2.2)计算：
[0052][0053][0054]
对槽底的冲击动水压力而言，当h/l≤1.5时，其可作为随x变化的动水压力，按下式进行计算：
[0055][0056]
上式中：m为沿槽轴向单宽长度水体的总质量，对于矩形渡槽而言m＝2ρwhl；a
wh
(t)为渡槽结构槽底中心位置处水平方向的加速度；ρw为水体的密度；h为槽内水体的深度；2l为槽体的宽度。而在竖向地震作用下，可只计入冲击动水压力的作用。
[0057]
对于槽底而言，可以作为均布于其上的竖向附加质量进行考虑，按下式计算：
[0058][0059]
对槽壁而言，可以作为沿高程分布的水平向压力进行计算，如下式所示，作用在相对槽壁上的动水压力在各个时刻指向同一方向：
[0060][0061]
上式中：a
wv
(t)为槽底中心处的竖向加速度。
[0062]
(2)对流动水压力
[0063]
在横槽向水平地震动作用下，槽体内的对流动水压力可以看作在h1处与槽壁相连的弹簧-质量振动体系，其等效质量为m1、等效弹簧刚度为k1、高度为h1，可按下式进行计算：
[0064][0065][0066][0067]
本发明上述的方法充分考虑地震作用下槽内水体晃动对渡槽结构产生的冲击动水压力和对流动水压力，并且同时考虑竖向地震动对渡槽结构地震响应的影响，并且计算方程较为简便。
[0068]
精确的非线性材料本构模型是钢筋混凝土结构抗震分析的核心，材料的本构模型指的是材料在各种作用下的应力和应变之间的关系以及相应的滞回规律，其准确性直接影响结构动力分析的结果。本发明选择可以准确反映混凝土弹塑性的随机损伤本构关系模型和可以同时考虑双向bauschinger效应、等向强化效应的giuffre-menegotto-pinto钢筋本构模型进行有限元模型建立，具体地：
[0069]
(1)混凝土本构模型
[0070]
本发明通过混凝土弹塑性损伤本构关系模型来定义模拟混凝土材料的非线性力
学行为，其本构关系曲线如图2所示，其中fc、f
t
为混凝土的抗压峰值强度和抗拉峰值强度；εc、ε
t
为混凝土材料抗压峰值应力和抗拉峰值应力对应的峰值压应变、峰值拉应变，该本构模型能够全面准确地反映混凝土材料的强度软化、单边效应、刚度退化和残余变形等一系列非线性力学行为，可为渡槽结构在结构层次的弹塑性和非线性全过程分析奠定基础。
[0071]
(2)钢筋本构模型
[0072]
本发明选择giuffr
é‑
menegotto-pinto model with isotropic strain hardening钢筋本构模型来模拟钢筋的非线性行为，该模型是在giuffre-menegotto-pinto钢筋应力-应变本构模型的基础上进行修正得到的，可以充分反映钢筋的双向bauschinger效应和等向强化效应，其本构关系曲线如图3所示，其应力-应变关系表达式为：
[0073][0074][0075][0076]
上式中：σ
eq
、ε
eq
分别为钢筋的正交化应力和正交化应变；γ为应变硬化系数；σs为钢筋的应力；εs为钢筋的应变；σr、εr分别为钢筋本构模型卸载点或二次加载点对应的应力和应变；e
l
为初始模量；es为屈服模量。
[0077][0078]
σ0＝es(ε
0-εr)+σrꢀꢀ
(2.13)
[0079][0080][0081]
上式中，σ0、ε0分别为钢筋本构模型两条渐近线交点对应的应变、应力；σ
sy
、ε
sy
为屈服应力和屈服应变；εs为应变增量；r为过渡曲线参数；ξ为本构曲线相邻两次反向加载段的非线性应变指标；r0、b1、b2为钢筋本构模型的参数，根据实际经验值可分别取为r0＝20，b1＝18.5，b2＝0.15。
[0082]
而对于分析单元模型，主要由纤维梁单元、零长度单元和两节点连接单元组成，具体地，
[0083]
(1)纤维梁单元
[0084]
纤维梁单元是通过将梁柱构件的节点连接截面划分为许多纤维截面，同时在满足平截面假定要求的前提下，将划分的纤维依据实际情况赋予不同的单轴本构材料特性，来
准确模拟实际构件截面中的钢筋、核心区混凝土、非核心区混凝土等不同区域的力学特性，进而根据不同纤维的单轴应力-应变关系得到构件截面的力和变形关系，纤维梁单元模型示意如图4所示；
[0085]
采用纤维梁单元进行建模时需要在单元和截面两个层次分别构建，对于前者，纤维梁单元需要沿单元纵向划分为多个积分点截面，利用位移形函数进行插值，进而得到节点处的位移与积分点处的截面位移之间的关系，最后利用几何方程来得到任意积分点处的应变；对于后者，需要将上述的积分点处的截面进行网格的划分，并利用平截面假定来得到每个网格对应的应变，之后利用纤维网格相应的本构关系来求得对应积分点的应力，最后对截面的应力进行积分，从而得到整个截面的内力。
[0086]
本发明采用基于柔度法的纤维梁单元进行有限元模拟，以进行纤维梁单元层次的计算分析；基于柔度法的纤维梁单元可以较好地反映和模拟钢筋混凝土各种材料及构件的材料软化、刚度下降退化等损伤效应和轴力与弯矩剪力耦合等复杂的非线性力学特性，且计算量少，计算时间短。适合用来模拟渡槽结构的下部排架和上部槽身构件，并且采用纤维梁单元可以准确地反映薄壁构件的刚度和强度，避免了槽壁完全刚性假设对渡槽结构地震响应带来误差。
[0087]
(2)零长度单元
[0088]
本发明通过零长度单元来对渡槽结构的连接构件(支座、横向挡块)进行模拟。
[0089]
(3)两节点连接单元
[0090]
如图5所示，本发明通过两节点连接单元对地震作用下槽内质量弹簧系统中的弹簧进行模拟，连接质量块与槽壁，由此来体现对流动水压力对渡槽结构的影响。参见图6，对于渡槽结构流固耦合分析模型的建立方法包括以下过程：
[0091]
(1)依据结构形式及分析单元特性，将单跨渡槽的槽身平均分为七段；
[0092]
(2)对槽身构件中的槽壁和底板进行分解并分别转化为对应的纤维截面；其中各段槽身之间的槽壁和槽底的连接截面如图中1、2截面所示，每一段的槽身由截面3连接而成；且槽壁和底板单元用于承受相应长度范围内的自重和动水压力；
[0093]
(3)两节点连接单元分别连接质量块与槽壁来组成流固耦合分析模型的质量弹簧系统，以体现对流动水压力对渡槽结构的影响；
[0094]
(4)渡槽结构在横槽向和垂直于地面的地震动激励作用下槽内水体晃动对渡槽结构产生的冲击动水压力通过在槽壁和槽底单元上施加相应的作用力进行模拟，对于渡槽结构流固耦合作用中的对流动水压力而言，通过上述中槽身内的质量-弹簧系统进行模拟，并通过上述的流固耦合效应分析计算方法得到每段槽身中质量弹簧系统中质量块的质量与弹簧的刚度，同时将水体和槽身自身的质量赋予分析单元。
[0095]
在渡槽结构有限元模型建立后，对渡槽结构来进行非线性动力时程分析，该方法能够将选定的地震动对结构进行激励，对结构体系的运动方程进行积分，利用合理高效的数值积分方法获得结构在地震动作用下每一时刻的加速度、速度、位移响应，然后依据结构构件的材料属性获得结构的内力和变形在整个地震过程中的变化情况，不会受到结构弹性和弹塑性阶段的局限。
[0096]
本发明在进行动力时程分析时采用newmark-β法中的增量分析方法，其动力方程的增量形式可表示为：
[0097][0098]
式中：a
n+1
为结构n+1时刻的加速度。结构的速度、位移增量表达式为：
[0099][0100][0101]
将上式(2.17)、(2.18)代入式(2.16)可得：
[0102][0103][0104]
根据工程实际需要，分别对结构的加速度和位移动力响应值进行求解：
[0105]
加速度的求解计算公式为：
[0106][0107]
上式(2.21)中，分别为结构的等效质量矩阵和等效作用增量，其表达式为：
[0108][0109][0110]
依据a
n+1
＝an+δa
n+1
，上式(2.17)、(2.18)可表达为：
[0111][0112][0113]
由上式(2.24)、(2.25)可得：
[0114][0115]
将上式(2.26)代入式(2.19)可得：
[0116][0117]
其中，分别为结构的等效刚度矩阵和等效荷载增量，可表示为：
[0118]
[0119][0120]
求解时的稳定条件为：
[0121][0122]
上式(2.30)中，ξ是圆周频率ω相应的临界阻尼系数；当时，计算无条件稳定；当时，结构视为无阻尼；当时，结构视为附加了的人工阻尼。通过进行渡槽结构的非线性动力时程分析，获取结构的内力和变形在整个地震过程中的变化情况，从而方便提高结构的稳定性。
[0123]
最后进行渡槽结构的地震易损性分析，地震易损性是指工程结构在某强度地震动作用下发生不同程度损伤的超越概率：
[0124][0125]
工程结构地震损伤破坏的程度可以通过相应的极限状态进行定义，当工程结构达到或超过某种损失破坏程度(ds)对应的极限状态ls(limit state)时，可表示为：
[0126]fr
(x)＝p[ls∣im＝x]
ꢀꢀ
(2.32)
[0127]
其中fr(x)为地震易损性函数。
[0128]
本发明地震易损性分析包括概率地震需求分析和概率抗震能力分析，是进行工程结构地震损伤风险和地震损失评估的基础，具体地，
[0129]
(1)概率地震需求分析
[0130]
概率地震需求分析指的是通过求解其损伤破坏的程度与地震动强度参数(im)之间的关系来获得结构的地震需求模型；
[0131]
本发明采用增量动力分析法进行非线性分析，通过地震动调幅，能够跟踪获得工程结构随地震动强度的增大而发生的弹性、弹塑性及倒塌的全过程，能够为易损性分析提供准确可靠的数据，其分析流程参见图7，通常情况下，假设地震需求d在地震动强度im＝x时，服从对数正态分布：
[0132]
d＝m
d∣im
ε
ꢀꢀ
(2.33)
[0133]
上式中：m
d∣im
为im＝x对应的结构地震需求d的中位值；ε为随机误差，假设其具有对数正态分布的特性，当中位值为1时，对数标准差表示为：
[0134]
[0135]
上式中：di为地震需求的样本点；n为回归分析中的数据点个数，结构的概率地震需求模型可表达为：
[0136][0137]
上式中：d为给定的地震需求水平；φ()为标准正态分布的随机变量相对应的概率分布函数，指的是图8中的n～(lnm
d∣im
,β
d∣im
)，同时上式又可称为“结构地震需求易损性”，可表征结构在地震动强度im＝x时，地震需求超过某一限定值的条件概率。
[0138]
工程结构地震需求m
d∣im
的中位值和地震动强度参数im＝x之间具有幂指函数的关系，如下所示：
[0139]md∣im
＝axbꢀꢀ
(2.36)
[0140]
其中，a、b为回归参数，可以采用最小二乘法进行回归分析得到，上式(2.36)可相应的转化为：
[0141]
ln(m
d∣im
)＝ln a+b ln x＝β0+β1ln x
ꢀꢀ
(2.37)
[0142]
将上式(2.37)代入到(2.35)可得：
[0143][0144]
上式为工程结构概率地震需求模型对应的表达式，其典型的概率地震需求模型示意图如图8所示；
[0145]
本发明采用地震动峰值增强pga作为地震动参数，以渡槽结构的流固耦合和附加质量模型为基础，选择墩顶位移和支座剪切位移作为槽墩和支座构件的地震响应需求参数，将地震动强度和结构地震响应峰值进行对数线性回归可得到相应的地震需求模型，如下表所示：
[0146]
表5.1槽墩概率地震需求模型
[0147][0148]
表5.2支座概率地震需求模型
[0149][0150]
如图12和13所示，对比了渡槽结构流固耦合和附加质量分析模型在大量随机地震动激励下槽墩和支座构件1/3水位工况的地震需求响应回归曲线，表5.1、表5.2对比了两种分析模型地震响应的线性拟合情况，其中线性拟合函数的一次项系数值越大，结构地震响应与地震动强度参数之间的关联性越敏感，趋势线拟合程度指标皮尔逊相关系数(r2)值越大，线性拟合效果越好。
[0151]
通过对比分析可知：
[0152]
(1)渡槽结构槽墩构件两种分析模型的地震需求模型随着水位的增高，地震响应与地震动强度参数的关联性敏感性降低，但对于支座构件而言，关联敏感性并不随槽内水位的变化而表现出一致性规律。
[0153]
(2)对于流固耦合分析模型而言，槽墩和支座构件在空槽下的关联敏感性大于有水工况，并且流固耦合模型的关联敏感性大于附加质量模型，说明槽内水体在地震作用下对渡槽结构产生的冲击动水压力和对流动水压力将会使得渡槽结构的地震响应对地震动峰值加速度(pga)更加敏感。
[0154]
(3)通过对比分析各个工况下皮尔逊相关系数(r2)可以发现：对于槽墩和支座构件而言，在有水工况下，流固耦合分析模型的概率地震需求模型的拟合程度要优于附加质量模型，但在空槽工况下两种分析模型的拟合程度相差不大，由此可以看出在相同强度地震动激励下，附加质量模型的结构地震响应更加离散。总的来说，地震激励下槽内水体晃动会对渡槽结构的地震响应需求模型产生较大的影响。
[0155]
(2)概率抗震能力分析
[0156]
结构的概率抗震能力分析则主要是通过实际情况划分不同结构对应的破坏等级，并定义各种损伤破坏等级相应的极限状态(界限值)，最后结合上文中的结构概率需求分析模型，求解得到结构的地震易损性曲线，同时还可以结合地震危险性和相应的地震损失分析进行地震分析，为预估地震灾害对经济和社会造成的危害程度。
[0157]
本发明进行渡槽结构的地震易损性分析的流程示意图参见图9，分析过程包括：
[0158]
s1、地震动的选取与调幅；天然地震动的选取要满足1)根据渡槽结构所处的场地条件来确定标准设计反应谱；2)根据标准设计反应谱所描述的地震动特性，从地震动数据库选取震级、持时和剪切速度相符合的地震动；因此本发明中选取18条地震动作为输入来兼顾计算精度与计算效率，并依据地震动峰值对地震波时程进行调幅。18条地震动的详细信息如下表所示：
[0159][0160]
本发明基于渡槽结构和桥梁结构现有地震易损性研究成果，综合考虑地震动调幅的合理性和简便性，采用等步长法进行调幅，对选取的18种地震工况对应的横向和竖向36条不同的地震动，从0.1g为起始地震动强度，调幅步长为0.1g，从0.1g依次调幅到0.8g。
[0161]
s2、地震动强度指标的选取；合适高效的地震动强度参数指标可以显著地降低增量动力分析曲线的离散程度，同时还可以减少地震动输入的数量；本发明中选取pga作为渡槽结构概率地震需求分析和地震易损性分析的地震动强度指标，以pga为强度指标的结构概率地震需求模型，可以通过选取足够的地震动数量来满足其离散性，pga强度参数的获取相对较为简单。
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s3、基于上述双槽渡槽结构流固耦合分析模型，依据上述的地震易损性评估分析理论，采用增量动力分析法(ida)进行非线性响应分析，得到渡槽结构的易损性情况；其中渡槽结构概率地震需求分析是基于渡槽结构非线性有限元模型的增量动力分析得到的时程响应结果，本发明采用地震动峰值强度pga作为地震动参数，以渡槽结构的流固耦合和附加质量分析模型为基础，选择墩顶位移和支座剪切位移作为槽墩和支座构件的地震响应需求参数，将地震动强度和结构地震响应峰值进行对数线性回归可得到相应的地震需求模型；具体地，
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1)槽墩易损性分析
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下图10和表5.3、表5.4对比了渡槽结构流固耦合和附加质量分析模型的槽墩构件在随机地震作用下不同水位工况横槽向的损伤超越概率和易损性曲线，通过对比分析可知：(1)不同水位工况下两种分析模型的槽墩构件在随机地震激励下发生轻微损伤、中等损
伤、严重损伤、完全破坏的超越概率逐渐降低，并且不同程度的损伤超越概率随着地震动强度的增加而不断增大。(2)通过对比分析流固耦合分析模型的易损性情况可以看出：在0.2g、0.4g、0.6g强度地震动激励下发生轻微、中等损伤的概率随着槽内水位的增加而不断减小，其中0.2g时，槽内水位对轻微和中等损伤概率的影响很小，概率差在4％以内；在0.4g和0.6g时，槽内水位对两种损伤概率的影响明显增大，并且1/3水位和2/3水位之间的损伤概率差距最大，概率差在5％-7％之间。对于严重损伤和完全破坏而言，不同水位工况对两种损伤概率的影响较小，在中小强度0.2g、0.4g地震作用下发生严重损伤和完全破坏的概率为12％-15％、0％-4％，在强震0.6g、0.8g地震作用下发生严重损伤和完全破坏的概率为14％-20％、5％-10％。(3)在地震动激励下，附加质量分析模型发生各种损伤的概率都要大于流固耦合分析模型，随着地震动强度的增大，两者的损伤概率差也随之增大。在空槽和满水工况下两种分析模型的损伤概率差较小，概率差在5％以内；在1/3和2/3水位工况下，两者的损伤概率差距明显增大，在强震作用下的差距为5％-12％。
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表5.3渡槽结构流固耦合分析模型槽墩构件损伤超越概率
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表5.4渡槽结构附加质量分析模型槽墩构件损伤超越概率
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由此可以看出：槽内水体晃动对渡槽结构的地震响应及易损性情况的影响较大；
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2)支座易损性分析
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支座构件易损性曲线求解过程与槽墩相一致，基于上述地震易损性分析理论，依据支座概率地震需求模型和损伤指标，可求得支座构件在某种地震动强度作用下的损伤概
率，如图11为渡槽结构支座横槽向易损性曲线；
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表5.5渡槽结构流固耦合分析模型支座构件损伤超越概率
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表5.6渡槽结构流固耦合分析模型支座构件损伤超越概率
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图11和表5.5、表5.6对比了渡槽结构流固耦合和附加质量分析模型的支座构件在随机地震作用下不同水位工况横槽向的损伤超越概率和易损性曲线，从中可以看出：(1)不同水位工况下两种分析模型的支座构件在随机地震激励下发生轻微损伤、中等损伤、严重损伤、完全破坏的超越概率逐渐降低，并且不同程度的损伤的超越概率随着地震动强度的增加而不断增大，该规律与槽墩的损伤规律具有一致性。(2)支座的损伤超越概率随着槽内水位的增加而表现出一致的规律，即渡槽结构槽内水位越多，各种损伤程度的超越概率都随之增加，对于流固耦合分析模型而言，在中强地震0.4g强度时，不同水位工况下支座发生轻微概率为：65.0％、77.8％、86.7％、91.4％；发生中等损伤概率为：55.4％、68.2％、77.6％、82.3％；发生严重损伤的概率为：32.0％、44.8％、53.4％、59.5％；发生完全破坏的概率为：25.4％、36.4％、46.3％、48.8％，水位的逐步递增使得四种损伤概率的增幅约为12％、9％、5％。从中可以看出槽内水位对支座的易损性有较大的影响。(3)通过对比观察槽墩和支座相应的损伤超越概率和易损性曲线可以看出，在水位工况和地震动强度相同时，支座各种程度的损伤概率都大于槽墩，并且随着水位的增加，支座的损伤超越概率与槽墩的不同程度的损伤概率差距越来越大。(4)通过观察支座构件在两种分析模型的损伤情况
可以看出，附加质量模型下支座发生不同程度的损伤概率要大于流固耦合模型，与槽墩构件的损伤规律相一致，这是由于附加质量模型的动力放大效果将加大上部槽身的动力响应，这样就会使得支座也相应的产生较大的相对位移，产生损伤概率也随之增大。
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由此可以看出：在渡槽结构在地震动作用下，支座构件相较于槽墩会率先产生不同程度的损伤破坏，进入屈服状态来进一步降低渡槽结构的整体刚度，减小上部槽身传递到下部槽墩的惯性力，减轻槽墩构件受到的损伤破坏。
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本发明采用非线性钢筋混凝土材料本构和兼顾计算效率和计算精度的纤维梁单元构建了双槽渡槽结构流固耦合分析模型，相较于现阶段渡槽结构抗震研究常用的附加质量法更加准确，相较于现有非线性流固耦合计算模型更加高效。
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实施例二：
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为了验证实施例一中建立的流固耦合分析模型的准确性和可靠性，本实施例对双槽渡槽结构进行了振动台试验，以非线性本构模型和分析单元为基础，建立了渡槽结构下部支撑排架、支座连接构件及横向挡块的力学分析模型。依据渡槽结构振动台试验结果，从动力特性及位移响应情况两个方面验证了本文建立的渡槽结构流固耦合分析模型的正确性。分析结果表明：试验模型与有限元数值模型在1/3、2/3水位工况下横槽向和纵槽向一阶模态的频率值误差都在10％以内，同时墩顶和跨中的位移响应十分吻合，验证了数值有限元模型和相应计算方法的可靠性。
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以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：包括以下组成部分：渡槽结构流固耦合分析模型的建立、非线性动力响应分析和地震易损性分析；通过流固耦合效应分析计算方法以及高效准确的分析单元和建立材料本构模型来进行流固耦合的双槽渡槽结构有限元分析模型的建立，以准确反映结构动力分析结果；所述分析单元包括纤维梁单元、零长度单元和两节点连接单元；所述渡槽结构流固耦合分析模型的建立包括以下过程：(1)依据结构形式及分析单元特性，将单跨渡槽的槽身平均分为七段；(2)对槽身构件中的槽壁和底板进行分解并分别转化为对应的纤维截面；(3)两节点连接单元分别连接质量块与槽壁来组成流固耦合分析模型的质量弹簧系统，以体现对流动水压力对渡槽结构的影响，并通过施加单元力来体现冲击动水压力；(4)通过流固耦合效应分析计算方法得到每段槽身中质量弹簧系统中质量块的质量与弹簧的刚度，同时将水体和槽身自身的质量赋予分析单元；所述渡槽结构有限元模型建立后并对所述渡槽结构进行非线性动力时程分析，来准确获得结构地震响应；最后进行渡槽结构地震易损性分析，包括概率地震需求分析和概率抗震能力分析；所述概率地震需求分析用于通过对有限元数值模型进行大量的动力响应分析，得到结构的地震需求和地震动强度之间存在的对应关系，进而获得工程结构的概率地震需求模型；所述概率抗震能力分析用于通过实际情况划分不同结构对应的破坏等级，并定义各种损伤破坏等级相应的极限状态，最后结合概率需求分析模型得到结构的地震易损性曲线。2.根据权利要求1所述的双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：所述步骤一中选择使用能够准确反映混凝土弹塑性的随机损伤的本构关系模型和能够同时考虑双向bauschinger效应、等向强化效应的giuffre-menegotto-pinto钢筋本构模型进行有限元模型建立。3.根据权利要求1所述的双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：所述纤维梁单元进行建模时需要在单元和截面两个层次分别构建：(1)对于单元：纤维梁单元需要沿单元纵向划分为多个积分点截面，利用位移形函数进行插值，进而得到节点处的位移与积分点处的截面位移之间的关系，最后利用几何方程来得到任意积分点处的应变；(2)对于截面：将上述积分点处的截面进行网格的划分，并利用平截面假定来得到每个网格对应的应变，之后利用纤维网格相应的本构关系来求得对应积分点的应力，最后对截面的应力进行积分，从而得到整个截面的内力。4.根据权利要求3所述的双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：采用基于柔度法的纤维梁单元进行有限元模拟，用以较优的反映和模拟钢筋混凝土各种材料及构件的复杂的非线性力学特性。5.根据权利要求1所述的双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：所述非线性动力时程分析是将选定的地震动对结构进行激励，对结构体系的运动方程进行积分，并利用数值积分方法获得结构在地震动作用下每一时刻的加速度、速度、位移响应，并根据结构构件的材料属性来获取结构的内力和变形在整个地震过程中的变化情况。6.根据权利要求1所述的双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：采用
newmark-β法中的增量分析方法进行动力时程分析，其动力方程的增量形式可表示为：式中：a
n+1
为结构n+1时刻的加速度。7.根据权利要求1所述的双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：所述渡槽结构的地震易损性分析过程包括：地震动的选取与调幅、地震动强度指标的选取以及基于所述双槽渡槽结构流固耦合分析模型，依据上述的地震易损性评估分析理论，采用增量动力分析法(ida)进行非线性响应分析，得到渡槽结构的易损性情况。8.根据权利要求1所述的双槽渡槽结构地震易损性分析方法，其特征在于：所述地震易损性分析包括墩柱易损性分析和支座易损性分析。

技术总结
本发明公开了一种双槽渡槽结构地震易损性分析方法，涉及双槽渡槽结构抗震技术领域，包括以下组成部分：渡槽结构流固耦合分析模型的建立、非线性动力响应分析和地震易损性分析，通过流固耦合效应分析计算方法以及高效准确的分析单元和建立材料本构模型来进行流固耦合的双槽渡槽结构有限元分析模型的建立；并对所述渡槽结构进行非线性动力时程分析，来准确获得结构地震响应；最后进行渡槽结构地震易损性分析，包括概率地震需求分析和概率抗震能力分析。本发明综合考虑了流体-固体结构相互作用、混凝土的非线性行为以及钢筋的特殊本构行为，为双槽渡槽结构的地震易损性分析提供了更准确、可靠的方法。可靠的方法。可靠的方法。


技术研发人员：张金鹏 钱玉林 王江飞 徐建国 耿玉鹏 高渐斌 黄亮 周奇
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/20