网壳结构基于性能的地震概率风险评估关键问题研究

本项目以基于性能的地震工程为研究背景，以网壳结构的强震失效机理研究为基础，研究了网壳结构的地震易损性及基于性能的地震概率风险评估方法。按照项目任务书要求，完成了所有预期目标，取得的主要理论成果有： （1）实现了网壳结构及网壳结构与下部支承结构耦合系统在OpenSees平台上的有限元建模，并提出了相应的抗震分析方法。提出了基于OpenSees平台的网壳与下部支承结构耦合系统有限元建模方法及地震响应分析方法，并开展了网壳结构模拟振动台试验，验证了地震响应数值模拟方法的准确性和可靠性； （2）实现了对网壳结构损伤程度的定量刻画，提出了基于地震能量需求的结构损伤指标DIE，考察了网壳结构塑性发展深度和失效杆件分布与结构损伤指标的对应关系； （3）实现了网壳结构-下部支承结构整体耦合系统的性能水准定义与量化。确定了网壳结构破坏等级和极限状态的划分方法，并基于大规模时程分析结果获得了各极限状态对应损伤指标的中位值和对数标准差； （4）建立了网壳结构分级性能水准下的地震易损性曲线。对网壳结构的13个随机参数进行了局部和全局敏感性分析，获得了各参数对网壳结构地震响应的敏感度和贡献率大小，并以增量动力分析结果为基础，建立了网壳结构在远场和近场地震动作用下的概率地震需求模型、概率抗震能力模型及概率倒塌能力模型，获得了相应的地震易损性曲线； （5）实现了空间网壳结构-下部支承结构整体耦合系统的地震概率风险评估。确定了网壳结构地震概率风险评估的方法，对三个网壳结构依次进行了地震危险性分析、地震概率损伤分析以及经济损失及人员伤亡估计，并基于结构生命周期总投资最少的原则，对一典型的网壳结构进行了结构方案优化设计，论证了该方法的实用性。 项目成果在国内外学术刊物及学术会议上发表21篇论文（含1篇已录用），其中SCI收录9篇、EI收录11篇；申请发明专利2项；培养博士研究生3名，硕士研究生10名。以上研究成果将为空间网壳结构合理抗震设计理论的建立提供有力支持。 2100433B

本项目在网壳结构强震失效机理研究的基础上，考虑结构可靠度理论与基于性能的抗震思想，研究结构的地震易损性及基于性能的地震概率风险评估方法。课题研究内容主要包括：（1）研究耦合系统阻尼理论，开发高效模拟下部支承结构构件的接口程序，讨论地震动空间相关性对结构的影响；（2）研究空间网壳结构的强震失效机理，建立地震损伤模型，实现结构整体损伤定量评估，合理定义网壳结构性能水准；（3）引入结构可靠度理论，采用蒙特卡洛抽样法，开展结构基于不同性能水准的可靠度研究；（4）开展网壳结构地震易损性分析，选择合理的地震危险性模型及地震损失模型，实现结构的地震概率风险评估决策。本项目以实用化为研究目标，所取得的成果将为空间网壳结构合理抗震设计理论的建立提供有力支持。

地震易损性是对地震动强度与结构破坏程度之间关系的定量描述。本项目在新的基于性能的地震工程概率决策框架之下，以地震动参数作为易损性分析的输入变量，以变形和能量作为破坏准则，以改进的Park-Ang损伤指数作为统一的需求参数和能力参数，系统研究钢筋混凝土结构的解析地震易损性。基于现行抗震设计规范的反应谱和特定场地的地震危险性，合成与反应谱相容和危险性一致的人工地震波；利用非线性有限元静力和动力分析技术以及国内外大量的抗震试验结果，建立钢筋混凝土结构的概率地震损伤需求与能力模型；在此基础上，分析结构的地震易损性，绘制不同破坏状态下典型结构的地震易损性曲线和曲面，从而为地震损失估计和防震减灾决策提供科学依据。

大型复杂结构地震灾变机理的分析理论是当前和今后结构抗震研究的热点和难点。课题组围绕大跨混凝土桥梁地震灾变机理和抗震性能，进行了理论研究和试验验证。研究内容涉及：1）文献分析，指出当前大型复杂桥梁结构地震灾变研究手段的局限性；2）理论模型，根据大跨桥梁震害机理分析的需求，发展了基于损伤本构理论模型的分析方法，给出了计算大型桥梁地震损伤分析的纤维梁模型；3）数值算法，发展了基于变分理论的损伤本构算法，编制了基于大型商业软件的二次开发子程序；4）考虑结构灾变过程中的多重非线性效应（材料、几何、损伤以及阻尼、支座等边界非线性）；5）试验验证，根据理论研究是需要，设计了21个正方形实心和空心、矩形空心截面桥墩模型，进行了拟静力试验研究，关于试验过程的数值模拟显示，给出的理论模型是合理的。 2100433B