大型渡槽结构非线性地震响应可靠性分析

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1、第４０卷第２１期人民长江Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２１２００９年１１月ＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＮｏｖ．，２００９文章编号：１００１－４１７９（２００９）２１－００８７－０４大型渡槽结构非线性地震响应可靠性分析１１１２２徐建国王博陈淮赵衍刚卢朝晖（１．郑州大学水利与环境工程学院，河南郑州４５０００２；２．名古屋工业大学工学研究科，日本名古屋４６６－８５５５）摘要：运用渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型，开展了渡槽非线性地震响应可靠性分析计算。渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型是集渡槽薄壁结构线弹性模型和非线性多弹簧模型为一体，可用其进行结构弹塑性地震响应分析。采

2、用人工地震波生成方法并将地震波作用于实际渡槽结构进行时程分析，将得到的地震内力响应样本值建立可靠度功能函数并进行统计分析，运用矩法分析计算结构失效概率密度函数和对应的结构失效概率值。关键词：非线性地震响应；人工地震波；矩法；失效概率；渡槽中图分类号：ＴＶ６７２．３文献标识码：Ａ构的失效概率。１研究背景２渡槽薄壁结构非线性地震响应研究南水北调中线工程将穿越地震活动强烈的华北地区，而渡槽是该工程中重要的建筑物之一，为了确保渡槽尤其是穿越地建立正确的弹塑性动力分析模型是进行渡槽结构地震非线震区的大型渡槽的安全，对渡槽结构进行非线性抗震性能分析性时程分析

3、的基础，本文运用文献［９，１０］提出的渡槽薄壁结构计算［１］具有重要意义。大型渡槽是一种架空输水建筑物，有其弹塑性模型（如图１所示）。该弹塑性动力分析模型集渡槽薄独有的特点：如槽内水体质量较大，应当考虑流固耦合动力相互壁结构线弹性模型和非线性多弹簧模型为一体，并充分考虑了作用；渡槽结构本身属于薄壁结构，应当考虑渡槽薄壁结构的弯薄壁结构截面两向弯矩和轴向变形对单元的动力特性影响，应扭耦合变形和约束扭转变形；另外在遇强震情况下还应考虑结用多弹簧等效关系模拟结构塑性铰区的非线性滞回特性，充分构进入非线性状态的影响等。目前对渡槽空间结构地震响应动考虑了截

4、面混凝土、普通钢筋和预应力钢筋对非线性弹簧滞回力可靠度方面开展的研究较少，且通常考虑的是静载对结构可曲线特征参数的影响，较全面准确地反映了结构的弹塑性动力靠性影响。文献［２］开展了梁式渡槽静载下的可靠性分析，并性能。另外计算模型中的槽身－水体流固耦合采用Ｈｏｕｓｎｅｒ模建立了相应失效功能函数；文献［３］采用响应面法分析了桁架型模拟（参看文献［１０］）。拱渡槽结构在正常设计条件下的可靠性指标。在可靠度分析的方法上，较常用的是确定变量概率分布的方法，如Ｂａｙｅｓ法和推［４、５］广的Ｂａｙｅｓ法，来推断参数的概率分布，但现实问题受多种因素影响，并非完全

5、严格符合经典概率分布规律。可靠度分析的矩法基于极限状态失效概率和中心矩的关系，提出了失效概率的求解方法。相比于一般方法，即使在随机变量概率分布未知的情况下，荷载和抗力系数同样可以确定，同时矩法不需要验［６～８］算点以及微分迭代运算。本文根据所建立的考虑流固耦合渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型，开展了渡槽结构地震动力图１渡槽薄壁结构弹塑性单元［１０］响应的可靠性研究，应用地震波生成原理，根据场地条件生成若按照Ｇｕｙａｎ静力凝聚的方法，可将节点的各自由度凝聚干条人工地震波加速度时程，施加于结构得到地震内力响应样掉，变为只有ｉ节点和ｊ′节点自由度的多弹簧

6、弹塑性渡槽薄壁本值，通过所建立的可靠度功能函数进行统计分析，基于可靠度结构单元模型，这样便可以很容易的把它嵌入到结构相应部位。计算的矩法，计算结构失效随机变量概率密度函数以及渡槽结其单元［Ｋ］、［Ｍ］和［Ｃ］矩阵的具体形式可参阅文献［９，１０］。收稿日期：２００９－０７－２４基金项目：河南省自然科学基金资助项目（８２３００４４００７０）；河南省科技攻关资助项目（０６２４４５０００９）；河南省高校杰出科研人才创新工程资助项目（２００３ＫＹＣＸ０１１）作者简介：徐建国，男，郑州大学水利与环境工程学院，副教授，博士。８８人民长江２００９年对于渡槽支架空

7、间梁，可建立空间梁单元弹塑性动力分析模型。其应用范围的经验公式为：大型渡槽结构由槽身—墩体（包括中间联结支座）组成，具ｍａｘ（－１，－１２０ｒ／β２Ｍ）≤α３Ｇ≤４０ｒ／β２Ｍ（９）体在建模和单元划分时，应用渡槽薄壁结构弹塑性单元模型，同标准正态变量可简单准确地表示为如下形式：２３时也考虑渡槽支架结构的弹塑性变形，组集各单元特性矩阵可ｚｓ＝－ｌ１＋ｋ１Ｕ＋ｌ１Ｕ＋ｋ２Ｕ（１０）得渡槽系统总体刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵，由此可得渡槽α３Ｇ１２式中ｌ１＝６（１＋６ｌ），ｌ２＝３６（槡６α４Ｇ－８α３Ｇ－１４－２），ｋ１＝系统在地震荷载下的动力方程为

8、２·····［Ｍ］｛ｕ｝＋［Ｃ］｛ｕ｝＋［Ｋ］｛ｕ｝＝－［Ｍ］｛Ｉ｝ｕｇ（１）１－３ｌ２ｌ２２２，ｋ２＝２２。采用时程分析法对大型渡槽结