[发明专利]基于ANN-MC-UD方法的公路桥梁地震易损性分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于ANN-MC-UD方法的公路桥梁地震易损性分析方法。

背景技术

近年来，桥梁地震易损性分析逐渐发展成为研究结构在地震下的损伤规律与地震风险评估中的强有力的工具。目前结构易损性分析方法主要包括两种方法：第一种是经验方法，第二种是理论分析方法。第一种方法通常由专家根据大量震害调查，对破坏概率进行曲线拟合得到，从而得到地震易损性曲线。第二种方法当前主要采用基于确定性有限元分析的蒙特卡洛模拟法获得大量的地震易损性数据，作为统计分析的样本绘制易损性曲线。

然而考虑到传统的地震易损性评估中存在着大量的不确定性因素，而以往的桥梁结构地震易损性曲线大多只考虑了地震输入的随机性，而没有考虑桥梁结构自身参数的随机性对地震易损性曲线的影响。同时，大多数地震易损性分析存在着分析效率低，计算量大等特点，不适合大型复杂结构的地震可靠度评估，因此本发明针对这些问题，一方面使用ANN与MC方法来提高桥梁结构易损性分析的效率，另外一方面通过ANN、MC以及UD等方法将结构的随机性结合到易损性分析中去。

发明内容

为了克服传统的地震易损性分析方法的计算量大的特点以及无法考虑结构随机性等不足，本发明提供了一种全面、准确、高效的基于ANN-MC-UD方法的公路桥梁地震易损性分析方法，可以对公路桥梁的各种桥型进行分析，并在此基础上得到结构的失效模式，从而方便了解桥梁在地震荷载作用下的潜在危险部位，进而可以指导既有桥梁的运营管理以及进行地震风险评估。

本发明提出的基于ANN-MC方法的公路桥梁地震易损性分析方法，具体步骤如下：

(1)基于IDA方法与非线性时程分析方法的桥梁结构需求概率统计分析；

(1.1) 建立桥梁结构的有限元分析模型； 

(1.2) 根据场地条件选取多条不同震级的地震波；

(1.3) 标准化每一条地震波，并作为地震波输入对桥梁结构进行IDA分析，获取每步分析所对应的桥梁结构地震响应； 

(1.4) 对所得到的桥梁结构地震响应进行概率统计特征分析，确定在不同地震波输入强度下的桥梁结构地震响应的统计特征；

(2)基于ANN-UD方法结合弯矩-曲率分析方法或者Pushover分析方法的结构随机能力概率统计分析；

(2.1) 首先确定影响桥梁结构抗震能力的因素； 

(2.2) 确定各影响因素的概率分布特征；

(2.3) 采用正交设计方法对不同的影响因素进行分析组合，形成a个有限元分析模型，随机产生b个随机有限元模型；

(2.4) 采用Pushover分析方法或者弯矩-曲率分析方法对每个有限元模型进行分析，获取桥梁结构的抗力性能点；

(2.5) 建立RBF神经网络模型，并用其中的a组分析数据进行神经网络训练；

(2.6) 用另外b组分析数据对RBF神经网络进行检验；

(2.7) 若第(2.6)步检验通过，则进入到下一步分析，否则，返回到第(2.5)步；

(2.8) 应用蒙特卡罗方法产生M组随机数据作为桥梁结构的模型参数，并输入到训练成熟的RBF神经网络中进行仿真，得到M组桥梁结构的抗力性能点；

(3)基于对数正态分布的理论易损性曲线的生成分析。

(3.1) 由前面得到桥梁结构抗震能力的因素和随机地震响应的概率统计特征，应用蒙特卡罗对随机抗震能力和随机地震响应的概率特征进行抽样；

(3.2) 确定桥梁结构各个构件的破坏准则；

(3.3)根据得到的桥梁结构全概率条件下的损伤指标，建立对应PGA下的损伤概率，绘制各有限单元的易损性曲线。

本发明中，步骤(2.1)涉及到的因数为墩柱半径、核心混凝土抗压强度、保护层混凝土抗压强度、纵向钢筋强度和纵向钢筋弹性模量。

本发明中，步骤(3.2)中破坏准则中使用的破坏指标采用Park-Ang破坏指标的改进形式，如式（1）。

                    (1)

式中，表示损伤指标，是地震作用下结构构件的最大曲率反应；是结构构件在单调荷载作用下的屈服曲率；是结构构件在单调荷载作用下的极限曲率；是结构构件在单调荷载作用下的屈服弯矩。的取值一般在0-0.85之间。