基于Copula函数-协方差分析的桥梁群组地震易损性分析方法研究

Due to the aging of steel, concrete and other materials, the seismic performance of many existing medium and small span beam bridges in China cannot meet the requirement. The probability-based fragility analysis method is commonly used to evaluate the seismic performance of bridges considering the randomness of ground motions and the uncertainty of structures. However, to quantify the influence of uncertainties in the bridge and to refine the grouping of bridge classes are critical in the fragility analysis of existing bridges. In the present project, a moment-independent importance measure is introduced to quantify the impact of uncertainties on the seismic demand of bridges considering the interaction of uncertainties. Based on the significant uncertainty factors, the probabilistic seismic demand analysis of the bridge is performed combining Latin hypercube sampling method. The Copula technique is then adopted to describe the tail feature and time-variation characteristic of the dependence among component seismic demands. The impact of the dependence on the seismic vulnerability of bridge systems is evaluated. Considering structural damages and performance degradation of existing bridges, the statistical technique based on covariance analysis is performed to refine the grouping of medium and small span beam bridges. Subsequently, the seismic fragility analysis method for bridge classes is developed, and the probability evolution rules of existing bridge seismic fragility are evaluated. The research can provide scientific bases for the life-cycle seismic design of bridges and the regional earthquake risk assessment.

由于钢筋、混凝土等材料的老化，我国公路交通网中大量的在役中小跨径梁桥抗震性能难以满足结构抗震的要求。考虑到地震动的随机性及结构中的不确定性，常采用基于概率的易损性分析方法对桥梁的抗震性能进行评估。如何量化桥梁中不确定性的影响水平，细化桥梁分组是针对大量在役桥梁地震易损性分析的关键。本项目拟引入矩独立重要性测度指标考虑桥梁中不确定性的交互效应，量化不确定性对桥梁地震需求的影响水平；基于影响显著的不确定性因素，结合拉丁超立方抽样方法对在役桥梁进行概率地震需求分析，采用Copula函数技术研究构件地震需求相关性的尾部特征及时变特性，明确构件之间相关性对桥梁系统地震易损性的影响；考虑结构损伤及性能退化，基于协方差分析统计技术细化中小跨径梁桥分组，进而建立针对桥梁群组的地震易损性分析方法，揭示在役桥梁地震易损性的概率演化规律。研究成果可为桥梁的全寿命周期抗震设计及区域地震风险评估提供科学依据。

我国公路交通路线上存在大量的中小跨径梁桥，对我国的经济建设、社会发展以及区域交流发挥了重要的作用。然而随着服役时间的增长，桥梁结构材料如钢筋、混凝土等性能不断退化，我国公路交通网中大量的在役中小跨径梁桥抗震性能难以满足抗震要求。作为生命线工程的关键部分，在役桥梁在地震中发生破坏不仅导致自身经济损失，而且会对抗震救灾以及灾后恢复具有重要影响。由于地震动的随机性以及结构、环境中各种不确定性因素，准确合理评估大量在役中小跨径桥梁的抗震性能十分具有挑战性但特别关键。本项目基于现场调查、结构试验、数值分析和理论推导等主要研究手段，引入矩独立重要性测度指标考虑桥梁中不确定性的交互效应，量化不确定性对在役中小跨径桥梁地震需求的影响水平；明确对桥梁地震需求影响显著的随机参数。结合拉丁超立方抽样方法对在役桥梁进行概率地震需求分析，采用Copula函数技术研究构件地震需求相关性的尾部特征；针对多构件情况，采用Pair Copula函数迭代技术，建立了针对复杂结构系统整体的地震易损性分析方法，明确构件之间相关性对桥梁系统地震易损性的影响；考虑在役桥梁的性能退化，基于协方差分析细化中小跨径梁桥分组，通过对不同服役时间在役桥梁进行概率需求分析，探讨构件地震需求之间相关性的时变规律；进而建立针对在役桥梁群组的地震易损性分析方法，揭示在役桥梁地震易损性的概率演化规律。项目执行至今，发表期刊学术论文17篇；授权国家发明专利1项；出版学术专著1部；参加国内学术会议11人次，培养硕士研究生11名。研究成果可为在役桥梁的管理维护、桥梁全寿命周期抗震设计以及区域地震风险评估提供科学依据。