网壳结构基于性能的地震概率风险评估关键问题研究

On the basis of failure mechanism for reticulated shells subjected to severe earthquakes, structural reliability theory and performance-based seismic design theory, the project focuses on the study on vulnerability and performance-based probabilistic risk assessment of these structures. The research contents include: (1) to study the damping theory of coupling system, develop efficient programs to simulate concrete members in the substructure, and discuss the effect on seismic spatial correlation; (2) to study failure mechanism for reticulated shells containing the substructure, establish structural seismic damage models for assessing structural damage levels quantitative, then define structural performance levels; (3) the reliabilities for reticulated shells with different performance levels will be studied based on the structural reliability theory and Monte Carlo Analysis technique; (4) to carry out the seismic fragility analysis of reticulated shells, select seismic hazard model and earthquake loss model, and obtain the decision-making technique on the seismic probabilistic risk assessment. The research objectives for the project are to produce some applied theory on seismic risk assessment for reticulated shells, the results obtained will promote the development on seismic design theory for reticulated shells.

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。

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。