基于RBFNN的刚构-连续梁桥地震易损性研究

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近十几年,我国形成了贯通东西南北的高速铁路网。铁路的建设离不开桥梁的联系,尤其是在地形复杂、山高坡陡的西部地区,特殊的地形决定了桥梁多为高墩大跨度桥梁结构,其中刚构—连续梁桥最为常见,由于地形的限制,这类桥梁的墩高、跨度和各墩高差往往较大。随着墩高和跨度的不断增大,以及地震带分布广泛的严重威胁,使得这类高墩大跨桥梁的结构与运营安全正面临着严峻的挑战。因此,急需开展铁路高墩大跨桥梁的易损性研究。本文以西北地区某刚构—连续梁桥为工程背景,利用有限元软件CSI Bridge,基于响应面法和RBFNN(径向基函数神经网络)进行易损性分析,主要研究内容如下:(1)总结了国内外相关研究现状,概括了桥梁地震易损性研究的理论方法,并详细介绍了响应面法的基本原理,给出了易损性理论的计算公式与均匀设计响应面法的分析流程,从而为评价构件或结构的地震易损性打下了基础。(2)以西北地区某铁路桥梁为研究背景,采用有限元软件CSIBridge建立了全桥有限元模型,并用Ritz向量法进行模态分析,给出了全桥的动力特性。在此基础上,结合本桥的具体结构构造,定义了材料本构模型,确定了该桥梁的破坏准则以及桥梁结构各构件的损伤指标。(3)根据桥址状况以及地震动的特征等因素,在太平洋地震研究中心(PEER)地震数据库中选取了130条地震动记录。其中50条地震动用于有限元计算,基于均匀设计方法获得50个“结构-地震动”试验样本对,并进行非线性时程分析,记录结构响应峰值。利用响应面法建立了桥梁结构各构件在地震动作用下的概率地震需求模型,得到了桥梁结构各构件以及系统的地震易损性曲线并进行分析。(4)以有限元软件计算的结构响应为样本,其中40条地震动的结构响应作为训练样本,剩余的作为测试样本,选取合适的地震动参数,以MATLAB程序为平台构建并训练RBFNN,同样基于均匀设计响应面法,利用训练成熟的RBFNN对剩余80条地震动下的桥梁结构响应进行预测并建立概率地震需求模型,最后绘制相关地震易损性曲线进行评价。(5)对RBFNN预测和有限元计算所得的桥梁结构各构件损伤超越概率值进行对比分析。研究表明:两者的易损性规律基本一致,桥梁结构各构件的损伤概率差别不大。就1#墩支座而言,在三种不同强度(设计、罕遇、极罕遇)地震动作用下,RBFNN预测结果与有限元计算结果在轻微、中等、严重、和完全损伤状态下的最大概率误差分别为2.99%,2.43%,1.93%,1.41%。对于桥墩构件而言,以最易损的4#墩墩顶为例,在三种不同强度地震动作用下,两种方法在轻微、中等、严重、和完全损伤状态下的最大概率误差分别为6.6%,3.96%,5.51%,1.64%。因此,RBFNN有很好的泛化能力,能够较好的映射地震动与结构响应之间的非线性关系,可用于桥梁抗震易损性分析。(6)基于一阶界限估计法获得桥梁结构系统易损性曲线。研究表明:四种破坏状态下,桥梁系统的损伤超越概率均高于单一构件的损伤超越概率,因此仅通过桥梁结构各构件的易损性对桥梁结构进行抗震性能评估风险过高。根据桥梁系统地震易损性曲线的区间变化可知,在四种损伤状态下,随着地震动峰值加速度PGA的增大,桥梁系统超越概率的上界与下界的差值均先增大后减小。在轻微损伤和中等损伤两种状态下,系统地震易损性曲线区间间距较小;在严重损伤和完全损伤两种状态下,系统地震易损性曲线区间间距较大。故在轻微损伤和中等损伤两种状态下对该刚构-连续梁桥采用一阶界限估计法进行系统地震易损性的评估较为合理。(7)将各构件易损性进行对比。研究表明:在四种破坏状态下,随着PGA的增大,支座发生损伤的超越概率先是高于桥墩构件最后低于桥墩构件,系统损伤的下界先是由支座控制后由桥墩构件控制。4#墩的损伤超越概率均高于其余各墩,其中,墩顶的损伤超越概率高于墩底。桥墩的损伤次序始终是4#墩墩顶、4#墩墩底、3#墩墩顶、3#墩墩底、5#墩墩底、5#墩墩顶。支座属于易损性构件,主墩4#墩为桥墩最易损构件,其次是3#墩,在地震作用下以上构件发生损伤的概率较大,应予以重视。
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