CN115859451A - 高烈度地区码头抗震韧性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高烈度地区码头抗震韧性评估方法，涉及抗震韧性评估技术领域，包括以下步骤：S1、岸坡稳定性设计处理；S2、抗震设计分析处理；S3、码头地震危险性分析处理；S4、码头地震易损性建模分析处理；S5、码头地震风险分析处理；S6、码头抗震韧性评估处理；本发明不仅可以通过码头地震风险分析处理确定在设定水准地震作用下结构构件、非结构构件的损伤状态和发生概率，以及岸坡的稳定状态和失稳发生概率，同时可以对码头的震后修复路径进行优化分析，确定最优震后修复路径，根据确定的震后修复路径，预测码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡数据信息。
Description
技术领域
本发明涉及抗震韧性评估技术领域，尤其涉及高烈度地区码头抗震韧性评估方法。
背景技术
随着经济的快速发展，货物的进出口对河运、海运的依赖度日益提高，港口码头，作为水上运输交通枢纽，直接关系国家的对外贸易以及经济发展，然而，在地震多发地区如环渤海、东南沿海地区，地震已列入港口破坏威胁的首要因素，因此，最大程度上降低地震对港口码头建筑物的破坏，以及尽可能降低由此引发的直接或间接经济损失，码头是港口的主要组成建筑，也是反应港口规模的标致性建筑，由于当前很多沿海城市都处于“环太平洋地震带”中，所以抗震能力历来是沿海国家建造港口码头的重要考虑点；
在目前码头结构抗震研究领域，理论分析和定量评价主要集中在地震灾害作用下码头的实时灾害风险评估，没有考虑与码头抗震韧性相关的重要指标，如地震经济损失，功能丧失程度和恢复时间，为此，我们提出了高烈度地区码头抗震韧性评估方法。
发明内容
本发明提出的高烈度地区码头抗震韧性评估方法，以解决现有技术中的上述不足之处。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
高烈度地区码头抗震韧性评估方法，包括以下步骤：
S1、岸坡稳定性设计处理：所述岸坡稳定性设计包括码头地质勘察、码头组成和码头资料信息；
S2、抗震设计分析处理：通过岸坡稳定性设计处理收集的资料数据，通过瞬态动力时程分析法原理对码头区域和附近范围的地震构造和地震活动性进行分析评价，
瞬态动力时程分析法原理中多自由度系统在地基水平运动yg(t)作用下，其运动微分方程如下；
，其中K为结构总体刚度矩阵，假设阻尼矩阵C满足正交化条件，y可以表示为：/>
，
同时计算得出：
，利用振型正交性得出：
，/>
其中， 
，采用度哈姆积分完成，
S3、码头地震危险性分析处理：根据抗震设计分析结果确定地震统计区和潜在震源的划分方案，确定相关的地震活动性参数，确定适合码头地区的地震动衰减关系，并对工程场地进行概率地震危险性分析处理，得到工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱，所述基岩地震动参数的衰减公式如：
，其中C0、C1、C2、C3和C4为参数，M为震级，R为震中距(或断层距）；
所述基岩地震动反应谱公式为：F=Gkβ（T），其中G为体系重量，K为地震系数，β（T）为动力系数；
所述动力系数βmax =2.25，所述地震影响系数α (T) =kβ(T)，称为地震影响系数谱曲线，我国建筑抗震采用两阶段设计，第一阶段进行结构强度与弹性变形验算时采用多遇地震烈度，其k值相当于基本烈度所对应k值的1/3；
第二阶段进行结构弹塑性变形验算采用罕遇地震烈度，其k值相当于基本烈度所对应k值的1.5~2倍，可由公式可以算出水平地震影响系数最大值；
S4、码头地震易损性建模分析处理：通过抗震设计分析处理的数据报告和码头地震危险性分析处理的数据报告以及工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱建立码头的土桩结构有限元模型，考虑码头几何尺寸和材料的不确定性，采用拉丁超立方抽样法确定其参数值；
所述地震易损性计算公式如下：
所述土桩结构有限元模型公式为：
，其中/>
为基于静态反应指标的目标函数，BGCI_Error为基于挠度反应的目标函数，UIL_Error为基于实测应变的目标函数，BGCI_Error和UIL_Error的关系为线性或非线性，取决于性能指标和优化的过程，将比例因子W1和W2引入来调整BGCI_Error和UIL_Error相对比重，目标函数为：
，其中W1和W2为比重因子，/>
总的比重因子应该为1，挠度及应变的目标函数的比重值应在0和1之间，0表示误差最小，1表示误差最大，计算有限元模型是通过减小基于静态反应目标函数来完成的；
所述挠度反应的目标函数公式为：
，其中[f]为模型弹性矩阵，n为实测模态的数量，{ψ}r为第r个模型的形状，/>
为第r个模型的角度频率，单位为rad/s，不同荷载组合下由于模型弹性荷载产生的变形形态对恶化或损坏非常敏感；
S5、码头地震风险分析处理：根据码头的工程需求参数结合码头地震易损性建模分析得出的数据信息，确定在设定水准地震作用下结构构件、非结构构件的损伤状态和发生概率，以及岸坡的稳定状态和失稳发生概率，应用优化理论，对码头的震后修复路径进行优化分析，确定最优震后修复路径，根据确定的震后修复路径，预测码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡数据信息；
S6、码头抗震韧性评估处理：计算码头的功能函数和抗震韧性指标，对码头的抗震韧性进行评价处理。
进一步地，所述S1中岸坡稳定性设计处理，码头由结构构件和非结构构件组成；
所述结构构件包括：架空直立式框架、桩基础、上部建筑、栈桥、岸壁、系靠船设施；
所述非结构构件包括：消防设备、暖通空调、照明设备、给排水设备、电力设备。
进一步地，所述S2中的岸坡稳定性设计处理通过抗震计算、地震惯性力计算和建筑物结构应力计算进行确定；
所述抗震计算一般在结构静力对基础上加以计算，此时主体结构已经定型，而结构物的自身重力是地震惯性力的计算重点，当计算横向水平时，截取其中的一个排架单独计算；
所述地震惯性力计算在计算地震惯性力时应注意将前后桩台作为一个整体计算，综合影响系数应充分结合实际情况考虑，如果假设桩体两端均为嵌固结构，一般不将码头上的固定设备其附加动力效应考虑在内，但是当其用螺栓或锚固形式固定时，需要进行附加动力放大计算，所述地震惯性力计算公式如下：
ai为质点i的动态分布系数，计算公式为：
进一步地，所述S3中码头地震危险性分析处理对码头的工程场地进行概率地震危险性分析，确定工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱。
进一步地，所述S4中码头地震易损性建模分析处理对码头的有限元模型进行弹塑性地震响应和易损性分析，构建结构构件、非结构构件和岸坡的地震易损性数据库。
进一步地，所述S5中码头地震风险分析处理对码头的地震易损性数据库，确定构件损伤状态和发生概率，以及岸坡稳定状态和失稳发生概率，并通过优化分析确定最优的震后修复路径，计算码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡；
同时计算码头在设定水准地震作用下的功能函数和抗震韧性指标，且计算结果后进行处理，汇总评估码头的修复费用、修复时间、人员伤亡、功能函数和抗震韧性指标的具体数据；
所述功能函数的归一化解析表达式表示为：
其中Q为随时间变化的功能函数，t为时间，t0E为地震发生时间，TRE为恢复过程所耗费的总时间，H为Heaviside阶梯函数，fRE为功能恢复函数，L为归一化功能损失函数；
定义为如下所示的直接损失和间接损失之和：L(IM,TRE)=LD(IM,TRE)+αLI(IM,TRE)，其中LI为间接损失，α为加权系数；LD为直接损失，公式如下：
，其中Pj为地震动强度为IM时，结构性态达到或超越损伤状态j的条件概率，Cs ,j为结构出现破坏状态j时需要的修复费用，Is为结构拆除重建费用，γi为年贴现率，δi为年折旧率，Ti为码头初始投资到地震发生时的时间间隔；
所述码头抗震韧性指标R的计算公式为：
。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
本发明不仅可以通过码头地震风险分析处理确定在设定水准地震作用下结构构件、非结构构件的损伤状态和发生概率，以及岸坡的稳定状态和失稳发生概率，同时可以对码头的震后修复路径进行优化分析，确定最优震后修复路径，根据确定的震后修复路径，预测码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡数据信息。
附图说明
图1为本发明提出的高烈度地区码头抗震韧性评估方法的流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1：高烈度地区码头抗震韧性评估方法，包括以下步骤：
S1、岸坡稳定性设计处理：岸坡稳定性设计包括码头地质勘察、码头组成和码头资料信息；
S2、抗震设计分析处理：通过岸坡稳定性设计处理收集的资料数据，通过瞬态动力时程分析法原理对码头区域和附近范围的地震构造和地震活动性进行分析评价，瞬态动力时程分析法原理中多自由度系统在地基水平运动yg(t)作用下，其运动微分方程如下；
其中，
，采用度哈姆积分完成，
S3、码头地震危险性分析处理：根据抗震设计分析结果确定地震统计区和潜在震源的划分方案，确定相关的地震活动性参数，确定适合码头地区的地震动衰减关系，并对工程场地进行概率地震危险性分析处理，得到工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱，所述基岩地震动参数的衰减公式如：
，其中C0、C1、C2、C3和C4为参数，M为震级，R为震中距(或断层距）；
基岩地震动反应谱公式为：F=Gkβ（T），其中G为体系重量，K为地震系数，β（T）为动力系数；
动力系数βmax =2.25，地震影响系数α(T) =kβ(T)，称为地震影响系数谱曲线，我国建筑抗震采用两阶段设计，第一阶段进行结构强度与弹性变形验算时采用多遇地震烈度，其k值相当于基本烈度所对应k值的1/3；
第二阶段进行结构弹塑性变形验算采用罕遇地震烈度，其k值相当于基本烈度所对应k值的1.5~2倍，可由公式可以算出水平地震影响系数最大值；
S4、码头地震易损性建模分析处理：通过抗震设计分析处理的数据报告和码头地震危险性分析处理的数据报告以及工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱建立码头的土桩结构有限元模型，考虑码头几何尺寸和材料的不确定性，采用拉丁超立方抽样法确定其参数值；
地震易损性计算公式如下：
土桩结构有限元模型公式为：
，其中/>
为基于静态反应指标的目标函数，BGCI_Error为基于挠度反应的目标函数，UIL_Error为基于实测应变的目标函数，BGCI_Error和UIL_Error的关系为线性或非线性，取决于性能指标和优化的过程，将比例因子W1和W2引入来调整BGCI_Error和UIL_Error相对比重，目标函数为：/>
，其中W1和W2为比重因子，/>
总的比重因子应该为1，挠度及应变的目标函数的比重值应在0和1之间，0表示误差最小，1表示误差最大，计算有限元模型是通过减小基于静态反应目标函数来完成的；
挠度反应的目标函数公式为：
，其中[f]为模型弹性矩阵，n为实测模态的数量，{ψ}r为第r个模型的形状，/>
为第r个模型的角度频率，单位为rad/s，不同荷载组合下由于模型弹性荷载产生的变形形态对恶化或损坏非常敏感；
S5、码头地震风险分析处理：根据码头的工程需求参数结合码头地震易损性建模分析得出的数据信息，确定在设定水准地震作用下结构构件、非结构构件的损伤状态和发生概率，以及岸坡的稳定状态和失稳发生概率，应用优化理论，对码头的震后修复路径进行优化分析，确定最优震后修复路径，根据确定的震后修复路径，预测码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡数据信息；
S6、码头抗震韧性评估处理：计算码头的功能函数和抗震韧性指标，对码头的抗震韧性进行评价处理。
本发明中，S1中岸坡稳定性设计处理，码头由结构构件和非结构构件组成；
结构构件包括：架空直立式框架、桩基础、上部建筑、栈桥、岸壁、系靠船设施；
非结构构件包括：消防设备、暖通空调、照明设备、给排水设备、电力设备。
本发明中，S2中的岸坡稳定性设计处理通过抗震计算、地震惯性力计算和建筑物结构应力计算进行确定；
抗震计算一般在结构静力对基础上加以计算，此时主体结构已经定型，而结构物的自身重力是地震惯性力的计算重点，当计算横向水平时，截取其中的一个排架单独计算；
地震惯性力计算在计算地震惯性力时应注意将前后桩台作为一个整体计算，综合影响系数应充分结合实际情况考虑，如果假设桩体两端均为嵌固结构，一般不将码头上的固定设备其附加动力效应考虑在内，但是当其用螺栓或锚固形式固定时，需要进行附加动力放大计算，地震惯性力计算公式如下：
ai为质点i的动态分布系数，计算公式为：
本发明中，S3中码头地震危险性分析处理对码头的工程场地进行概率地震危险性分析，确定工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱。
本发明中，S4中码头地震易损性建模分析处理对码头的有限元模型进行弹塑性地震响应和易损性分析，构建结构构件、非结构构件和岸坡的地震易损性数据库。
本发明中，S5中码头地震风险分析处理对码头的地震易损性数据库，确定构件损伤状态和发生概率，以及岸坡稳定状态和失稳发生概率，并通过优化分析确定最优的震后修复路径，计算码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡，同时计算码头在设定水准地震作用下的功能函数和抗震韧性指标，且计算结果后进行处理，汇总评估码头的修复费用、修复时间、人员伤亡、功能函数和抗震韧性指标的具体数据；功能函数的归一化解析表达式表示为：
其中Q为随时间变化的功能函数，t为时间，t0E为地震发生时间，TRE为恢复过程所耗费的总时间，H为Heaviside阶梯函数，fRE为功能恢复函数，L为归一化功能损失函数；
定义为如下所示的直接损失和间接损失之和：L(IM,TRE)=LD(IM,TRE)+αLI(IM,TRE)，其中LI为间接损失，α为加权系数；LD为直接损失，公式如下：
码头抗震韧性指标R的计算公式为：
。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.高烈度地区码头抗震韧性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、岸坡稳定性设计处理：所述岸坡稳定性设计包括码头地质勘察、码头组成和码头资料信息；
S2、抗震设计分析处理：通过岸坡稳定性设计处理收集的资料数据，通过瞬态动力时程分析法原理对码头区域和附近范围的地震构造和地震活动性进行分析评价；
S3、码头地震危险性分析处理：根据抗震设计分析结果确定地震统计区和潜在震源的划分方案，确定相关的地震活动性参数，确定适合码头地区的地震动衰减关系，并对工程场地进行概率地震危险性分析处理，得到工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱；
S4、码头地震易损性建模分析处理：通过抗震设计分析处理的数据报告和码头地震危险性分析处理的数据报告以及工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱建立码头的土桩结构有限元模型，考虑码头几何尺寸和材料的不确定性，采用拉丁超立方抽样法确定其参数值；
S5、码头地震风险分析处理：根据码头的工程需求参数结合码头地震易损性建模分析得出的数据信息，确定在设定水准地震作用下结构构件、非结构构件的损伤状态和发生概率，以及岸坡的稳定状态和失稳发生概率，应用优化理论，对码头的震后修复路径进行优化分析，确定最优震后修复路径，根据确定的震后修复路径，预测码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡数据信息；
S6、码头抗震韧性评估处理：计算码头的功能函数和抗震韧性指标，对码头的抗震韧性进行评价处理。
2.根据权利要求1所述的高烈度地区码头抗震韧性评估方法，其特征在于，所述S1中岸坡稳定性设计处理，码头由结构构件和非结构构件组成；
所述结构构件包括：架空直立式框架、桩基础、上部建筑、栈桥、岸壁和系靠船设施；
所述非结构构件包括：消防设备、暖通空调、照明设备、给排水设备和电力设备。
3.根据权利要求1所述的高烈度地区码头抗震韧性评估方法，其特征在于，所述S2中的岸坡稳定性设计处理通过抗震计算、地震惯性力计算和建筑物结构应力计算进行确定；
所述抗震计算一般在结构静力对基础上加以计算，此时主体结构已经定型，而结构物的自身重力是地震惯性力的计算重点，当计算横向水平时，截取其中的一个排架单独计算；
所述地震惯性力计算在计算地震惯性力时应注意将前后桩台作为一个整体计算，综合影响系数应充分结合实际情况考虑，如果假设桩体两端均为嵌固结构，一般不将码头上的固定设备其附加动力效应考虑在内，但是当其用螺栓或锚固形式固定时，需要进行附加动力放大计算；
所述建筑物结构应力计算的重点是对叉桩的拉应力进行分析。
4.根据权利要求1所述的高烈度地区码头抗震韧性评估方法，其特征在于，所述S3中码头地震危险性分析处理对码头的工程场地进行概率地震危险性分析，确定工程场地在不同超越概率水准下的基岩地震动参数和基岩地震动反应谱。
5.根据权利要求1所述的高烈度地区码头抗震韧性评估方法，其特征在于，所述S4中码头地震易损性建模分析处理对码头的有限元模型进行弹塑性地震响应和易损性分析，构建结构构件、非结构构件和岸坡的地震易损性数据库。
6.根据权利要求5所述的高烈度地区码头抗震韧性评估方法，其特征在于，所述S5中码头地震风险分析处理对码头的地震易损性数据库，确定构件损伤状态和发生概率，以及岸坡稳定状态和失稳发生概率，并通过优化分析确定最优的震后修复路径，计算码头在设定水准地震作用下的修复费用、修复时间和人员伤亡；
同时计算码头在设定水准地震作用下的功能函数和抗震韧性指标，且计算结果后进行处理，汇总评估码头的修复费用、修复时间、人员伤亡、功能函数和抗震韧性指标的具体数据。
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Non-Patent Citations (1)
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| 宫维圣: "《码头和船闸建筑物的抗震》" * |
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