考虑地震攻角的曲线梁桥易损性及通行能力评估.pdf
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1、第 卷第期交通科技与经济V o l N o 年月T e c h n o l o g y&E c o n o m y i nA r e a so fC o mm u n i c a t i o n sJ u l D O I:/j c n k i i s s n 考虑地震攻角的曲线梁桥易损性及通行能力评估郑妍,李素超,徐颢(黑龙江工程学院 计算机科学与技术学院,哈尔滨 ;哈尔滨工业大学(威海)海洋工程学院,山东 威海 )摘要:为探究地震攻角对曲线梁桥地震易损性的影响,采用曲线梁桥参数化建模方法建立有限元模型,通过增量动力时程分析和概率地震需求分析生成桥梁地震动样本对训练集、验证集和测试集.基于反向
2、传播神经网络(B P NN)、宽界限法和串并联概率理论建立曲线梁桥构件单体网络三个层次的地震易损性快速计算和评估模型,对比分析地震攻角对曲线梁桥的易损性影响规律,并对区域桥梁网络震后通行能力进行快速评估.结果表明,地震攻角对曲线梁桥的动力响应、地震易损性影响明显,忽略地震攻角影响可能会对交通网络的震后通行能力评估带来较大误差.关键词:桥梁工程;地震易损性;地震攻角;人工神经网络;通行能力中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:()V u l n e r a b i l i t ya n dt r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t ya s s e s s
3、 m e n t o f c u r v e db r i d g e c o n s i d e r i n gs e i s m i ca n g l eo fa t t a c ke f f e c tZ HE NGY a n,L IS u c h a o,XU H a o(C o l l e g eo fC o m p u t e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,H e i l o n g j i a n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,H a r b i n ,C h i n a;S c
4、h o o lo fO c e a nE n g i n e e r i n g,H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y(W e i h a i),W e i h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h es e i s m i cv u l n e r a b i l i t yo f c u r v e dg i r d e rb r i d g e s i nu r b a nb r i d g en e t w o r k su n d e r
5、t h ea t t a c k a n g l eo fe a r t h q u a k e s,t h ep a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o do f c u r v e dg i r d e rb r i d g e s i su s e dt ob u i l df i n i t ee l e m e n tm o d e l T h et r a i n i n gs e t,v e r i f i c a t i o ns e ta n dt e s ts e to ft h eb r i d g e g r o u n d
6、m o t i o ns a m p l ea r eg e n e r a t e dt h r o u g hi n c r e m e n t a ld y n a m i ca n a l y s i sa n dp r o b a b i l i s t i cs e i s m i cd e m a n da n a l y s i s T h e n,at h r e e l e v e lr a p i ds e i s m i cv u l n e r a b i l i t ye v a l u a t i o n m e t h o d sf o rc u r v e d
7、g i r d e rb r i d g ec o m p o n e n t s s y s t e m n e t w o r ka r ep r o p o s e db a s e do nb a c k p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k(B P NN),w i d el i m i tm e t h o da n ds e r i e s p a r a l l e l t h e o r y,r e s p e c t i v e l y T h e i n f l u e n c eo f d i f f e r e n
8、t g r o u n da t t a c ka n g l e so nt h ev u l n e r a b i l i t yo f c u r v e dg i r d e rb r i d g e si sa n a l y z e da n dt h ep o s t e a r t h q u a k et r a f f i cc a p a c i t ya s s e s s m e n t f o rr e g i o n a lb r i d g en e t w o r k si sc a r r i e do u t T h er e s u l t ss h
9、o wt h a t t h ee f f e c to fe a r t h q u a k ea n g l eo fa t t a c ko nt h ed y n a m i cr e s p o n s ea n ds e i s m i cv u l n e r a b i l i t yo fc u r v e dg i r d e rb r i d g e si sr e l a t i v e l yo b v i o u s I g n o r i n gt h ei m p a c to fe a r t h q u a k ea n g l eo fa t t a c
10、km a yb r i n gl a r g ee r r o r st ot h ep o s t e a r t h q u a k ec a p a c i t ya s s e s s m e n to f t r a f f i cn e t w o r k s K e yw o r d s:b r i d g ee n g i n e e r i n g;s e i s m i cv u l n e r a b i l i t y;a t t a c k a n g l eo f e a r t h q u a k e;a r t i f i c i a l n e u r a l
11、 n e t w o r k s;t r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t y收稿日期:基金项目:山东省自然科学基金面上项目(Z R ME );黑龙江工程学院基本科研业务费(创新团队类)项目(C X )第一作者简介:郑妍(),女,讲师,研究方向:大数据计算通信作者简介:李素超(),男,副教授,博士,研究方向:桥梁抗震、智能土木工程等城市桥梁网络中往往包含一定数量的曲线梁桥,该类桥梁形状不规则,地震作用下的动力响应比直线梁桥更加复杂,易受地震动水平攻角的影响.尽管我国在公路桥梁地震损伤预测模型方面开展了大量研究,但对曲线梁桥和桥网系统的地震易损性评估研究仍
12、不充分,一定程度上制约了桥梁网络地震损伤预测工作的发展.在桥梁结构地震易损性快速评估研究方面,以往研究主要采用响应面模型、高斯过程回归、增量动力分析、蒙特卡洛模拟等方法,而关于人工神经网络(ANN)方法在桥梁结构地震易损性分析中的研究和应用相对较少.A s h r a f i f a r等运用耐震时程法研究考虑不同龄期桥梁的地震易损性规律;L i u等采用人工神经网络方法研究多跨钢筋混凝土桥梁的地震易损性快速评估方法;A n a s t a s o p o u l o s等建立层间位移角、延性需求及延性容量比值与 种地震动强度参数的非线性回归函数关系;E b r a h i m等研究不同腐蚀程
13、度下多跨钢筋混凝土桥梁的地震易损性特征,指出延性需求是影响易损性差异的重要因素;J i a o等 开展曲线梁桥的振动台实验,研究远场、近场地震下曲线桥梁碰撞响应及最不利地震攻角方向;J o n g S u等 研究桥台角度对地震易损性的影响.吴子燕等 拟合得到跨钢筋混凝土连续梁桥墩顶转角延性系数响应面函数,并通过蒙特卡洛模拟建立桥梁地震易损性模型;李立峰等 采用拉丁超立方抽样方法建立 个桥梁样本,采用可靠度概率方法研究结构系统地震易损性,指出采用系统易损性来评估桥梁抗震性能的必要性;李幸钰等 采用优化藤C o p u l a方法研究包含有桥墩桥台和支座共 个 构 件 个 体 相 关 性 的 桥
14、梁 系 统 易 损 性;C h e n等 研究主余震序列作用下高墩桥梁的易损性曲线和直接经济损失,强调考虑余震的重要性;董涛等 分析多种荷载下预应力曲线连续箱梁桥支座的径向反力特征,提出防止该类梁桥发生支座病害的建议.综上,目前关于地震攻角对曲线梁桥地震易损性影响的研究仍比较少见,忽略地震攻角的影响将引起桥梁系统易损性评估结果的偏差.文中采用参数化方法建立钢筋混凝土曲线梁桥有限元模型,通过增量动力和概率地震需求分析,建立基于反向传播神经网络的桥梁构件地震易损性计算分析方法,构建曲线梁桥构件单体网络三层次地震易损性快速评估模型,进一步对区域桥梁网络震后通行能力进行评估.不同地震攻角下钢筋混凝土曲
15、线梁桥的动力响应先通过O p e n S e e s有限元分析软件计算曲线梁桥在地震激励下的非线性时程响应,再结合增量动力分析和人工神经网络模型的曲线梁桥地震易损性分析需要建立大量桥梁样本,根据曲线梁桥的结构特征,基于P h y t h o n语言编写用于直接生成曲线梁桥有限元模型的参数化建模程序,建立有限元模型如图所示.在分析过程中,地震攻角从 均匀划分为个区间,每个区间间隔 ,这里将与曲线梁桥起点(首)、终点(尾)连线平行的方向设置为,如图所示.模型中采用具有纤维截面的非线性梁柱单元模拟桥墩,并考虑P 效应,由内到外分为核心混图曲线梁桥有限元模型图地震动攻角凝土区、纵筋区和保护层混凝土区;
16、将桥面梁板、桥台梁和盖梁简化为弹性梁柱单元,将支座、桥台边界、伸缩缝、基础简化为零长度单元,考虑桥面板之间、桥面板与桥台之间的碰撞作用,选用合成橡胶支座,支座力学特性依据文献 建议的构造和本构建立.多跨曲线梁桥建模及动力特性为研究曲线混凝土梁桥的动力特性并检验有限元模型的正确性,对某跨曲线梁桥进行快速建模,桥梁参数如表所示,通过模态分析提取得到桥梁结构的前阶周期 及 振 型,如 表所 示.结果表明,建立的曲线梁桥动力特性与该类桥梁工程结构基本一致,表明建立的有限元模型正确合理.地震损伤指标确定与破坏状态划分以往桥梁震害经验表明,桥梁震害大多集中在墩柱底部、盖梁与墩柱连接处和桥梁支座处.一般来说
17、,桥墩曲率延性比可以更直接地反映墩柱的塑性变形状态,支座变形则与落梁、碰撞相关.因此,文中选取墩柱曲率延性比和支座变形作为桥梁关键构件的地震损伤指标,其中桥墩曲率延性比定义为 m a xy i e l d()式中:y i e l d为最外层纵筋首次屈服时的桥墩曲率;m a x为加载过程中桥墩最大曲率.第期郑妍,等:考虑地震攻角的曲线梁桥易损性及通行能力评估在评价钢筋混凝土桥墩地震损伤时,选用国内外学者认可的墩柱曲率延性比和支座变形作为损伤判定指标,不同破坏程度分级标准以及各阶段对应的损伤或破坏定性描述如表所示.表曲线桥梁参数参数数值参数数值参数数值墩高/m 钢筋屈服强度/MP a 桥面板间缝隙
18、/mm 跨径/m 钢筋杨氏模量/G P a 固定支座缝隙/mm 桥面板宽度/m 混凝土抗压强度/MP a 桥面板与桥台间缝隙/mm 曲率半径/m 钢材/混凝土泊松比/碰撞单元屈服后刚度/(k Nm)跨数橡胶剪切模量/MP a 碰撞单元初始刚度/(k Nm)总跨度/m 活动支座缝隙/mm 碰撞单元屈服位移/mm 表桥梁周期及振型描述阶次周期/s振型阶次周期/s振型阶次周期/s振型 顺桥向同向侧移 横桥向一阶振型 整体扭转振型 顺桥向对称侧移 横桥向二阶振型 横桥向高阶扭转振型表桥梁破坏状态指标定义破坏状态损伤指标损伤或破坏定性描述墩柱曲率延性比支座变形/mm损伤或破坏现象轻微破坏 桥台、墩柱、桥
19、面板出现细微裂缝或轻微剥落中等破坏 墩柱出现中度裂缝,结构主体完好,支座中度失效,未发生落梁严重破坏 墩柱刚度明显退化但未倒塌,限位装置残余变形,剪力键失效完全破坏 任一墩柱发生倒塌,上部结构出现落梁或下部结构发生严重倾斜 地震动攻角对钢筋混凝土曲线梁桥的影响规律文中以我国新疆维吾尔自治区某地为例,研究地震动攻角对曲线梁桥地震响应的影响.该地区抗震设防烈度为度,设计基本地震加速度为 g,设计地震分组为第一组,类场地,地震动加速度反应谱特征周期为 s,地震影响系数最大值为 ,反应谱阻尼比取 .通过S I MQK E_G R软件生成与规范反应谱对应的条人工地震动,地震波持时 s,统一调幅至 g.曲
20、线梁桥分析模型选用第 节建立的跨模型,经O p e n S e e s计算后提取每次时程分析的最大墩柱曲率延性比和最大支座变形作为损伤指标,相关结果如图所示.从图可以看出,地震攻角为 时,支座最大变形量为 mm,达到中等破坏水平,墩柱曲率延性比最大值为 ;地震攻角为 时,支座最大变形量为 mm,墩柱曲率延性比最大值为 .支座变形的最不利地震攻角主要集中在 方向,而桥墩曲率延性比的最不利地震动攻角主要集中在 方向,支座最大变形和墩柱曲率延性比最大值随地震攻角的变化曲线均基本关于 对称,下文进行曲线梁桥地震易损性分析时,可以仅考虑 地震动攻角区间以减少计算量.基于B P N N的曲线梁桥地震易损性
21、快速分析 曲线梁桥地震易损性B P N N模型架构反向传播人工神经网络算法因其泛化性能好、计算效率高等优势而备受关注,目前已大量应用于科学研究和工程分析中.在此基础上,基于反向传播神经网络建立了曲线梁桥地震易损性模型,其拓扑结构包含输入层、隐含层和输出层,如图所示.结合文献 对桥梁关键参数选取规则的研究以交通科技与经济 第 卷图地震动攻角对跨曲线梁桥损伤指标影响图基于B P N N的桥梁易损性分析流程及作者前期相关曲线桥梁易损性研究成果,同时考虑某特定区域内的桥梁抗震设防条件接近,及场地特征、配筋率等参数离散度较低特点,选择地震峰值加速度(P GA g)和地震攻角个参数作为地震动特征参数输入;
22、选择桥墩截面尺寸(直径 mm)、混凝土抗压强度(MP a)、钢筋屈服强度(MP a)、支座有效刚度、跨径(m)、跨数()、桥面宽度(m)、墩高(m)、曲率半径(m、直线桥)等个参数作为结构基本特征输入;选择桥梁关键构件(桥墩曲率延性比、支座变形)易损性曲线的均值和方差作为模型输出.为减少计算时间,先结合公路桥梁通用图集剔除不合理的参数组合,并基于中心复合设计方法对模型数量进行优化,最终建立 座曲线梁桥作为数据样本进行分析,并随机将、和 的样本分别作为训练集、验证集和测试集,采用曲线梁桥参数化快速建模方法建立O p e n S e e s模型,用于获得基于数据驱动的桥梁地震易损性数据库.曲线梁桥
23、地震易损性B P N N模型建立与验证为进行交通系统地震易损性分析,首先选取B a k e r等 建议的 条地震动记录,使每个梁桥得到 组桥梁地震动样本对;然后,对每个样本进行I D A分 析,地 震 峰 值 加 速 度P GA依 次 从 g增加至 g,地震攻角分别取、和 .计算 完成后,提取 每个曲线梁 桥在 不 同P GA下的构件峰值响应,建立桥梁关键构件的I D A曲线;最后,进行P S D A分析,如式()所示,通过对每个桥 梁 样 本 的I D A曲 线 进 行 回 归 分 析,统 计l n(I M)与关键构件地震需求之间的关系,得到各关键构件的易损性参数,再对每个桥梁样本各构件地震
24、需求相关性进行分析,进而得到相关系数矩阵.PDC|I M l n(I M)bl n(C/a)bD|I MCl n(I M)()其中 l n(C/a)/b和D|I MC/b,分别为桥梁构件能力的均值与方差.第期郑妍,等:考虑地震攻角的曲线梁桥易损性及通行能力评估重复上述步骤,直至完成所有桥梁地震动样本对的I D A计算和P S D A分析,最终建立曲线梁桥地震易损性数据库.在最优神经网络模型确定过程中选用的神经网络结构参数如下:)隐含层数设为一层;)隐含层神经元数量,选用 个隐含层节点数用于确定最优神经网络结构;)激活函数选用S i g m o i d函数;)学习率为 ;)容许误差范围为;)最大
25、迭代次数为;)适应度函数e(x;w)|y(xi;w)yi|.为验证训练结果的有效性,采用均方根误差和拟合优度指标来判断B P NN模型的性能,两个指标表达式分别为EMyNyMyjNynyi jyi jyi j()RMyjNynyi jyi j()MyjNynyi jyj()()式中:yi j和yi j分别为桥梁i的易损性参数j的概率地震需求分析和神经网络回归分析结果;n为测试集试验样本的数量.经过各模型的对比分析,最终确定最优结构模型为 个隐含层神经元的B P NN模型,该结构的模型误差最小且拟合优度最大,此时,E ,R ,如图所示.图不同结构的B P N N模型性能评估基于B P NN模型和
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