基于桥梁地震易损性与概率匹配的实际地震波及其强度指标的优化选择理论与方法

The optimal selection of real ground motions and intensity measures (IM) is very important to the proper development and implementation of performance-based seismic design of bridges (PBSD). Against PBSD based on the total probability theorem, this project investigates the coupled effects of the probability distribution of key ground motion characteristics, dynamic properties of bridges, higher mode effects and period elongation on seismic fragility of bridges through harmonic wavelet transform and incremental dynamic analysis. By means of probability matching strategy, a new class of multi-parameters vector-valued ground motion intensity measures including the strategy vector, the weight vector and the amplitude vector composed of spectral accelerations at important periods is developed based on response spectral shapes and the multivariate normal distribution. The parameter reorganization and dynamic updating of the new vector-valued IMs can be accomplished according to dynamic properties and seismic fragility of bridges. They can be applied to PBSD of different types of bridges. Furthermore, a new ground motion selection procedure is proposed to select a suite of real ground motions whose response spectra and significant duration have a target probability distribution and can be combined with the new vector-valued IMs to get more optimal results and improve probabilistic seismic demand analysis methods (e.g. incremental dynamic analysis). The analytical results can be verified based on shake table test results. The performance-based seismic design of bridges can be implemented more precisely and efficiently through this project.

实际地震波及其地震动强度指标（IM）的优化选择对基于性能的桥梁抗震设计理论（PBSD）的发展和正确实施至关重要。本课题针对PBSD以全概率理论为基础这一核心特点，基于谐波小波变换和IDA方法研究地震动关键特性的概率分布与桥梁结构动力特性、高模态效应、关键模态周期延长等重要因素对于桥梁地震易损性的耦合效应；在此基础上，引入概率匹配策略，以关键模态周期的谱加速度作为参变量组成幅值向量，并加入决策向量和加权向量，基于反应谱谱形和多元正态分布理论提出一类新型多参数向量IM，能根据桥梁结构动力特点及其地震易损性进行参数重组和动态更新，适用于多种桥型的抗震设计；同时发展一种新型实际地震波优化选择方法，使所选地震波的反应谱和持时等关键特性匹配目标概率分布，并实现与新型向量IM的联合使用，进一步提升两者的性能，优化IDA等概率地震需求分析方法，并通过试验验证数值模拟结果，更加精确、高效地实施PBSD理论。

实际地震波及其地震动强度指标（IM）的优化选择是基于性能的桥梁抗震设计理论（PBSD）中的两个关键科学问题，对该理论的进一步发展至关重要。本项目针对PBSD以全概率理论为基础这一核心特点，引入概率匹配方法解决这两个关键科学问题，主要研究内容和创新成果有：(1)有效识别了地震动关键特性的概率分布与桥梁结构动力特性、高模态效应、关键模态周期延长等重要因素对于桥梁地震需求和地震易损性的耦合效应，并确定了对桥梁结构地震需求影响显著的反应谱关键区段范围。(2)基于反应谱谱形和多元正态分布理论，提出了基于关键模态周期谱加速度的新型多参数向量IM，具有调幅后不会在分析结果中引入偏差的优点，使IM与桥梁结构地震需求之间具有更好的相关性，并建立了与之相适应的概率地震风险分析方法。(3)提出了基于目标谱关键区段概率匹配和基于持时概率匹配的实际地震波优化选择方法。能实现反应谱、持时的均值匹配和概率匹配，合理考虑多种重要因素对于桥梁地震需求和地震易损性的耦合效应，在不改变实际地震波特性的前提下，使所选地震波更好地符合工程场地的地震风险，能在基于规范、基于性能等各类型桥梁抗震设计方法中得到较好应用，并能实现与新型多参数向量IM的联合使用，进一步提升两者的性能，优化概率地震需求分析方法，更加精确、高效地实施PBSD理论，将桥梁抗震与地震工程紧密联系起来。(4)基于以上研究成果，将PBSD理论应用于桥梁抗震性能评估方法，提出了基于性能的城市高架桥和公路桥梁抗震性能评估关键技术，在初步评估阶段采用便于现场实施的评分体系，并在详细评估阶段采用PBSD理论，对桥梁体系及其构件的地震易损性等级进行两阶段评定，从而有针对性地进行抗震加固设计。本项目研究成果已成功应用于实际桥梁工程，能够显著提高桥梁抗震设计、抗震性能评估等工作的精确性和有效性，显著提高桥梁的抗震性能，有效节约工程造价，并对其他工程结构的抗震设计也具有较好的借鉴意义，社会和经济效益显著，应用前景广阔。