一种隧道结构抗震韧性评价方法及系统

本发明涉及隧道性能测试，更具体的说是涉及一种隧道结构抗震韧性评价方法及系统。

背景技术：

1、随着交通基础建设不断发展，隧道不可避免地要建设在地震带附近。因此，对隧道结构的抗震性能进行深入研究至关重要，尤其是对其灾后韧性和恢复能力的考察。

2、对隧道结构的韧性分析过程通常采用易损性分析，只能得到失效概率曲线，很难和功能函数联系起来，无法绘制韧性恢复曲线。而针对隧道的韧性分析的方法较少，大多数研究都是以单参数为基础的易损性分析，并且都是局限于圆形盾构隧道，隧道结构的韧性评价分析很少。

3、因此，如何基于双参数对隧道结构进行抗震韧性评价是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种隧道结构抗震韧性评价方法及系统，以解决背景技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种隧道结构抗震韧性评价方法，包括：

4、步骤1：根据隧道衬砌结构的设计方案，建立隧道结构三维数值模型；

5、步骤2：结合隧道的埋深和地质环境，基于隧道结构三维数值模型确定作用于隧道衬砌结构的荷载体系；

6、步骤3：在获取隧道结构三维数值模型和作用于隧道衬砌结构的荷载体系的基础上，选取地震动，将地震动峰值加速度pga从α0开始施加，以δα不断增加地震动峰值加速度gpa，模拟不同地震动影响下隧道衬砌结构的响应情况；

7、步骤4：根据步骤3中调幅好的地震动加速度在隧道底部的水平方向进行输入，依次对该隧道结构进行增量动力分析，得到不同地震动强度下衬砌结构的相对变形率δm以及累积塑性应变εm；

8、步骤5：根据步骤4获得的相对变形率δm以及累积塑性应变εm，确定隧道衬砌结构的双参数结构损伤指标dm，并结合地震动峰值加速度pga确定衬砌结构的工程需求参数edp，并计算获得隧道结构的失效概率pf；

9、步骤6：根据步骤5所计算的失效概率pf，确定隧道衬砌结构的功能函数q(t)，绘制隧道衬砌结构关于时间t的恢复曲线，描述衬砌结构对不同地震动和时间的响应过程；

10、步骤7：根据步骤6获得的隧道衬砌结构的功能函数q(t)，确定衬砌结构的韧性指标r，得到隧道灾前抵抗、灾中适应和灾后恢复的性能曲线；

11、步骤8：根据步骤6中的恢复曲线和步骤7中的性能曲线，确定隧道的最佳抢修时间t，组织人员进行抢修。

12、可选的，所述荷载体系的参数至少包括隧道顶部竖向土压力和侧向压力。

13、可选的，步骤3中获取地震动包括以下步骤：

14、步骤31，根据隧址所在地区的地震动峰值加速度，设计地震分组、场地类别以及特征周期，绘制出该地区的设计地震加速度反应谱；

15、步骤32，将步骤31中所述设计地震加速度反应谱作为目标谱，输入太平洋地震工程研究中心地震动数据库进行地震动检索出目标地震动；

16、步骤33，对选取的目标地震动按pga进行调幅，调幅后的pga分别为α0，α0+δα，……，αn；

17、以调幅后的pga模拟隧道结构在不同地震动强度下从弹性到塑性乃至破坏的全部反应过程。

18、可选的，步骤4中所述相对变形率δm以及累积塑性应变εm的公式如下：

19、

20、式中：δ1为衬砌未变形前两点之间的距离；δ2为衬砌变形后变形量最大的两点之间的距离；εi为二衬单元的等效塑性应变量。

21、可选的，步骤5中获得隧道的失效概率pf包括以下步骤：

22、步骤51，根据隧道衬砌结构的变形情况，对隧道极限状态进行等级划分；

23、步骤52，综合极限状态、双参数结构损伤指标dm和工程需求参数edp进行易损性分析，获得隧道的失效概率pf，确定各种极限状态条件下隧道的易损性曲线。

24、可选的，所述双参数结构损伤指标dm的公式如下：

25、

26、式中：(1-α)和α为最大变形和滞回耗能对隧道结构损伤的影响程度；β是循环荷载影响系数；δu为隧道结构的极限变形；εu为隧道结构的极限滞回耗能；δm、εm分别为衬砌结构的相对变形率和累积塑性应变；

27、所述工程需求参数edp的公式如下：

28、lnuedp＝a+blnpga；

29、式中：a、b为回归系数；uedp为工程需求参数的均值；

30、所述失效概率pf的公式如下：

31、

32、式中：udm为隧道结构的损伤指标的均值；σedp和σdm为隧道结构的工程需求参数的标准差和损伤指标的标准差；φ为标准累积正态分布函数。

33、可选的，步骤6中所述隧道衬砌结构的功能函数q(t)的公式如下：

34、

35、p[lsi∣im]＝p[dm>lsi-1∣im]-p[dm>lsi∣im],i＝1,2,3；

36、式中：q[lsi|t]为t时刻第i个损伤状态lsi下的功能函数；p[lsi|im]为im水平下隧道结构发生lsi破坏的概率；p[dm>lsi-1|im]和p[dm>lsi|im]为im水平下隧道结构超过lsi-1和lsi的超越概率。

37、可选的，步骤7中所述衬砌结构的韧性指标r的公式如下：

38、

39、式中：t0为地震发生的时间；t1为隧道结构修复过程中的任意时间。

40、可选的，步骤8中隧道结构的最佳抢修时间t是根据步骤6中所述恢复曲线和步骤7中所述性能曲线确定，曲线的拐点所对应的时间为最佳抢修时间t。

41、一种隧道结构抗震韧性评价系统，包括：

42、数值模型建立模块，根据隧道衬砌结构的设计方案，建立隧道结构三维数值模型；

43、荷载体系确定模块，结合隧道的埋深和地质环境，基于隧道结构三维数值模型确定作用于隧道衬砌结构的荷载体系；

44、地震动峰值加速度调幅模块，在获取隧道结构三维数值模型和作用于隧道衬砌结构的荷载体系的基础上，选取地震动，将地震动峰值加速度pga从α0开始施加，以δα不断增加地震动峰值加速度gpa，模拟不同地震动影响下隧道衬砌结构的响应情况；

45、增量动力分析模块，根据调幅好的地震动加速度在隧道底部的水平方向进行输入，依次对该隧道结构进行增量动力分析，得到不同地震动强度下衬砌结构的相对变形率δm以及累积塑性应变εm；

46、失效概率计算模块，根据相对变形率δm以及累积塑性应变εm确定隧道衬砌结构的双参数结构损伤指标dm，并结合地震动峰值加速度pga确定衬砌结构的工程需求参数edp，并计算获得隧道结构的失效概率pf；

47、恢复曲线绘制模块，根据所计算的失效概率pf，确定隧道衬砌结构的功能函数q(t)，绘制隧道衬砌结构关于时间t的恢复曲线，描述衬砌结构对不同地震动和时间的响应过程；

48、性能曲线绘制模块，根据步骤6获得的隧道衬砌结构的功能函数q(t)，确定衬砌结构的韧性指标r，得到隧道灾前抵抗、灾中适应和灾后恢复的性能曲线；

49、最佳抢救时间确定模块，根据恢复曲线和性能曲线，确定隧道的最佳抢修时间t，组织人员进行抢修。

50、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种隧道结构抗震韧性评价方法及系统，通过有限元软件分析将相对变形率和累积塑性应变双参数引入损伤指标，公式简明，方便计算，不仅能够真实地反映隧道在抵抗地震时变形和能量的变化，反映不同地震动对隧道结构的损伤情况和疲劳效应，确定隧道灾前抵抗、灾中适应和灾后恢复3个阶段，还量化隧道结构的恢复曲线和性能曲线，明确了不同地震动峰值加速度的隧道功能函数，获得任意时刻的隧道功能函数，确定隧道的最佳抢修时间t，具有科学指导、提高隧道结构救援效率和降低经济成本的作用，推广价值高，能够有效的应用于实际的隧道工程中。