一种基于泥石流灾害静力分析的桥梁工程易损性评估方法

本发明涉及泥石流监测，尤其涉及一种基于泥石流灾害静力分析的桥梁工程易损性评估方法。

背景技术：

1、泥石流易损性早期研究，由于灾史数据缺失以及结构破坏机理认识不足，人们对泥石流损害状态没有一个明确认识，因此学者依据少量野外观测样本建立了易损性矩阵即建筑物损失程度和泥石流强度之间的对应关系表。fell和hartford通过分析岩崩、滑坡和泥石流灾史数据，依据泥石流属性（流速、流深）和建筑物损害关系建立了易损性矩阵。zanchetta等利用意大利萨尔诺火山泥石流数据推演了泥石流对结构的冲击压力，建立了损伤等级和泥石流冲击力的矩阵关系（半定量）。hu等在zanchetta等基础上依据8.7舟曲泥石流调查数据建立了不同类型建筑物损伤程度和泥石流冲击压力的易损性矩阵。kang和kim等通过野外调查数据、遥感解译和经验公式分析了建筑破坏程度与泥石流强度的关系，建立了泥石流深度、流速和冲击压力的经验易损性曲线，同时对建筑物损坏程度分为4类建立了冲击压力和损伤程度的矩阵关系。

2、随着野外数据的不断完善，学者依据灾史数据拟合得到泥石流易损性经验曲线更具有适用性。fuchs等对1997年奥地利泥石流灾害中15栋建筑破坏情况进行了统计，以泥深作为泥石流强度，建筑损失和建筑价值的比值作为易损度，建立了该次泥石流建筑易损性曲线，并将其整理为分段函数。akbas等对2008年阿尔卑斯山脉泥石流损坏的35栋建筑进行调查，将建立的易损性曲线和fell和hartford，fuchs的研究做了对比，结果显示在同一泥石流强度下akbas等获得的易损度略高于fuchs获得的易损度，分析认为评判建筑损失和泥石流强度的个人判断导致了易损性曲线差异。随后totschnig等提出泥石流流深除以建筑高度作为泥石流相对强度，以累积分布函数代替fuchs提出的多项式函数，并将建立的易损性曲线与流深-易损度曲线进行比较，结果显示采用相对强度建立的易损性曲线拟合性质更好。totschnig等和fuchs分别建立了不同程度的含沙水流和不同类型建筑的易损性曲线，并对其进行拟合建立了联合易损性曲线，采用意大利灾史数据进行检验。papathoma-köhle等通过照片计算了51栋建筑物损失程度和流深之间的易损性曲线，之后将其开发为软件用于预测泥石流灾害损失预测。

3、但是，目前这些技术存在以下问题：虽初步形成了区域、单沟模型和方法，但由于泥石流对桥梁的动力性能研究尚未深入，使得模型权重和参数的赋值仍具有一定主观性。因此当前研究较少建立基于力学机理的易损性评估模型。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于泥石流灾害静力分析的桥梁工程易损性评估方法，以便准确掌握桥梁在不同强度的泥石流冲击下发生不同程度损坏的概率情况，及时做好防灾抗灾工作。

2、本发明提供了一种基于泥石流灾害静力分析的桥梁工程易损性评估方法，包括：

3、通过非线性有限元分析法，获取不同泥石流强度变量下的桥梁动力响应值，并将所述桥梁动力响应值作为墩顶位移；

4、通过建立每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合关系，选取符合泥石流强度指标的泥石流强度变量，并利用所述符合泥石流强度指标的泥石流强度变量，确定不同符合泥石流强度指标的泥石流强度变量和墩顶位移的拟合表达式；

5、计算桥墩截面的弯矩-曲率曲线，并利用所述桥墩截面的弯矩-曲率曲线确定易损性指标分级；

6、利用所述不同符合泥石流强度指标的泥石流强度变量和墩顶位移的拟合表达式和所述易损性指标分级，得到桥梁失效概率函数，并利用所述桥梁失效概率函数进行桥梁工程易损性评估。

7、优选地，所述泥石流强度变量包括：流速v、流深h、相对强度h/l、流速与流深平方vh2、动量通量hv2、倾覆弯矩vh、泥浆冲击力p、石块冲击力f。

8、优选地，所述通过建立每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合关系，选取符合泥石流强度指标的泥石流强度变量包括：

9、通过建立每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合关系，得到每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合结果；

10、根据所述每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合结果，选取符合泥石流强度指标的泥石流强度变量。

11、优选地，所述当所述泥石流强度变量分别为流速与流深平方vh2、动量通量hv2、倾覆弯矩vh时，所述通过建立每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合关系，得到每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合结果包括：

12、通过建立每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合关系，计算第一可决系数；

13、通过对所述每个泥石流强度变量与所述墩顶位移分别取对数后采用一次函数进行拟合处理，计算第二可决系数；

14、将所述第一可决系数和所述第二可决系数作为每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合结果。

15、优选地，所述根据所述每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合结果，选取符合泥石流强度指标的泥石流强度变量包括：

16、将所述第一可决系数和所述第二可决系数与预置的可决系数阈值进行比较；

17、当所述第一可决系数和所述第二可决系数均大于预置的可决系数阈值时，则将所述第一可决系数和所述第二可决系数对应的泥石流强度变量作为符合泥石流强度指标的泥石流强度变量；

18、当所述第一可决系数和所述第二可决系数中有不大于预置的可决系数阈值时，则将所述第一可决系数和所述第二可决系数对应的泥石流强度变量作为不符合泥石流强度指标的泥石流强度变量。

19、优选地，所述不同符合泥石流强度指标的泥石流强度变量和墩顶位移的拟合表达式包括：

20、

21、其中，ds为泥石流强度，δ为墩顶位移，k，b为常数。

22、优选地，所述计算桥墩截面的弯矩-曲率曲线，并利用所述桥墩截面的弯矩-曲率曲线确定易损性指标分级包括：

23、通过计算桥墩混凝土结构抗力，建立桥墩截面的弯矩-曲率关系；

24、将所述桥墩截面的弯矩-曲率关系拟合为双线性曲线，并利用所述双线性曲线确定易损性指标分级。

25、优选地，所述利用所述不同符合泥石流强度指标的泥石流强度变量和墩顶位移的拟合表达式和所述易损性指标分级，得到桥梁失效概率函数包括：

26、建立桥梁失效概率模型，通过将所述不同符合泥石流强度指标的泥石流强度变量和墩顶位移的拟合表达式和所述易损性指标分级代入到所述桥梁失效概率模型中，得到桥梁失效概率函数。

27、优选地，所述利用所述桥梁失效概率函数进行桥梁工程易损性评估包括：

28、根据桥梁失效概率函数绘制易损性曲线，并利用所述易损性曲线进行桥梁工程易损性评估。

29、综上所述，本发明的有益效果是：建立了基于力学分析的易损性评估模型，可快速实现区域尺度的桥梁易损性评估，有助于我国山区桥梁的泥石流灾害风险分析。

技术特征：

1.一种基于泥石流灾害静力分析的桥梁工程易损性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述泥石流强度变量包括：流速v、流深h、相对强度h/l、流速与流深平方vh2、动量通量hv2、倾覆弯矩vh、泥浆冲击力p、石块冲击力f。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过建立每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合关系，选取符合泥石流强度指标的泥石流强度变量包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述当所述泥石流强度变量分别为流速与流深平方vh2、动量通量hv2、倾覆弯矩vh时，所述通过建立每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合关系，得到每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合结果包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述每个泥石流强度变量与所述墩顶位移之间的拟合结果，选取符合泥石流强度指标的泥石流强度变量包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述不同符合泥石流强度指标的泥石流强度变量和墩顶位移的拟合表达式包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算桥墩截面的弯矩-曲率曲线，并利用所述桥墩截面的弯矩-曲率曲线确定易损性指标分级包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用所述不同符合泥石流强度指标的泥石流强度变量和墩顶位移的拟合表达式和所述易损性指标分级，得到桥梁失效概率函数包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述利用所述桥梁失效概率函数进行桥梁工程易损性评估包括：

技术总结
本发明公开了一种基于泥石流灾害静力分析的桥梁工程易损性评估方法，涉及泥石流损害监测技术领域，该方法包括：基于改进的地震领域的桥梁易损性评估模型，并利用有限元分析获得泥石流强度和墩顶位移的拟合关系，假设响应概率函数和构件的承载能力概率函数为对数正态分布，得到失效概率函数，根据失效概率函数绘制易损性曲线，本发明的方法可及时掌握桥梁在不同强度的泥石流冲击下发生不同程度损坏的概率情况，以便及时做好防灾抗灾工作。

技术研发人员：邹强,李聪,杨涛,雷雨,葛永刚
受保护的技术使用者：中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15