直立锁缝金属屋面加强抗风揭能力的优化设计

中国2012年以前设计的直立锁缝金属屋面板的公共建筑，因按2006年版荷载规范设计导致设计负风压取值明显偏低而出现了金属屋面板风揭破坏，所以加强其抗风揭能力对此类既有公共建筑的安全使用至关重要。结合直立锁缝屋面系统现已广泛运用于公共建筑屋面系统中的实际，该文阐述了直立锁缝金属屋面系统抗风揭原理，对复杂受力状态下的直立锁缝屋面板系统各关键组成部分在极端暴风工况下的抗风揭能力进行了初步分析:该文从昌北机场T2航站楼工程既有直立锁缝式金属屋面系统破坏后加固设计案件的实际需要出发，通过分析直立锁缝金属屋面系统的传力路径及其破坏特点，探讨了既有直立锁缝式金属屋面系统确保重点区域、兼顾一般区域并通过实物抗风揭对比试验确定的加强设计优化思路，提出了通过实物抗风揭试验来进行评价及具体优化的方法；通过系列抗风揭承载性能的对比试验，提出了在既有直立锁缝式金属屋面板在一般区域及加强区域分别于支座上增加不同间距夹具的有效方法，并提出了对此类屋面板抗风揭承载力设计的优化建议，特别提出了要进一步提高既有直立锁缝金属屋面板板头部位的防掀能力，避免产生“撕纸破坏连锁效应”。不仅可以为此类既有屋面的加固设计提供科学依据，而且为类似大型场馆金属屋面新建工程的设计提供有价值的参考。     

基于AK-MCS法的主轴系统振动可靠性分析

采用集中质量法对数控车床主轴系统进行了简化,建立了考虑主轴刚度、阻尼、偏心质量和成组滚动轴承非线性接触力的十自由度非线性振动模型,使用Runge-Kutta数值积分法求得了主轴-轴承系统振动微分方程的数值解。考虑影响主轴振动的相关参数的随机性,以轴端轴心的振动幅值作为衡量主轴振动可靠性的指标,采用Kriging和Monte Carlo法相结合的方法(AK-MCS)计算了主轴振动可靠度。研究结果表明:采用AK-MCS算法与直接Monte Carlo法计算的失效概率几乎相等,而AK-MCS算法的运算效率明显更高,说明了该研究采用的AK-MCS算法的准确性与高效性,也验证了该方法适用于强非线性系统的可靠性计算。     

带抗风夹的直立锁边屋面系统抗风性能的参数研究

目前许多大跨建筑的屋面围护结构采用带抗风夹的直立锁边屋面系统来抵抗强风作用,但对于使用了抗风夹的直立锁边屋面系统在风荷载下的变形、应力等特征响应的变化鲜有深入研究。该文借助试验与数值模拟手段研究了板宽、板厚、抗风夹间距等参数对屋面系统特征响应及承载力的影响,提出了屋面系统的破坏准则并拟合得到了屋面系统的抗风承载力计算公式。研究表明,板厚每增加0.1 mm,承载力提高10%左右;板宽每减小100 mm,承载力提高25%左右;抗风夹间距小于1100 mm时,每减小100 mm,承载力提高20%左右,抗风夹间距大于1100 mm时,每减小100 mm,承载力提高10%左右;改变抗风夹构造对承载力影响不大。     

一种基于自适应集成学习代理模型的结构可靠性分析方法

结构可靠性分析需要精确计算结构或系统的失效概率,当结构失效概率低时,运算量大且操作困难。可采用代理模型替代原始性能函数,结合自适应实验设计,在保证准确率的同时大幅减少原始模型的总运行次数。该文提出了基于自适应集成学习代理模型的结构可靠性分析方法,将适应性较广的Kriging与最近发展的PC-Kriging代理模型集成;利用代理模型提供预测点的方差特征,提出新的集成学习函数,识别高预测误差区域,实现高效拟合失效边界;通过主动学习算法在预测误差大和接近极限状态的区域添加采样,迭代更新集成代理模型。通过3个算例,验证了该文方法与单一代理模型结构可靠性分析方法的优势,与AK-MCS+U和AK-MCS+EFF相比,所提方法计算成本低、准确度高。     

基于柯西不等式的结构可靠度取尾重要抽样法

该文采用柯西不等式对结构可靠度计算中Monte Carlo 重要抽样法的模拟方差进行了分析与评价,提出了中间概率的概念并推导出其与模拟方差的函数关系。在此基础上得出使方差达到极小值的抽样函数具体形式,并建立了属于重要抽样技术的圆环和半圆环取尾抽样方法。与其他方法不同的是其抽样函数与原变量分布函数的比值是一常数,其分布区域是以原点为中心以原点到极限状态面距离为半径的圆形外部空间,模拟结果的方差可以定量描述。理论分析和例题模拟结果都表明:圆环取尾抽样方法可使模拟结果的方差缩减到直接模拟的1/10,而半圆环取尾抽样方法能缩减到1/20。     

基于最大裂缝宽度的钢筋混凝土桥梁可靠度分析

依据可靠度理论、相关可靠度设计标准和桥梁设计规范,推导了基于最大裂缝宽度的钢筋混凝土桥梁正常使用极限状态功能函数。分析了功能函数中各随机变量的分布类型,选择验算点法进行可靠指标的计算。最后给出计算实例,采用Matlab编程实现可靠指标的计算,计算结果表明最大裂缝宽度可靠指标基本满足设计要求。在实例计算中,还对最大裂缝宽度可靠指标进行了敏感性分析,影响最大裂缝宽度可靠指标的因素众多,限于篇幅,该文仅分析了活载比对最大裂缝宽度可靠指标的影响。     

基于神经网络响应面法的随机结构动力可靠度分析

在对神经网络响应面法的原理和算法进行研究的基础上，建立了基于神经网络响应面法的随机结构动力可靠度分析方法。首先，基于首次超越破坏准则，参照静力可靠度的功能函数模式，建立了随机结构的动力可靠度功能函数；然后引入响应面法，以三层BP神经网络作为拟合函数，推导了功能函数的拟合表达式；最后结合一次二阶矩方法求解可靠指标。算例分析表明了本文方法有较好的计算精度和计算效率，在复杂结构的动力可靠度分析中有较强的实用价值。     

强风下导线的等效随机静风荷载概率模型

输/配电线路是典型的风振敏感结构，而且导线风荷载往往大于杆塔自身风荷载。结构风荷载常呈现强随机性，合理地考虑这种随机性是输/配电线路抗风设计与风险评估的基础。该文以气弹模型风洞试验为依据，结合随机风振反应基本理论，获得导线等效静风荷载的计算方法；引入强风风场特性参数的随机性，推导并拟合得到导线的等效随机静风荷载概率模型；将建立的随机风荷载概率模型应用于配网结构的可靠度分析中，评估现有配网结构规范设计的可靠度水准。分析结果表明，导线风荷载效应占比大于5%时，按现有配网线路规范设计的构件可靠度指标低于构件呈现二级延性破坏所对应的目标可靠度水平。该文建立的随机风荷载概率模型，考虑了平均风荷载的随机性、脉动风荷载的随机过程性及其对结构的随机动力效应，同时引入了描述脉动风随机过程特性参数的随机性，可应用于强风下输/配电网的抗风设计和风险评估。     

基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度

为研究桥墩非线性地震响应下的抗震可靠度,引入随机函数-谱表示模型与高阶矩法,提出了基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度分析方法。考虑三线型恢复力模型,建立了桥墩的单墩模型;利用随机函数-谱表示模型生成非平稳地震加速度时程样本并对桥墩进行非线性时程分析,在此基础上,建立了结构响应极值前四阶矩(均值,标准差,偏度和峰度)的计算框架;最后,考虑桥墩位移界限,给出了桥墩位移的功能函数,进而利用高阶矩法计算桥墩抗震可靠指标。通过对桥墩结构分析,验证了该方法的高效性与精确性;计算结果表明:与Monte Carlo模拟结果相比,该方法计算的前四阶矩、抗震可靠指标(失效概率)的最大相对误差分别为0.28%,1.92%(4.92%),该方法为桥墩抗震可靠度评估提供了一种有效的途径。     

桥梁结构时变可靠度计算的新方法

为提高桥梁结构时变可靠度的计算效率,该文提出了新的计算方法。该方法基于结构时变可靠度分析的基本理论,利用Taylor级数展开,将可靠度计算从传统的积分运算形式转换为代数运算的形式,从而简化计算过程,提高计算效率。为了考虑桥梁初始承载力和衰减过程的不确定性,该文基于全概率方法,给出了计算劣化结构时变可靠度的显式公式。通过将该文方法应用于某钢筋混凝土桥梁进行时变可靠度分析,并与Monte Carlo模拟方法进行对比,表明了该文方法的准确性和高效性。     

基于自适应点估计和最大熵原理的结构体系多构件可靠度分析

准确而高效地求解结构体系中多个构件的可靠度水准对结构维护和优化具有重要意义,目前已有学者将蒙特卡洛法和响应面法用于此类可靠度分析。然而,蒙特卡洛法所需结构分析次数取决于失效概率的量级,通常计算成本较高。而响应面法的所需结构分析次数取决于杆件数量,当其数量较多时同样有较高的成本。鉴于此,该文提出了一种基于自适应点估计和最大熵原理的结构体系多构件可靠度分析方法,其所需的结构重分析次数上限与杆件数量无关,计算过程简便无需迭代。首先,通过引入自适应交叉项判定和双变量降维近似模型求解各杆件的前四阶矩;然后,根据各杆件的前四阶矩,采用最大熵原理求解各杆件的可靠度指标;最后,通过多个算例对比了蒙特卡洛法、响应面法和建议方法的精度和效率。结果表明建议方法所需的结构重分析次数远少于蒙特卡洛法和响应面法,实现过程简便,且精度能够满足工程要求。     

联合分布函数蒙特卡罗模拟及结构可靠度分析

针对复杂极限状态方程可靠度计算问题,提出了基于理论联合分布函数以及2 种近似联合分布函数的结构失效概率蒙特卡罗模拟方法,并给出了计算流程图.采用2 个算例证明了所提方法的有效性.结果表明:所提的失效概率模拟方法的计算精度很高,尤其适用于复杂极限状态方程的可靠度计算问题.2 种联合分布函数近似构造方法得到的失效概率精度相当,近似方法与精确方法结果的差异随失效概率的减小而增大,而且随着变量间相关性的增加而增加.当失效概率小于10-3时,近似方法的失效概率误差较大.     

Reliability-based evaluation of automotive wind noise quality

This paper proposes an efficient method for the reliability analysis of a vehicle body–door subsystem with respect to an important quality issue—wind noise. A nonlinear seal model is constructed for the automotive wind noise problem and the limit state function is evaluated using finite element analysis. A multi-modal adaptive importance sampling (AIS) method is developed for reliability analysis at system level, to improve the efficiency of the Monte Carlo simulation. The method can easily handle implicit and time-dependent limit-state functions, with variables of any statistical distributions. Existing analytical as well as simulation-based methods are also investigated to solve the car door wind noise problem. It is demonstrated through this industrial application problem that the multi-modal AIS method is superior to existing methods in terms of efficiency and accuracy. A generalized framework for reliability estimation is then established for series system reliability problems with large numbers of random variables and complicated, implicit limit states.     

An efficient analytical Bayesian method for reliability and system response updating based on Laplace and inverse first-order reliability computations

This paper presents an efficient analytical Bayesian method for reliability and system response updating without using simulations. The method includes additional information such as measurement data via Bayesian modeling to reduce estimation uncertainties. Laplace approximation method is used to evaluate Bayesian posterior distributions analytically. An efficient algorithm based on inverse first-order reliability method is developed to evaluate system responses given a reliability index or confidence interval. Since the proposed method involves no simulations such as Monte Carlo or Markov chain Monte Carlo simulations, the overall computational efficiency improves significantly, particularly for problems with complicated performance functions. A practical fatigue crack propagation problem with experimental data, and a structural scale example are presented for methodology demonstration. The accuracy and computational efficiency of the proposed method are compared with traditional simulation-based methods.     

Reliability analysis of large structural systems

Brute force Monte Carlo simulation methods can, in principle, be used to calculate accurately the reliability of complicated structural systems, but the computational burden may be prohibitive. A new Monte Carlo based method for estimating system reliability that aims at reducing the computational cost is therefore proposed. It exploits the regularity of tail probabilities to set up an approximation procedure for the prediction of the far tail failure probabilities based on the estimates of the failure probabilities obtained by Monte Carlo simulation at more moderate levels. In this paper, the usefulness and accuracy of the estimation method is illustrated by application to a particular example of a structure with several thousand potentially critical limit state functions. The effect of varying the correlation of the load components is also investigated.     

基于健康监测系统的大跨多荷载桥梁的 疲劳可靠度评估

考虑到火车、汽车与风荷载的长期作用以及多荷载的随机性,评估大跨多荷载桥梁的疲劳可靠度是一项富有挑战的任务。该研究基于健康监测系统提出了大跨多荷载悬索桥的疲劳可靠度分析框架,并应用到香港青马大桥。首先,定义了疲劳可靠度的极限状态函数,基于监测数据建立火车、汽车与风荷载的概率模型。基于概率模型和蒙特卡洛模拟方法,利用疲劳关键位置上多荷载的每日随机应力响应,估计每日应力幅m次方之和的概率分布。假设交通保持不变,可确定在给定时段内应力幅m次方之和的概率分布。最终得到桥梁不同疲劳关键位置不同时间点的疲劳失效概率。结果表明,在目前的交通状态下,青马大桥的疲劳健康状况可保持良好。     

基于响应面法和Morgenstern-Price法土坡可靠度计算方法

基于响应面法,建立了一种高效的边坡可靠度指标和失效概率近似计算方法。该法在构造响应面函数时,抽样点计算采用Morgenstern-Price法取代传统费时的有限单元法,大大降低了计算工作量。利用Monte-Carlo随机抽样原理,提出了一种能同时确定边坡最危险非圆弧滑动面和最小可靠度指标的随机搜索新算法。该文给出的两个算例验证了方法的实用性和可靠性,其计算结果同时表明:当分别以最小可靠度指标和最小中值安全系数为目标函数时,搜索到的边坡最危险滑动面相差较大。最后,探讨了土性指标(c,φ)的分布概型及相关性对边坡可靠度计算结果的影响。