基于广义协同高斯过程模型的结构不确定性量化解析方法

结构不确定性量化是定量参数不确定性传递到结构响应的不确定性大小。传统的蒙特卡洛法需要进行大量的数值计算,耗时较高,难以应用于大型复杂结构的不确定性量化。代理模型方法是基于少量训练样本建立的近似数学模型,可代替原始物理模型进行不确定性量化以提高计算效率。针对高精度样本计算成本高而低精度样本计算精度低的问题,该文提出了整合高、低精度训练样本的广义协同高斯过程模型。基于该模型框架推导了结构响应均值和方差的解析表达式,实现了结构不确定性的量化解析。采用三个空间结构算例来验证结构不确定性量化解析方法的准确性,并与传统的蒙特卡洛法、协同高斯过程模型和高斯过程模型的计算结果对比,结果表明所提方法在计算精度和效率方面均具有优势。     

基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析EI北大核心CSCD

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法。基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征地震动的不确定性;采用基于数论的部分分层抽样方法对地震动-结构随机变量抽样,从而对桥梁非线性随机地震响应进行模拟,减小桥梁随机地震响应分析中的抽样方差;以一座实际高墩连续刚构桥为数值算例,对其进行了非线性随机地震响应分析,详细研究了桥梁结构不确定性和随机参数相关性对其地震可靠度的影响。研究结果表明:随机地震作用下,桥梁随机地震响应是典型的零均值非平稳随机过程,从地震动开始到结束,桥梁结构地震响应概率密度曲线存在由窄边宽,再由宽变窄的演化过程;随机地震作用下,桥梁结构关键响应的平均峰值因子存在一定差异,其通常在1.8~2.2变化;桥梁结构不确定性和随机参数相关性对高墩桥梁地震响应极值分布和地震可靠度的影响较为显著,忽略桥梁结构的不确定性和随机参数相关性将高估桥梁结构的地震可靠度。     

基于高斯过程响应面的结构有限元模型修正方法

作为一种基于贝叶斯原理的非参数模型,高斯过程模型近年来得到研究人员的广泛关注。高斯过程具有灵活的协方差函数形式、预测精度高和量化预测不确定性等优点。基于此,本文提出了一种基于高斯过程响应面的有限元模型修正方法,并介绍了高斯过程响应面方法的基本理论。算例结果表明,相对于传统参数型响应面方法,高斯过程响应面方法应用于有限元模型修正更具优势。     

基于贝叶斯理论的非线性结构模型修正及其动力可靠度分析EI北大核心CSCD

提出一种基于贝叶斯推理的非线性结构模型修正方法,同时考虑激励的随机性,建立了复合随机振动系统的动力可靠度分析方法。利用实测结构动力响应主分量的瞬时特征参数作为非线性指标构建似然函数,结合拒绝延缓自适应(Delayed Rejection and Adaptive Metropolis,DRAM)算法和高斯过程替代模型实现了非线性结构模型修正及其参数的不确定性量化。根据首次超越破坏准则,利用广义概率密度演化方法,分别对仅考虑激励随机性的确定性模型和同时考虑结构参数与激励不确定性的复合随机振动模型进行动力可靠度分析,并利用蒙特卡洛随机抽样方法验证了计算结果的准确性。研究结果表明:基于振动响应瞬时特征参数的贝叶斯推理方法能够快速、准确地实现结构的非线性模型修正及其参数的不确定性量化。与具有初始设计参数名义值的确定性模型相比,考虑参数不确定性的复合随机模型的动力可靠度总体偏低,因此,在结构安全评估中应考虑非线性模型参数不确定性的影响,使评估结果更加安全、可靠。     

液化场地桩柱式基础桥梁结构地震反应的敏感性分析

地震反应的有效估计是液化场地桥梁结构设计、加固改造的必要环节,但通过数值模拟手段获得的结果易受模型参数变化的影响。为探究影响液化场地桥梁结构地震反应的控制性参数,该文首先建立了某离心机试验的场地-结构整体有限元模型,通过数值分析与试验结果的对比验证了数值方法的可靠性;然后,建立了上覆粘土层-松砂层-密砂层的典型倾斜液化场地-桩柱式桥梁结构有限元模型,采用龙卷风图和一次二阶矩方法,以场地和结构的主要物理性质为分析参数,进行场地、结构地震反应的敏感性分析。结果表明:场地、结构的地震反应与各分析参数大体上呈线性或低非线性的变化关系;在所研究的参数中,液化松砂层的内摩擦角、土层倾角和地震峰值加速度为控制性参数,而密砂层各参数和钢筋、混凝土强度参数的敏感性均很低。研究结果可对液化场地桥梁结构地震反应的准确估算,振动台、离心机模型试验的工况优化提供科学参考。     

小样本结构参数不确定性量化及传递分析的信息扩散方法

如何准确估计不确定性参数的概率密度函数是结构不确定性分析的一个重要环节。而这一环节常因实测数据有限而难以实现。为此,提出基于信息扩散理论的小样本结构参数不确定性量化及传递分析方法。首先基于有限样本数据,采用信息扩散理论估计不确定性参数服从的概率密度函数,进而采用接受-拒绝法生成随机数并进行统计分析得到不确定性参数的均值和标准差。其次,根据不确定性参数量化结果,基于响应面模型快速计算参数不确定性引起的结构响应变异程度。最后,以4自由度弹簧—质量系统和钢板材料参数不确定性量化及传递分析试验来验证所提方法的可行性及可靠性。分析结果表明:所提方法在概率分布未知、实测数据大于20个的情况下可有效地量化参数的不确定性及其引起的结构响应的变异程度。     

多点地震激励下大跨连续钢构桥易损性分析

针对地震动存在行波效应、场地效应、不相干效应等因素,分析大跨连续钢构桥在一致地震激励输入响应时结构内力和变形会被偏估问题,考虑结构及地震动不确定性,采用蒙特卡罗方法建立一致激励与多点激励两种工况下大跨连续钢构桥-地震动系统随机样本。以桥墩位移延性比表示桥梁破坏状态阶段,对桥梁易损性进行分析,给出大跨连续钢构桥结构的易损性曲线,得到同样程度破坏的多点地震激励与一致地震激励下加速度峰值关系。     

基于改进响应面法的公路简支梁桥地震易损性分析

针对典型公路简支梁桥提出了一种基于改进响应面方法的易损性模型建构流程。在充分考虑结构和材料等桥梁参数不确定性基础上,基于Plackett-Burman设计方法生成一系列试验样本。采用OpenSees软件进行非线性动力时程分析,比较输入参数对地震响应的贡献,筛选出影响桥梁地震响应的显著性参数;进一步针对显著性参数进行中心复合设计并设计出一系列桥梁样本,基于非线性时程分析结果,建立桥梁各构件在不同的地震动强度下的响应面模型,并采用蒙特卡罗抽样方法计算得到桥梁构件的易损性曲线。假定简支梁桥系统为串联系统,计算生成全桥的易损性曲线。针对相同的桥梁样本,以非线性增量动力分析法生成的易损性曲线为基准,对传统响应面法与改进响应面法计算得到的易损性结果进行比较。结果表明:改进的响应面方程可以高效地替代复杂的非线性时程分析,提高了地震易损性分析的计算效率;构建的易损性曲线能够在较大的地震动强度范围内确定桥梁的损伤构件,帮助桥梁管理部门制定相应的震后加固优先级决策,具有一定的工程应用价值。     

多点激励下隔震桥梁非线性随机振动的时域显式迭代模拟法

由于地震动的随机性与空间变异性、隔震支座的非线性特征及其安装数目少的特点,隔震桥梁地震响应分析是一典型的多输入局部非线性随机振动问题。采用Bouc-Wen模型描述隔震支座的非线性恢复力,建立多点地震激励下隔震桥梁结构的运动方程,并将得到的非线性运动方程改写为关于状态变量的拟线性方程,基于精细时程积分法和龙格-库塔法构造拟线性方程及隔震支座滞回位移方程的时域显式降维迭代求解格式。再以此高效算法为基础,应用随机模拟法计算多点激励下隔震桥梁随机地震响应的统计量。数值算例表明,所建立的方法计算速度快、精度高,可用于实际桥梁结构的抗震性能验算。     

特大型桥梁桩基完全非平稳随机地震反应分析

考虑地震动的随机性及频率和强度非平稳性,利用作者所提出的基于强度和能量控制的随机地震动模型,建立了非平稳随机地震反应分析方法。以某特大型桥梁群桩基础为研究对象,将群桩-土-桥墩结构体系作为一个整体进行了特大型桥梁桩基非平稳随机地震反应分析。首先,基于目标加速度时程的强度和能量信息确定了作为输入的加速度时-频演变功率谱密度;其次,分析了非平稳随机过程激励下自由场和桥梁桩基相互作用体系的地震反应,探讨了非平稳随机过程激励下的群桩-土-桥墩结构动力相互作用;最后,通过比较强度非平稳随机过程和完全非平稳随机过程激励下桥梁桩基相互作用体系的地震反应,探讨了频率非平稳性对相互作用体系地震反应的影响。     

基于有条件模拟方法的桥梁抗震分析

该文研究地震空间变异性对桥梁地震响应的影响。依据经过加速度幅值调整的EI-Centro地震波和空间相干模型,采用条件模拟算法-多变量线性预测(MLP)法合成继承选用记录物理特性的多点地震动,并通过大质量法将其施加到桥梁结构上。以一座高墩大跨曲线连续刚构桥为研究对象,分析比较地震动行波激励和完全空间变异性激励作用下的桥梁动力响应,研究结果表明:大跨度桥梁地震响应分析应考虑完全空间变异性的影响,有条件模拟技术可以应用于桥梁抗震分析。     

基于贝叶斯更新和逆高斯过程的在役钢筋混凝土桥梁构件可靠度动态预测方法

在役钢筋混凝土桥梁在服役环境和车辆荷载的耦合作用下,其服役性能随时间不断退化,采用确定性的性能退化模型无法准确描述退化过程中的不确定性和时间变异性。该文采用逆高斯随机过程描述其抗力退化过程,同时采用复合泊松过程描述车辆荷载效应,建立了基于抗力-车辆荷载效应双随机过程的在役钢筋混凝土桥梁构件时变可靠度分析方法。结合检测数据,采用贝叶斯分析和期望最大化算法,对逆高斯过程抗力退化模型参数进行更新,提出了在役钢筋混凝土桥梁构件可靠度的动态预测方法。以一座钢筋混凝土T梁桥为例,采用其40年服役期的抗力退化数据,分别在四个服役时刻对逆高斯过程抗力退化模型参数进行了更新,演示了提出的可靠度动态预测方法。研究表明:逆高斯随机过程可更合理地描述钢筋混凝土桥梁构件抗力退化过程中的不确定性和时间变异性;融入桥梁服役期间检测的抗力退化信息,采用贝叶斯更新逆高斯过程抗力退化模型参数后,可更准确地预测桥梁未来的可靠度服役状况和估计桥梁的剩余使用寿命。     

基于模块化贝叶斯推理的随机非线性模型修正EI北大核心CSCD

为同时考虑多种不确定因素对非线性结构模型修正的影响,提出了一种基于模块化贝叶斯推理的随机非线性模型修正方法。为了描述具有时变特性的非线性动力响应,提取结构动力响应主分量的瞬时加速度幅值作为非线性指标,基于贝叶斯方法,将整个模型修正过程分为3个相互独立的模块:首先建立非线性模型的高斯过程替代模型记为模块一;同时,为考虑模型误差对非线性结构随机模型修正的影响,将设计变量作为输入,模型误差作为输出,建立关于模型误差的高斯过程替代模型,记为模块二;最后,结合贝叶斯推理方法与模块一和模块二中的高斯过程模型,利用过渡马尔可夫链蒙特卡罗(transitional Markov Chain Monte Carlo,TMCMC)随机采样方法估计待修正参数后验概率密度函数,实现基于模块化贝叶斯推理的随机非线性模型修正研究。采用三跨连续梁桥数值算例来验证所提出的随机非线性模型修正方法的准确性,并对比了不同噪声水平、不同程度模型误差条件下的模型修正结果。研究结果表明,基于模块化贝叶斯推理的随机非线性模型修正方法能够有效地实现非线性结构的随机模型修正,并具有较好的鲁棒性。     

地震作用下中小跨度梁桥横向碰撞参数影响分析

地震作用下挡块与主梁的横向碰撞是影响桥梁结构地震响应的重要因素,目前缺乏针对城市高架桥中广泛使用的双柱式小箱梁结构横向碰撞问题的研究。以此类桥梁的典型工程为代表,建立了空间有限元模型,利用Kelvin 模型对横向碰撞进行了准确模拟,重点探讨了接触单元刚度、挡块-主梁间隙、桥墩墩高、场地类别、上部结构与盖梁质量比等关键因素对双柱式小箱梁结构桥梁地震响应的影响。研究结果表明：碰撞刚度、碰撞间隙对双柱墩墩底内力有较大影响,应尽可能通过试验予以确定;场地特性、上部结构和盖梁质量比、桥墩高度等设计参数,均会对桥梁的地震受力产生较大影响,因而应在设计选型时进行适当的调整,并尽可能选择坚硬场地下高墩轻质主梁结构体系,研究成果可为同类高架桥的设计提供技术支持。     

多维地震下钢筋混凝土双曲线冷却塔结构易损性分析

采用数值模拟方法,对辽宁鞍山某在役钢筋混凝土冷却塔结构的地震易损性进行了评估。应用ABAQUS软件建立了分析模型;根据结构所在的场地条件选择了一系列合理的地震动记录,以考虑地震动的不确定性。选取了材料应变和地面峰值加速度作为结构地震需求参数和强度参数,并将结构的破坏状态划分为五个等级。分别输入单向、水平双向和三向地震作用,结合增量动力时程分析所得结构响应,基于对数正态分布假设,通过回归分析建立结构的概率地震需求模型,最终得到结构的地震易损性曲线;在此基础上对结构的抗倒塌安全储备进行了评估分析。分析结果表明:水平双向地震作用下冷却塔结构的损伤概率比单向地震作用时显著增加,若仅考虑单向地震作用会与实际产生较大偏差;由安全储备分析可知该结构满足"大震不倒"的要求。     

索网点式幕墙在主体结构多点激励下地震响应分析方法探讨

针对主体结构对单层索网点式玻璃幕墙地震响应的影响,指出了主体结构二次地震输入的纵向空间变异性,进而提出考虑主体结构影响的单层索网玻璃幕墙的地震响应分析方法,即多点激励联合法,并从理论及有限元算例分析上验证了其可行性和必要性。利用多点激励联合模型,在假设二次输入数学模型基础上,研究了主体结构二次输入参数对索网动力响应的影响,及阻尼对索网幕墙地震响应的影响,并得出结论:主体结构位移输入幅值和层间转角较大,或输入主频接近索网基本频率时,主体结构对索网幕墙位移影响较大。最后利用此方法进行算例分析对主体结构的影响大小进行了初步估计,为实际工程中索网幕墙的抗震设计提供参考。     

两跨连续斜交梁桥振动台试验研究

选取了斜交角、配箍率和轴压比等设计参数,对两跨连续斜交梁桥进行结构动力特性分析和单向地震动输入下结构的地震反应分析。以福建省高速公路某座斜交梁桥为工程背景,设计制作了一座1/5缩尺两跨连续混凝土斜交梁桥试验模型,结合振动台模型试验和数值模拟分析,研究斜交梁桥地震响应及震害特点。振动台模型试验结果表明：不同场地类别的地震动及同一场地类别但不同的地震动作用下,结构的加速度响应、位移响应差别较大;在相同斜交角时,轴压比越小,加速度和位移响应越大;当轴压比相同时,斜交角越小,加速度和位移响应越大。从试验可知,在斜交桥设计中,合理选择斜交角对桥梁动力性能有很大的影响。     

考虑覆盖层地基材料空间变异性的沥青混凝土心墙坝地震响应研究

河床覆盖土层参数不确定性往往显著影响其上覆沥青混凝土心墙坝的地震响应.将空间随机场模拟技术与有限元方法相结合,根据动力等效线性模型参数敏感性分析结果选取动力随机参数,采用正态或对数正态分布函数考虑覆盖层材料参数的空间变异性,采用高斯型自相关函数考虑空间相关性,采用Python进行协方差分解法生成随机参数库,并对ABAQ...     

桥梁系统地震多维易损性分析

综合考虑地震地面运动以及性能极限状态的不确定性,提出了基于多地震需求参数分析的桥梁系统易损性评估方法,将易损性概念从一维扩展到多维。该方法首次提出服从多元对数正态分布的概率地震需求模型探讨桥梁体系各构件响应相关性,同时考虑各构件性能极限状态的相关性建立多维性能极限状态方程,确定结构失效域,通过MonteCarlo模拟计算系统多维地震易损性。以某一钢筋混凝土多跨连续梁高速公路桥为算例,通过非线性动力分析法获得最大响应样本,利用最大似然估计求得概率地震需求模型未知参数,计算体系多维易损性,并与构件易损性相比较。结果表明:桥梁体系多维易损性较构件易损性偏大,可避免用单一构件易损性代替系统易损性产生的非保守估计,预测结果更利于工程安全,为桥梁修复加固和交通系统可靠性分析提供理论依据。     

多点激励下非规则高墩曲线桥梁地震响应试验研究

根据结构模型振动台试验相似理论和大跨结构多点激励理论,以某非规则钢筋混凝土高墩曲线连续梁桥为研究对象,建立缩尺比为1∶20的桥梁结构试验模型,研究该非规则曲线桥梁模型在地震波多点激励作用下结构的地震响应规律。研究表明:随着地震波强度等级增大,非规则曲线桥梁结构一阶频率下降速度先快后慢,阻尼基本呈线性增加;非规则曲线桥梁结构地震响应具有明显的空间性;局部地形效应对曲线桥梁结构地震响应有放大作用;不同频谱地震波对非规则曲线桥梁结构地震响应影响各异,且差别较大。因此,在非规则高墩曲线梁桥结构抗震分析中应考虑多点激励效应的影响。