工程结构椭球凸集模型可靠度的二次型计算方法研究

工程结构概率可靠度在理论上已经建立了完整的计算体系,但在实际工程应用中却停留在近似或半经验阶段。对于既有工程结构的可靠度评估,由于测试数据有限,采用椭球凸集模型可靠度进行评估有很高的工程价值和广泛的应用前景。椭球凸集模型可靠度有很多种不同的定义,但无论何种定义,如果完全脱离概率可靠度与失效概率的基本假定,则很难与现在基于概率可靠度评估方法的主流实现有效的衔接。从多维正态联合概率密度出发,推导了斜椭球方程及其标准化方法,同时结合极限状态方程,给出了椭球凸集模型可靠度与概率可靠度之间的数学关系。算例表明,得出的特殊简化情况下的椭球凸集模型可靠度计算方法和几何解释,可进一步推动该类可靠度在工程中的应用。     

基于评估使用年限的既有结构可靠度评定实用方法

在分析国内外关于考虑抗力和荷载效应时变性的结构可靠度研究成果的基础上,提出了既有结构基于评估使用年限的可靠度评定实用方法。分析表明,不考虑设计使用年限内的抗力退化时,结构累积失效概率与服役年数成正比。结构抗力随机过程模型采用服役起始点随机变量乘以一个确定的抗力衰减函数表示,则结构抗力随机过程可退化为随机变量。同时考虑结构在评估使用年限内的抗力退化和评估使用年限缩短引起的抗力需求调整,建立了既有结构基于评估使用年限的累积失效概率和可靠指标条件方程。为便于工程应用,用抗力平均退化系数和抗力需求折减系数表示可靠指标的动态变化,建立了既有结构评估的抗力-需求比实用表达式,并提出了不同评估使用年限下的抗力需求折减系数建议值。     

既有结构基于评估使用年限的目标可靠度研究

在比较JCCS概率模式规范与我国统一标准规定的结构构件允许失效概率及目标可靠指标的基础上,研究了既有结构基于评估使用年限的目标可靠度。以评估使用年限内的允许累积失效概率与原设计使用年限内的允许累积失效概率相等为原则,建立了根据评估使用年限确定目标可靠度的方法,并提出了抗力需求折减系数建议值。以允许年失效概率为依据,提出了危险构件的可靠度定义和既有结构构件的使用安全寿命准则。以某锈蚀钢筋混凝土梁的受弯承载力分析为例,研究了其使用安全寿命、全寿命期检测评定周期等。     

既有铁路钢筋混凝土梁桥动态可靠性评估

介绍了既有桥梁结构的动态可靠性分析方法,提出了桥梁的恒载概率模型、活载概率模型及抗力概率模型,并对可靠度计算方法中的验算点法进行了介绍。以一座既有铁路钢筋混凝土梁桥为工程背景,计算了该桥的活载效应统计参数、恒载效应统计参数及抗力统计参数等,利用验算点法计算了桥梁结构构件的可靠度指标,又采用PNET方法分析了整个桥梁体系的可靠性,最后给出了桥梁的可靠性评估结果。结果显示动态可靠性评估应用于铁路钢筋混凝土梁桥可以得到较好的评估结果。     

边坡可靠度分析的高斯过程方法

针对传统边坡可靠度分析方法的局限性,将高斯过程机器学习与重要抽样方法相结合,提出了边坡可靠度分析的高斯过程方法。利用极限平衡分析构造少量的学习样本,采用基于统计学习原理的高斯过程模型重构边坡隐式功能函数,实现边坡功能函数及其偏导数的显式表达,并构造合理的迭代方式,在计算过程中不断提升高斯过程模型对失效概率贡献较大区域的重构精度,进而应用重要抽样法计算边坡的失效概率与可靠指标。研究结果表明,该方法是可行的,具有较高的计算精度和效率。     

重力式挡土墙稳定性的结构体系可靠度分析

重力式挡土墙结构最主要的失稳模式是倾覆失稳和滑移失稳。为了计算重力式挡土墙稳定性的结构体系失效概率,首先分别建立重力式挡土墙结构抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性的功能函数,然后引入结构可靠度分析一次二阶矩法中的验算点法(JC法)分别对两种失效模式进行计算,得出两个相应的可靠度指标。将两种失稳模式视为串联系统,由逐步等效平面法计算结构体系可靠度指标,最后由结构体系可靠度指标计算出该挡土墙稳定性的结构体系失效概率。根据上述方法,利用MATLAB程序计算了某挡土墙,得出了结构体系可靠度指标和结构体系失效概率。     

考虑钢材锈蚀的桥梁焊接节点概率疲劳寿命评估

由于循环外荷载和腐蚀性环境的共同作用,近海桥梁结构易受疲劳破坏.本文提出了一种考虑钢材锈蚀的桥梁结构改进疲劳可靠度评估模型,并基于青马大桥长期结构健康监测数据对其典型焊接节点的概率疲劳寿命进行了评估.通过建立有效截面衰减模型和材料疲劳性能退化函数,利用Miner损伤累积准则的连续概率函数表达式,提出了考虑钢材锈蚀的疲劳可靠度解析模型.同时考虑交通载荷(包括汽车载荷和火车载荷)和台风影响,通过统计分析长期应变监测数据建立了标准日应力谱.采用有限混合分布方法及基于遗传算法的混合参数估计算法,得到了标准日应力谱多模态有限混合分布函数.比较分析了考虑和未考虑钢材锈蚀的焊接节点疲劳寿命失效概率和可靠度指标,研究结果表明钢材锈蚀因素对桥梁焊接节点的疲劳可靠度评估结果有较大影响.     

同塔多回输电线路杆塔可靠指标及失效概率分析

输电线路杆塔结构可靠指标及失效概率的分析研究,目前已经广泛应用于实际工程当中,本文着重研究了500kV同塔四回输电线路杆塔的可靠指标及失效概率。对于风荷载占控制因素的杆塔结构,本文研究了可靠指标计算参数组合对于杆塔失效概率的影响,同时计算了500kV同塔四回典型杆塔的可靠指标及失效概率,提出基于输电杆塔可靠度理论的杆塔风险规避的建议。     

基于模糊可靠度的RC框架结构在地震作用下最可能失效构件的识别

计算结构体系可靠度的基础是对构件可靠度的计算,通过引入构件失效准则的模糊性,将构件失效作为模糊随机事件进行研究,通过计算得到构件在地震作用下的模糊随机可靠度,进而对RC框架结构在地震作用下最可能失效构件进行识别。结果表明：引入失效准则模糊性后,计算出的模糊随机可靠度指标要小于不考虑模糊性的常规可靠度指标,失效概率增大|选择不同的隶属函数分布形式和模糊区间对于模糊随机可靠度的计算均有一定的影响,所以在进行实际工程可靠度计算时,应根据实际情况选择合适的隶属函数和模糊区间。     

基于Nataf变换和拉格朗日乘数法的可靠度计算方法

首先引入Nataf变换的基本原理,并基于可靠指标标准正态空间计算的数学模型,将Nataf变换与拉格朗日乘数法相结合,提出了基于Nataf变换和拉格朗日乘数法的一次可靠度的计算方法。然后针对相关非正态变量分布函数的反函数表达式不易给出的情况,引入有理多项式法求解其偏导数。通过算例进行分析,结果表明:该方法简单、可靠和有效,值得在工程实践中推广。     

大跨度斜拉桥智能可靠度评估方法研究

针对既有大跨度斜拉桥的评估管理系统中的可靠度评估问题,提出了基于RBF网络与Monte Carlo结合的可靠度评估方法。建立了招宝山大桥快速分析的RBF网络模型,网络训练样本按均匀设计方法,考虑几何非线性因素由ANSYS软件分析得到。对运营期的招宝山大桥进行了两类失效模式,三种极限状态下的可靠度评估,并分析了不同活载模式、不同功能函数及不同检测期对可靠度评估结果的影响。分析表明:基于RBF-MC的可靠度分析方法具有速度快、精度高的优点,并能同时计算多极限状态下的结构可靠指标,特别适合在基于可靠度的桥梁管理系统中采用;活载布置方式、选取的功能函数均影响可靠度评估的结果,招宝山大桥不同检测期可靠度水平变化不大,且均处于安全可靠状态。     

基于时变可靠度的锈蚀混凝土结构全寿命成本模型

为了分析混凝土结构在氯盐环境下的全寿命周期成本,基于现有氯离子扩散模型和裂缝宽度预测模型,采用MATLAB软件进行Monte-Carlo抽样模拟,建立结构失效概率与可靠度指标的拟合公式。通过研究维护-加固措施对可靠度指标的影响,建立全寿命周期内维护-加固费用计算评估方法,并以混凝土桥梁结构为例计算了全寿命周期维护-加固成本。结果表明:失效概率与可靠度指标可用以失效概率等于0.1为界的分段函数进行描述;维护-加固效果持续时间对结构构件服役年限延长的影响最显著;当保护层厚度取60 mm时,维护-加固阶段费用有明显下降,较保护层厚度取40 mm时减少25%~50%。     

结构体系可靠度分析的自适应动态约界法

约界阈值是快速准确识别工程结构主要失效模式、进而开展结构体系可靠度分析的关键参数。针对传统β约界法主要依靠主观经验确定约界阈值所存在的缺陷,提出结构体系可靠度分析的自适应动态约界法。通过定义失效概率均匀度、基准失效概率和基准可靠指标,确定结构失效历程不同阶段的动态约界阈值和约界准则,据此可以合理反映结构中元件失效概率的分布状况,进而快速、准确地识别候选失效元件,并及时剔除发生概率很小的次要失效模式,实现结构失效路径的自适应动态分枝和约界。研究表明,该方法能够根据失效演化历程中元件失效概率的分布状况自动调整约界阈值,克服传统β约界法的缺陷,可以避免遗漏发生概率较大的主要失效模式,从而取得更高的计算精度。     

基于可靠度理论的水闸使用性能评估

为了更加科学的判断水闸的使用性能,及时发现其安全隐患,杜绝危险作业的发生,从工程实际出发,依据水闸的结构特点和功能,从闸基的抗渗稳定性与闸室的结构稳定性两个主要方面建立水闸安全性分析的功能函数或失效模式,并运用结构可靠性理论计算其可靠指标或失效概率,并以此为依据,对水闸的使用性能作出科学的评估。最后以某引黄灌区排水闸的抗滑稳定为例,按JC法进行可靠度的计算,评估结果表明这种方法具有实际的应用价值。     

碳化概率模型及混凝土结构碳化失效概率分析

混凝土碳化分析是评估混凝土结构长期性能的重要内容。该文分析总结了现有混凝土碳化理论和经验模型。在现有确定性模型基础上,通过添加模型修正项的方法修正确定性模型的误差,建立混凝土碳化概率模型。概率模型中模型参数的后验统计分布特征利用已有检测数据通过贝叶斯更新手段获得。基于建立的碳化概率模型,构建混凝土结构碳化时变失效概率的分析方法,该方法充分考虑模型不确定性对混凝土结构碳化时变失效概率的影响。运用该方法对一钢筋混凝土简支板的碳化性能进行了分析评估。     

钢筋混凝土梁的时变可靠度实用分析方法

考虑服役期内的抗力退化和评估使用年限缩短,采用实用方法分析钢筋混凝土梁受弯承载力的时变可靠度。首先,考察了不考虑抗力退化时结构累积失效概率的发展规律,证明"累积失效概率与服役年数成正比"的规律总体成立。其次,以二次曲线近似表达混凝土梁受弯承载力的退化过程,比较了不同抗力退化率下结构累积失效概率及可靠指标的发展过程,同时分析了等时段内结构失效概率及可靠指标的变化,并发现如下规律:抗力退化不严重时,分段可靠度的乘积接近设计或评估使用年限内的可靠度,但抗力退化严重时这个规律不存在。最后,对采用抗力退化系数-荷载效应折减系数比较的近似法与可靠度法的计算结果进行了比较,结果表明近似法总体上更能反映抗力退化与使用年限缩短引起的结构时变可靠度变化规律,便于工程应用。     

既有建筑的目标可靠水平研究

为探究适用于既有建筑评估的目标可靠水平,基于《结构可靠度总原则》（ISO2394）中可接受风险准则和生活质量指数（LQI）准则确定了既有建筑评估的目标可靠指标;分别采用拟建建筑、既有建筑的抗力和作用概率模型,校准了《既有建筑物结构检测与评定标准》（DG/TJ08-804—2005）中不同类型构件的可靠度;依据校准结果分析了基于LQI准则确定的目标可靠指标的可行性。结果表明：基于LQI准则提出的目标可靠指标是可行的;安全等级二级的既有建筑按照现行鉴定标准进行评估时,对于混凝土受剪构件建议仍按照目标可靠指标3.7考虑,其他脆性构件的目标可靠指标可取3.35,延性构件的目标可靠指标可取2.6。     

高效求解结构体系可靠度的新方法

传统的结构体系可靠度分析方法主要依赖于结构失效路径的分枝和约界技术,难以识别主要失效模式且结构体系失效概率计算工作量巨大。为了提高结构体系可靠度计算效率,以β-约界法和联合失效概率分枝约界法为基础,提出了一种快速求解结构体系可靠度分析方法。首先利用结构分析原理,推导出结构单元的安全余量函数并求出其对应的失效概率,拆除失效概率最大值对应的杆件并施以虚拟力形成新的结构,然后再对新的结构重新分析。循环上述步骤,直至结构形成机构为止,并利用构件的失效概率计算结构体系可靠度。算例对比研究表明,该方法计算过程简单、计算精度较高,可以获得结构的失效路径,适合于大型结构的体系可靠度计算。     

基于MATLAB的平面框架结构位移可靠度分析研究

基于结构可靠度分析数值模拟方法———蒙特卡罗法和响应面法的基本原理,利用MATLAB软件对一榀2跨3层框架在水平荷载作用下进行位移可靠度分析,分别采用了直接抽样蒙特卡罗法、响应面法、响应面—蒙特卡罗法、响应面—重要抽样蒙特卡罗法编制相应的计算程序,得到了结构水平位移最不利点的失效概率和可靠指标。计算结果表明,利用MATLAB可以编制结构可靠度分析程序,计算速度较快,数据合理,并为复杂结构的可靠性分析提供参考。     

基于变形控制标准的高土石坝地震可靠度分析

基于可靠度分析的设计方法是科学定量地研究和保证岩土工程安全性的重要手段之一。通过定量考察土石坝工程中的不确定性因素,综合评估地震失效概率,可为高土石坝抗震设计和风险评估提供参考。以坝顶震陷率作为地震安全控制指标,提出了同时考虑地震和筑坝料参数不确定性的高土石坝地震可靠度分析方法。首先,采用地震烈度作为地震危险性的宏观衡量尺度,通过引入地震烈度概率模型,将基于概率烈度的地震动峰值作为地震强度因子,调整规范谱人工地震波的幅值进行动力有限元计算。然后,采用适用于处理小样本和非线性问题的高斯过程响应面法,建立筑坝料参数与坝顶震陷率之间的非线性映射关系,结合蒙特卡罗法计算高土石坝地震失效概率。最后,以紫坪铺面板堆石坝为例,应用该方法考察了设计基准期内的地震失效概率。