结构可靠度分析

结构可靠度分析（精选十篇）

结构可靠度分析篇1

普遍认为,结构可靠性理论始于概率论及数理统计学在结构安全度中的分析应用,距今约有80年的历史。1981年,Hart和Fitzsimons等在结构评估中引入了可靠性理论,以可靠指标为判定评估结构损坏程度的标准[1]。1985年美国学者J.TP.Yao提出现有结构安全性和可靠性的破损评价与结构验证技术;1988年W.Brent Hall在如何进行荷载验证[3]、T.L.Reverts对日本的洪起、安全性等方面的可靠性分析进行了大量的研究。

1990年,我国王光远院士提出和建立的在役结构动态下的可靠度分析和强度储备评估方法。随后赵国藩院士、欧进萍、杜修力、牛荻涛、张俊芝、金本清、李桂青、金伟良等人对在役结构的可靠度进行了相关研究工作,并获得了不少的成果[4,5,6,7,8]。然而,上述可靠性方面的研究多针对的是在役桥梁,对于在建桥梁,在施工完毕时,结构是否达到设计功能指标,其满足设计要求的概率是多少,即桥梁施工期结构可靠性方面的研究却少见报道。

因此,本文阐述了施工可靠度的概念,在与结构可靠度的对比下,利用JC法对桥梁结构的施工可靠指标进行计算,同时,通过参数敏感性分析,对比各参数的离散对桥梁施工期可靠指标的影响。

1 结构可靠度理论及其在桥梁工程中的运用

1.1 结构可靠度与极限状态

安全性、适用性和耐久性总称为结构可靠性。其定义为,在规定条件和时间内,结构完成预定功能的概率。“规定时间”是指在使用期间内,考虑各时间和基本变量间的关系对结构进行可靠度分析时,所取用的基准时间;“规定的条件”是指仅考虑正常结构设计、施工和使用三方面的条件,不计人为过失的影响;“预定功能”是指和结构的耐久性、适用性、安全性有关联的四项基本的功能。

工程结构可靠度影响的因素主要有作用在结构上的各种荷载及作用效果、结构所用材料本身性质、结构几何特征参数、计算方法等。针对不同的结构所需求的不同功能,进行结构可靠度分析、设计时,以上述因素为基本变量X1,X2,…,Xn组成函数Z=g(X1,X2,…,Xn)=0来描述结构功能,称之为结构功能函数。构造功能函数时,可用由若干基本变量组成的综合变量表示函数。其中综合作用效应S由作用相关的基本变量组成,综合抗力R由抗力相关的基本变量组成,结构功能函数如下表示:Z=R-S。

1.2 结构构件抗力特征

结构构件抗力是指结构构件可以承受的外作用的能力,其中包括在承载能力极限状态下,截面抵抗破坏的强度,和在正常的使用情况下,结构构件不发生超过允许限值时的刚度,同时包括保证其他指定功能要求的结构承载能力。

这种抗力与材料力学性能、几何特性相关。一般将随机变量组成的随机函数来作为结构构件抗力的函数表达式。所以,在进行抗力基本统计规律研究当中,对抗力函数中各基本变量的不定性进行分析时应包括上述三个方面的内容:

1)结构构件材料性能的不确定性;

2)几何参数的不确定性;

3)计算模式的不确定性。

1.3 桥梁结构上作用的概率模型

结构内部自身因素和外部影响都会在公路桥梁的施工和使用过程中起到各种直接或间接的作用。以明确的力(集中力或分布力)的形式直接施加于结构上的,如结构自重、人群荷载、车辆荷载等我们称之为直接作用,常称之为荷载。以变形形式(外加变形和约束变形)施加于结构上的作用,如温度变形、混凝土的收缩和徐变等现象统称为间接作用。

作用效应是指施加在结构上的各种作用,包括结构所产生的内力(如弯矩、扭矩、轴向力、剪力)、变形和裂缝等。由荷载作用产生出来的效应称之为荷载效应。结构设计中首要考虑的是集中力和分布力等直接作用(荷载)效应等问题,也是现阶段研究的重点。

公路桥梁结构上的各种作用比较多,有些随时间变化的幅度很大,各种作用的组合又比较复杂,所以必须选择合理的概率模型描述其客观变化规律才能保证结构可靠度计算结果的真实性和合理性。

2 可靠度思想的运用

2.1 基本概念

施工可靠度是指施工完成情况下,可达到预定的目标承载能力的概率。桥梁施工的可靠度即是桥梁在养护结束的状态下,桥梁的承载能力所能达到设计目标的概率。

2.2 可靠度在施工质量评判中的应用

对于设计状态下的结构构件,其参数X1,X2,…,Xn取设计值,由于施工过程中存在人为因素、环境等偶然性,故施工的实际产品的各参数也是随机变量X1T,X2T,…,XnT,实际测量的参数相比参数设计值可大可小,因此,实际结构抗力RT和结构设计抗力R的关系有:R>RT,表示施工未达到设计要求;R=RT,表示施工刚好达到设计要求;R<RT,表示施工达到设计要求。

因此,对施工可靠度进行计算时,只需在极限状态抗力公式中将各参数的设计值代入,得到R,同时将实际测量的参数代入,得到RT,然后将两个值进行比较,就可以得到施工是否失效的结果。在这里,因为施工的失效并不能说明结构失效,所以我们在衡量施工质量中可以用施工的可靠度。在大量的实测参数值基础上,可以利用统计学计算得出施工失效的概率,以判定施工质量。

3 JC法用于桥梁施工可靠度分析

经过多年的发展,结构可靠度的理论已经拥有了许多计算方法,例如实用分析法、映射变换法、验算点法等。在计算机技术快速发展的今天,各种各样的数值方法也随之出现,如MC模拟法、响应面法等。而在工程界里,验算点法得到了最普遍的应用,并且,国际结构安全度联合委员会(JCSS)十分推崇这种方法,所以该方法也被称做JC法。

JC法的优点如下:该方法在一般的工程精度要求下计算量小、计算过程简单,并且能够计算出设计验算点的结果,这样就便于工程的设计;该方法在分析结构的可靠度影响时,可以用到随机变量的分布概型;该方法因为其计算过程有一定模式,所以可以实现计算机程序的计算。JC法的本质思想就是:在标准的正态空间里,把服从分布的基本随机变量代入,而极限状态曲面由结构在设计验算点处所得出切平面进行代替,那么可靠指标就是在这个标准正态坐标中,原点到切平面的最短距离。JC法有两种近似解决方法来求解可靠指标:1)利用切平面来近似代替极限状态下的曲面;2)利用当量正态化来转换随机变量分布的类型。其中第一种方法的实现包含了确定设计验算点,这里普遍通过对验算点的值进行假定,然后运用迭代法求解。

文章将桥梁结构的施工可靠度代入JC法进行分析,其步骤如下:

1)抗力参数的分布类型、均值以及标准差的确定:对现场检测和试验得到的参数的样本进行采集,再通过数据拟合的方式来确定;

2)结构极限状态下的方程建立:Z=R-S=0,其中,R为通过实测数据所确定的结构抗力;S为通过设计资料所确定的结构抗力,在公式中表达为荷载效应;

3)对设计验算坐标点的初值进行选取:这里选取Xi*=mXi;

4)在当量极限状态下的方程中,将所有非正态变量当量正态化;

5)变量αiT的计算:

6)通过当量可靠度指标求解设计验算点:

从而可解出设计验算点:

7)对Xi*重复的进行第5)和第6)步计算,直到β与前次β的差值小于允许的误差方能结束,而所求的β就是可靠性指标,其中失效的概率Pf=Φ(-β)。

4 实例分析

以某公路桥为例,该桥为装配式钢筋混凝土简支梁桥,主梁翼缘板为刚性连接,计算跨径为19.5 m,混凝土强度为C25,桥面净空7.0 m,该桥桥面铺装的平均厚度为5.0 cm,T型主梁的截面高度h=1.5 m,翼板计算宽度bi=1.6 m,主梁混凝土标号、计算跨径与翼缘板相同,但截面有效高度为h0=1.45 m,全桥的总体设置如图1所示。

将各参数的设计值代入结构抗力表达式,作为荷载效应S,其中,混凝土轴心抗压强度fcd=11.5 MPa,钢筋抗拉强度fsd=280 MPa,钢筋截面面积As=12 868 mm2;将各参数的实测值代入结构抗力表达式,作为抗力R,对混凝土轴心抗压强度、钢筋抗拉强度及钢筋截面积这三种受实际施工情况的影响,与设计值相差较大的因素,通过现场检测试验和方法收集一定的有效统计样本,对统计样本进行数据拟合。假定各参数均服从正态分布,其分布参数分别为混凝土轴心抗压强度fcd服从极值Ⅰ型分布,其均值和标准差分别为mfcd=25.1 MPa,σfcd=5 MPa;钢筋抗拉强度fsd～N(356,45)MPa;钢筋截面积As～N(15 268,505)mm2。

建立功能函数,如果功能函数Z=R-S<0,则该结构失效。结构失效并不代表在设计荷载作用下的结构真正的破坏,而是指实际施工所获得的承载力达不到桥梁的设计承载能力。其中,T梁桥抗弯承载力R表达为:

其中,fc为混凝土轴心抗压强度;fs为钢筋抗拉强度;As为钢筋截面面积;h0为T梁有效高度;bi为翼板计算宽度。

根据JC法原理和计算步骤,利用Matlab编程计算,得到可靠指标为2.8,失效率为0.002 3。计算结果表明,每100片T梁中,有2.3片可能达不到设计要求。故认为,本实例中T梁的施工质量不够理想,应强化质量管理,以提高施工水平。

为分析影响抗力各参数的施工质量对可靠指标的影响,利用Matlab软件对可靠指标进行参数敏感性分析,如图2～图4所示。

从图2～图4结果显示可知,钢筋强度的离散性对施工可靠指标影响较大;钢筋截面面积的离散性对施工可靠指标略有影响;混凝土强度的离散性对施工可靠指标影响很小。根据以上分析结果,可以在实际施工过程中,对钢筋强度和钢筋截面面积的精度加以控制。

5 结语

本文阐述了桥梁结构施工可靠度的基本概念,在与桥梁结构可靠度的对比分析下,将JC法用于可靠度的分析中,并建立相关的计算方法,最后通过实例计算验证。利用Matlab软件对可靠指标进行参数敏感性分析,得到钢筋强度、钢筋截面积、混凝土强度对可靠度指标的影响,对施工控制具有一定指导意义。

摘要：阐述了施工可靠度和结构可靠度的基本概念,确定了JC法用于桥梁施工可靠度分析的基本方法。以装配式简支梁桥可靠性评估为例,给出了具体方法和过程,通过Matlab软件计算施工可靠指标,进行参数敏感性分析,对施工控制有一定指导意义。

关键词：桥梁工程,施工可靠度,JC法

参考文献

[1]王恒栋,王娴明,葛春辉.现役建筑结构多目标多人评估方法[J].工业建筑,1999,29(1):32-33.

[2]Karen C.Chou.Safety assessment of existing structures using afiltered fuzzy relation.Struct.Satfety,1992,14(2):173-189.

[3]W.Brent Hall.Reliability of service-proven structures.J.Struct.Engrg.,ASCE,1988,114(3):608-624.

[4]牛荻涛,王庆霖,卢梅.服役结构的抗力衰减模型与可靠性研究[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.

[5]贡金鑫,赵国藩.考虑抗力随时间变化的结构可靠度分析[J].建筑结构学报,1998,19(5):43-51.

[6]张俊芝,金本清,李桂青.在役结构随机时变可靠性分析[J].南昌水专学报,2000,19(4):5-10.

[7]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M].北京:科学出版社,2002.

结构可靠度分析篇2

随机结构动力可靠度估计算法的对比分析

对比分析了随机结构动力可靠度计算的三种估计算法.渐进展开法是基于Laplace算法对概率积分进行渐进估计的,此法通过计算最大被积分式值对应点,并将其代入概率积分的渐进估计表达式求解失效概率.由于概率积分的主要贡献来自于最大被积分式值对应点的周围,因此本文的重要抽样法假定重要抽样函数的最大似然值等于最大被积分式值对应点值.极值分布-泰勒展开法首先通过结构随机参数的.极值分布函数给出失效概率的表达式,随后利用泰勒展开法对失效概率进行估计,其中采用中心差分法对极值分布函数的梯度进行估算.最后应用三种算法和Monte Carlo法对受高斯白噪声激励作用的单自由度随机结构进行了计算,结果表明三种方法不但运算简便,而且对比Monte Carlo法计算效率有显著提高.

作者：刘佩姚谦峰 LIU Pei YAO Qianfeng 作者单位：北京交通大学,土木建筑工程学院,100044,北京刊名：地震工程与工程振动 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION 年，卷(期)：2009 29(6) 分类号：P315.964 TU311 关键词：随机结构动力可靠度渐进展开重要抽样极值分布泰勒展开中心差分 stochastic structures dynamic reliability asymptotic expansions important sampling extreme value distribution Taylor series expansion central difference scheme

加固后桥梁结构可靠度研究现状篇3

关键词：桥梁结构可靠度研究现状研究意义概述

1.引言

结构可靠性的定义是:“在预定的条件下，结构达到设计规定功能的能力”。结构可靠度的定义是:“结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率”。如果失效概率用Pi表示，则可靠概率就等于( 1- Pi)，这就是可靠度。

2.研究现状

加固前的可靠度和加固后的可靠度是桥梁结构加固可靠度的研究主要涉及两方面的信息。可靠度的判断作为决策的主要相关依据是需要摸清桥梁结构的实际情况为前提的，这将决定我们采用何种相应的加固方法。加固后仍然需要对结构进行评价，从而评估加固维修是否有效或者是否达到最大功效。

加固技术时间并不长，在各种不同的加固方法中，我们对维修与加固混凝土结构的相关经验很有限，缺少必要的试验数据、设计施工标准及试验标准是很多加固方法，特别是较新型的加固技术存在的主要问题。因此，有必要收集桥梁结构加固后可靠度的研究资料，尤其对收集加固后的混凝土结构可靠性的系统研究资料。尽管，国外的相关检测设备非常先进，然而，相应的资料偏少也是一个困扰他们的问题。

对于现在的加固设计方法，其前提基本上都是在各自的试验研究基础上的半经验半理论方法，由于目前加固结构分析的复杂性，不能与现行的可靠度设计要求相协调，也无法与整个结构体系的可靠度相一致。尤其是，没有深入的研究局部加固后对构件整体及结构整个体系的可靠度相关影响。对加固后的结构可靠度研究还局限在对加固后构件的研究。大连理工大学赵国藩教授提出了加固后结构构件的可靠度分析[1]，分析了现行加固规范所具有的可靠度水平，提出了结构加

固后可靠度分析方法，对现行加固规范所具有的可靠度水平进行了分析研究;张宇[2]等分析了粘钢加固混凝土梁可靠性，赵军[3]长安大学硕士学位论文研究了预应力CFRP即布加固混凝土梁，而朱建俊[4]分析了CFRP卿加固受弯构件可靠度。有关国家重点项目引用了有限元理论研究混凝土一加固材料应力应变，分析了其受力模型，探讨了相应的计算公式，采用分项系数形式和采用可靠度校准分析对各种加固形式进行可靠度分析，力图与现行规范相匹配。

3.研究意义

桥梁从施工建造到投入使用，再到运营阶段，性能逐渐退化，最后达到设计使用寿命，与一个人的生命过程十分相像。施工建造期相当于幼年期，在此期间失效的风险率大;使用期相当于人类的中年期，此时失效风险率降低;老化期相当于老年期，失效风险率又逐渐提高。但在任何一个阶段中如果经过维修加固等措施，结构承载力将得到显著提高，其失效风险率又会降低。

对加固后的桥梁进行使用寿命预测，不仅可以揭示潜在危机，及时作出继续维修、加固或拆除的决策，避免事故发生，而且研究成果可以直接用于指导加固桥梁结构的耐久性评定，提高加固桥梁的耐久性。通过对加固后桥梁使用寿命的预测，一方面，根据预测结果来明确加固后新结构的实际寿命，从而做到防患于未然;另一方面，可以揭示加固后影响新结构使用寿命的内部和外部因素，然后根据工作环境、用途、经济条件等进行有针对性的维修加固。这对提高加固工程的设计水平和施工质量必有一定的促进作用。特别是面对下一代规范将采用基于性能的设计与生命周期宏观造价优化的设计思想，必将要求对建筑结构的寿命进行科学的预测。

4.结束语

目前，国内外对于既有桥梁可靠度研究较多，可靠度分析理论也较完善，但关于桥梁加固后可靠度的研究和资料较少，尤其是对于加固后混凝土桥梁動态可靠度的研究。因此，对于加固后桥梁结构可靠度的研究还需进一步深入。

参考文献：

[1] GBJll4-90,中华人民共和国国家标准.工业厂房可靠性鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社，1992

[2]陈定外译，何广乾校. ISO 2394:1998,结构可靠性总原则[S].中国工程建设标准化协会、建设部标准定额站，1999

[3] GBJ68-84,中华人民共和国国家标准.建筑结构设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社，1984

水泥路面结构可靠度影响因素分析篇4

水泥路面是我国等级公路的主要路面结构形式之一, 水泥路面的主要优点是结构强度高, 耐久性好, 设计寿命长, 然而已建成的水泥路面结构, 往往在未达到设计寿命时就出现断板、裂缝等病害, 这说明路面结构是否可靠存在不确定, 需要进行水泥路面结构可靠度的研究。

2 水泥路面结构可靠度的概念

结构在使用期内其承受的荷载和结构本身的几何物理参数都具有随机性, 这种随机性使得结构的使用寿命也具有不确定性, 因此工程上把结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率定义为结构可靠度。路面结构的可靠度可以定义为, 在规定的使用期内, 在规定的交通和环境条件下, 路面使用性能满足预定水平要求的概率。

我国水泥路面设计方法采用行车荷载和温度荷载综合作用下不产生疲劳开裂为设计标准, 水泥路面的可靠度可定义为:

式中:σpr, σtr—荷载疲劳应力、温度疲劳应力;

fr—弯拉强度。

由于弯拉强度随机变量与荷载疲劳应力与温度疲劳应力之和有关, 随机变量不完全独立, 上式求解可靠度较为困难。而由路面结构组合和材料性质决定的, 路面结构能承受的累计交通荷载作用次数, 也就是路面结构的使用寿命N, 与由交通量决定的累计当量轴次, 二者可认为是独立而不相关的。在同样的设计标准下, 路面结构的可靠度可表示为:

式中:N, n———路面结构使用寿命、累计标准轴次。

路面结构能承受的累计标准轴次作用次数N (即路面使用寿命) 由路面结构性质和工作环境决定, 包括结构组合形式、结构层材料性质、接缝连接形式和排水条件, 这些参数的变异水平通常由路面施工管理水平控制, 由于温度应力的存在, 路面所处工作环境中温度变化也会影响路面的使用寿命;累计轴载作用次数n取决于路面建成后实际交通量情况。因此, 水泥路面的结构度影响因素分为路面使用寿命参数和交通荷载参数两类。

3 水泥路面使用寿命参数的变异性分析

3.1 面层厚度与模量的变异性分析

面层是水泥路面的主要承重层, 面层厚度对路面的承载力和路面结构使用寿命有很大的影响。面层厚度在路面服役过程中变化很小, 其变异性主要由施工质量控制。在施工过程中, 一般由模板控制顶面高程, 因此顶面高程控制较为均匀, 面层厚度的差异主要是由于板底不平整造成的。

对黑龙江地区8条水泥路面进行了路面调查, 所调查的路段均为已建成二级公路, 投入运营约十年。路面结构形式为普通水泥混凝土路面, 基层为水泥稳定类半刚性基层, 面层设计厚度均为22cm。用取芯的方法测量板厚, 共得到有效芯样167个, 表1为其中某一路段26个取芯所得面层厚度。对所有芯样所测得面层厚度取对数后绘制频率直方图和累计概率密度曲线, 如图1和图2, 可以看出厚度对数的累计概率密度曲线与正态分布非常接近, 因此假设面层厚度服从对数正态, 并进行假设检验, 证实面层厚度服从对数正态分布。同时可得到样本均值为20.55cm, 小于设计厚度, 变异系数为0.11, 变异系数较大, 满足设计厚度的保证率仅为26%。说明这些路面结构在施工中, 由于管理不善造成面层厚度不足的情况很严重, 经过实地调查, 上述路段的路面板开裂现象非常普遍, 厚度的不足是一个重要原因。

混凝土弯拉强度和弹性模量是混凝土路面设计时的重要参数。弯拉强度不足会显著降低路面使用寿命, 面层模量不足会降低路面板的应力水平, 使基层及以下结构层的受力提高, 造成基层的开裂。水泥混凝土面层的弯拉强度和模量的变异性主要受水泥混凝土的材料组成、运输与振捣工艺以及养生条件等情况影响。

对黑龙江某二级公路的两个路段的芯样进行室内试验, 通过对圆柱体芯样进行轴心抗压实验, 得到抗压强度后再换算成弹性模量和弯拉强度。共测得27组弯拉模量与弹性模量值, 绘制弹性模量对数值的频率分布直方图和累计概率密度曲线如图3和图4, 可以看出, 取对数后的累计概率密度曲线与正态分布的概率密度曲线有一定的偏差。经过检验, 不完全服从对数正态分布, 证实了其是一个随机变量的特征。样本均值为23.5GPa, 变异系数为0.1, 变异系数较低, 但是均值不足。混凝土弯拉强度与弹性模量具有一定的相关性, 其分布规律也相近, 根据样本计算得弯拉强度均值为2.88MPa, 变异系数为0.21, 可以看出该路段的面层质量较差, 面层性能远达不到设计要求。

3.2 基层模量的变异性分析

水泥混凝土路面由于路面板的刚度大, 使得路面结构对基层和底基层的承载力要求不高。但是基层的性能对路面结构的使用寿命仍然有重要影响, 基层要给路面板提高良好的支撑条件, 防止因不均匀支撑而增大面层板的应力水平。

半刚性基层在荷载的反复作用下, 结合较弱的集料与结合料之间容易出现分离, 从而造成开裂现象, 出现性能衰减的现象。室内无机结合料稳定类基层的梁试件连续加载试验数据显示, 试件的动态模量呈现出阶段性衰减。

根据调查路段取芯结果, 超过三分之一的芯样基层无法完整取出, 存在基层松散的情况, 可以看出随着路面投入运营, 服役期的基层和底基层模量会出现衰减现象。我国水泥路面设计规范一直使用基层顶面回弹模量作为设计参数, 基层顶面综合模量由基层、底基层和路基的模量构成, 因此其变异性受路基填筑材料、压实度和基层的材料组成、施工工艺和养生以及水文地质条件影响。

3.3 路基模量的变异性分析

路基由路基土压实而成, 因此路基的模量主要受路基土材料性质、压实效果的影响, 此外环境因素对路基的性能也有很大的影响。土的压实度是路基施工控制和检测的重要参数, 压实度不足会降低路基的回弹模量, 相关实验表明压实度每降低1%, 路基土的回弹模量降低约7%。根据室内压实曲线, 路基土的压实效果受含水率的影响, 并存在最佳含水率, 在最佳含水率时的压实效果最好, 因此在路基土的施工中对土的含水率和压实度都有严格要求。

对黑龙江两条新建公路的路基模量进行了测试, 测定点数共200余个。其中一级公路的砂性土路基模量统计结果显示回弹模量均值78.9MPa, 变异系数0.15, 而二级公路的碎石土路基统计结果为93.0MPa, 变异系数0.50。可见碎石土路基的变异性远高于砂性土。两种路基模量的对数值的频率直方图见图5和图6, 其分布规律都大致服从对数正态分布。

3.4 水泥路面结构设计参数变异水平分级

各结构设计参数的分布类型得到验证后, 其随机性就可以由分布类型参数表征, 不同的公路等级, 路面材料和施工管理水平下, 这些分布类型参数存在较大的差别。在每一次道路设计时都对各设计参数的变异性进行调查是不切合实际的, 为此需要在以往调查资料的基础上找出不同施工和质量控制水平与设计参数变异系数对应关系, 给出各种水平下设计参数变异性的推荐值, 这样便于设计工作者根据具体施工管理情况选定相应的设计参数变异系数。表2为不同公路等级和施工控制水平下的路面设计参数变异系数推荐范围。

3.5 设计参数变异对使用性能变异的影响

结构可靠度研究工作的一个主要目的就是要找出设计参数对工程结构可靠性的影响程度, 进而指导设计和施工中对各主要因素严格控制, 对于非主要因素则可以相对放宽。

AASHTO设计方法对极限状态函数总方差的构成进行了详细的分析, 分析方法为把极限状态函数对各项设计参数求偏导, 偏导与设计参数本身的方差的乘积就是设计参数对极限状态函数变异性的影响, 结果表明:混凝土强度和路面结构排水系数的变异对路面性能寿命的影响是第一位的, 占设计参数总方差的30%以上, 面层厚度对总方差同样非常敏感, 只是在通常范围内面层厚度的变异范围很小, 所以面层厚度对总方差的贡献要小于混凝土强度的影响, 约占设计参数总方差的19%, 而基层顶面模量虽然对总方差影响不敏感, 但是由于其自身方差大, 所以对总方差有一定贡献, 约为2.5%, 接缝传荷系数也对使用寿命的变异性有一定影响, 约占设计参数总方差的19%。这些结论与我国科研工作者的研究结果大体一致, 但也有一定的出入, 国内现有的研究成果多认为, 影响路面使用寿命的主要因素为混凝土面层强度和模量、面层厚度和基层顶面模量。

4 交通荷载参数变异性分析

水泥路面的可靠度为路面使用寿命大于荷载作用次数的概率, 因此荷载作用次数的变异性也是影响路面结构可靠度的主要因素之一。

水泥路面结构设计中, 交通荷载的作用用累计轴载作用次数来表示, 累计轴载作用次数由初始年限交通量、标准轴载换算和交通量增长预测等计算得到。交通量的预测在样本数足够的情况下较容易控制偏差。而交通量的组成, 即交通构成中各种轴载作用所占的比例的变化往往有很大的时段性和地域性, 不同的公路功能定位, 交通量的轴载构成的变化都会造成轴载作用次数的变异范围增大。要统计交通荷载预估的统计参数, 需要设置交通量观测站, 详细统计交通组成和轴重情况, 绘制轴载谱, 预测交通量增长情况, 目前我国还没有积累这方面的详细资料, 要获得分布规律比较困难, 通常假设服从对数正态分布, 根据样本的统计特征来估计总体的分布规律和分布特征值。AASHTO设计方法对交通荷载预估的变异性进行了分析, 结果表明, 当量标准轴数系数的变异系数可以达到0.35, 对于交通荷载预估的变异性影响很大, 约占设计参数总方差的70%, 当量标准轴数系数与道路交通轴载组成有关。初始日交通量的变异性较大, 其对交通荷载方差贡献约为13%, 而其他参数对交通荷载预估的影响则相对较小。

通过国内多条已通车高速公路的交通调查数据来看, 交通轴载组成中重交通比例逐年增大, 因此需要尽快建立交通轴载检测统计数据, 以更准确地预测交通量的变化。

5 结论

水泥路面的结构可靠度的影响因素主要为结构使用寿命参数和路面交通荷载参数两类, 对路面结构使用寿命影响较大的主要为面层厚度、面层模量和弯拉强度以及基层顶面模量。通过多个路段的实测数据分析, 这些参数都大体服从对数正态分布。而各参数的变异水平与公路等级和施工管理水平有关, 在施工过程中应加强对结构可靠性显著因素的控制, 以提高路面的可靠性水平。

摘要：水泥路面结构的结构参数、使用环境和交通荷载都具有随机性, 设计、施工和使用过程中各因素的变异性都会影响路面结构的可靠度。分析了各因素的变异性大小和其对结构可靠度的影响, 其中面层厚度、模量与强度以及基层顶面模量是路面结构可靠度的显著因素, 施工中应控制这些参数的变异水平。

关键词：路面结构可靠度,路面结构参数,交通荷载参数,变异水平

参考文献

[1]JTG D40—2011, 公路沥青路面设计规范[S].

基于动态可靠度的桥梁性能分析篇5

基于动态可靠度的桥梁性能分析

在研究了现有混凝土桥梁抗力和荷载时变性的基础上,建立了桥梁动态可靠性的随机过程模型,并利用蒙特卡罗方法计算寿命周期内的动态可靠指标,同时,利用此模型对一座基于全寿命设计理念的试验桥进行时变性能对比分析与寿命预测,对合理、经济、科学的`制定维护时间与维护方案具有重要的指导意义.

作者：刘新华周强新作者单位：中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北,武汉,430056刊名：山西建筑英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE年，卷(期)：201036(19)分类号：U441关键词：桥梁劣化动态可靠度蒙特卡罗方法全寿命设计

机械零件结构设计的可靠性分析篇6

【关键词】机械零件；结构设计；可靠性；分析

很久以来，人们便利用可靠性分析评判产品质量，在初始评判阶段，单纯地依赖人们的工作经验来评判产品是否可靠，此时并没有规范化的衡量指标。可靠性分析从以概率论为基础的随机可靠性过渡到以模糊理论为基础的模糊可靠性，又过渡到非概率可靠性，直到今天的混合可靠性，现阶段的可靠性主要包含结构系统、模糊以及非概率这三种理论，这表明可靠性发生了一定的转变，并取得了进步，对于结构繁琐的复杂参数而言，由最初的概率以及非概率可靠性分析到现在的可靠性灵敏度分析，将可靠性分析理论变得日益成熟，并被广泛地应用到不同领域中。目前，可靠性已经成为影响产品效能的主要因素之一，它与国民经济发展和国防科技紧密相连，具有宽泛的研究范围和广阔的应用前景。

一、可靠性概述

机械零件结构设计的可靠性建立在传统设计之上，将与待设计对象相关的参数等要素进行一定的处理，使之转变成随机变量，参照设计原则构建概率数学模式，依据概率论、统计学理论和强度理论，计算出机械零件出现破坏的概率公式，然后参照公式明确该可靠性条件下的零件外观尺寸、使用寿命，在满足基本的运行使用要求的同时，还能获得最理想的设计参数，这有效填补了常规设计中的缺陷，并使得设计方案更加真实、可行。现阶段，可靠性设计被大范围地应用在飞机、汽车等关键产品以及机械零件结构设计中，它具有以下特点：

1.人为应力以及强度均属于随机变量，在设计的过程依据不同标准的设计要求，合理选择相应的特征函数，除了要考虑均值，还应考虑离散性，通过概率统计方法计算；

2.人为设计的机械产品不可避免地存在失效概率，在实际设计过程中应依据实际需求提前监控失效概率可靠性，全面考虑所有参数的随机性和分布规律，进而准确映射机械零件的实际工作状态；

3.可靠性设计分析与普通的安全系数法相比，更加合理，通过这种设计方法可获得最理想的设计，而安全系数法较为保守。由此可知，机械零件結构设计的可靠性分析可获得较为理想的结构，并节省材料成本、缩减加工制作时间，为机械加工制造创造更多的经济效益。

二、可靠性分析理论

在机械零件结构设计过程中，零件材料的极限应力属于随机变量，且该随机变量服从概率密度函数，而工作在机械零件危险截面的工作应力也属于随机变量，这两个随机变量有各自服从的概率密度函数，然后再借助强度应力理论推算相应的可靠性或者设计出该可靠性条件下的零件外形尺寸。可靠性分析中以概率论、统计学等理论知识为基础，主观人为因素作用较小，全面综合了外部环境变化，与实际生产更加接近，具有广阔的应用前景。

三、机械结构设计的可靠性分析

在机械产品的生产制造过程中，质量提高、设计理论优化、技术改进、设计周期缩短等至关重要，以上内容与可靠性紧密相连。可靠性分析贯穿于机械产品设计全过程，这表明可靠性分析已经步入实用阶段。目前，机械零件结构设计的可靠性分析研究已经成为机械制造中的主要研究题目，大量理论文献有力地证实机械零件结构设计的可靠性分析理论趋于成熟，未来将朝着以下方向发展。

（一）可靠性灵敏度设计

可靠性灵敏度设计建立在可靠性之上，有效映射不同设计参数对机械零件的实际影响程度，进而确定对机械零件灵敏度影响程度最大的随机变量，并重新分析和设计此参数。预估设计变量变差以及约束变差对产品效能指标的影响程度，调整对产品设计参数影响程度相对较大的设计参数，进而使产品失去对因素变差的灵敏性。这种设计以极限状态方程为基础，然后求解出设计参数相应的偏导数，获得灵敏度计算公式，从而明确每个设计参数的灵敏度，并以此为依据，不断修整设计，调整参数。

（二）可靠性优化设计

可靠性优化设计也是建立在可靠性之上，这种设计模式不仅能够更好地满足产品投入使用过程中的可靠性，还能优化产品外观尺寸、加工成本以及安全性等参数，进而使产品预估效能更加接近实际效能。此种方法有效融合可靠性分析理论和规划方法，以可靠度为基础构建优化目标函数，调整机械零件的外形尺寸、成本等参数，实现最小化，然后以刚度、强度等设计要求充当约束条件，构建数学模式，参照数学模型合理选择具体的优化方法，最终求解最理想的设计变量。

（三）可靠性试验

现阶段，可靠性理论趋于成熟，然而可靠性试验尚不健全。可靠性试验是一种考察、分析和评判产品可靠性的手段，旨在通过可靠性试验及时发现产品设计、原材料以及加工工艺存在的缺陷，进而进一步完善产品，提升成功率，降低维修养护成本，判断其是否满足可靠性定量要求。然而一旦具体的设计方案出现变更，则应重新开展试验分析，造成了不必要的资源浪费，因此，我们应充分利用高性能软件，缩减试验次数，节省成本。

结语

可靠性是衡量产品效能的动态指标，目前，可靠性贯穿于现代机械设计全过程，因此，可靠性分析是机械工业发展的主要研究方向，对于机械工程而言，掌握越多的可靠性理论，便会较少地应用主观经验，产品机械结构设计也会更加合理，这也是机械工程中的根本目标。机械零件结构设计的可靠性分析正处在发展阶段，在具体的应用过程中还存在一些细节问题，仍需要我们进一步探索。

参考文献

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[3]邓宇.关于机械可靠性设计的内涵分析[J].电子世界，2014，（16）：448-448.

结构可靠度分析篇7

1 极限状态体系

1.1 荷载增量法

1)广义承力比最大准则法[1]。

该准则认为:元件的承力比越大,该元件受荷载情况就越严重,相应的失效可能性就越大;元件的承力比之比越大,则该元件对上一级元件的失效就越敏感,也就越容易失效。承力比准则可描述为:定义约界参数ck(0<ck≤1),满足λ $_{r_{k}}^{(k)}$ ≥ckmax[λ $_{r_{k}}^{(k)}$ ]的元件rk将有资格成为该阶段的候选失效元件。

2)优化准则法[2]。

设元件r1,r2,…,rk-1失效时对应的荷载增量因子分别为ΔF(1)r1,ΔF $_{r_{2}}^{(2)}$ ,…,ΔF $_{r_{k - 1}}^{(k - 1)}$ 。在失效历程的第k阶段,定义结构元件rk[rk∈(1,2,…,n),rk∉(r1,r2,…,rk-1)]的有效强度R $_{r_{k}}^{(k)}$ 和有效承力比λ $_{r_{k}}^{* (k)}$ 分别为 $R_{r_{k}}^{(k)} = R_{r_{k}} - Ι_{A} \times \sum_{i = 1}^{k - 1} a_{r_{k}}^{(i)} Δ F_{r_{i}}^{(i)} (Ι_{A}$ 为算法选择参数), $λ_{r_{k}}^{* (k)} = \frac{a_{r_{k}}^{(k)}}{R_{r_{k}}^{(k)}}$ 。该法认为满足λ $_{r_{k}}^{* (k)}$ ≥ckmax[λ $_{r_{k}}^{* (k)}$ ]的元件,rk将有资格成为该阶段的失效候选元件。优化准则法和广义承力比最大准则法的区别在于:前者根据荷载累积情况对元件rk的有效承载力进行了实时修正。

3)荷载增量最小准则法[3]。

优化准则法的物理依据是:在结构失效历程的每一阶段,以“使系统失效的荷载增量最小化”为准则来选取本阶段的候选失效元件。基于此思想,提出了识别结构系统主要失效模式的荷载增量最小准则法。

给定分枝约界参数ck(ck≥1),满足下式的元件rk将成为第k阶段的失效候选元件:

ΔF $_{r_{k}}^{(k)}$ ≤ckmin[ΔF $_{r_{k}}^{(k)}$ ] (1)

由于ΔF $_{r_{k}}^{(k)}$ 对应的是沿失效路径r1→r2→…→rk由失效历程的第k-1阶段演变到失效历程第k阶段的荷载增量因子,当rk取满足条件ΔF $_{r_{k}}^{(k)}$ =min[ΔF $_{r_{k}}^{(k)}$ ]所对应的元件时,系统的外载增量取值最小。因此,式(1)保证了在失效历程的任意阶段,总是使系统外载增量取值较小的那些元件进入主要失效模式。

4)阶段临界强度分枝—约界法[4]。

对于高冗余度的结构,后者往往是构成系统临界强度的主要成分。阶段临界强度分枝—约界法解决了此问题。定义失效历程第k阶段元件rk所对应的系统阶段临界强度R(k)S(rk)为: $R_{S (r_{k})}^{(k)} = Δ F_{r_{k}}^{(k)} + \sum_{i = 1}^{k - 1} Δ F_{r_{i}}^{(i)} m_{r_{i}}$ ,则满足下式的元件rk成为失效历程第k阶段的失效候选元件:

R $_{S (r_{k})}^{(k)}$ ≤ckmin[R $_{S (r_{k})}^{(k)}$ ] (2)

此时的约界参数ck类似于工程设计中的安全系数,其合理的取值区间是1≤ck≤2。系统阶段临界强度分枝—约界法不仅克服了约界参数难于选择的缺点,而且使约界更合理。

1.2 自动矩阵力法

从传力角度看,实际复杂结构的主要失效模式是由主要系统中的一个元件和附加系统中的多个元件构成。用矩阵力法可以很方便地求出基本系统和多余力系统,但结果受节点编号的影响,并不一定符合结构实际传力路线。姚卫星等[5,6]针对自动矩阵力法的这一缺陷,发展了一种考虑结构元件强度比的自动矩阵力法,使得基本系统符合结构中力的传递路线。

1.3 线性规划法

对于一个结构系统,平衡方程可写为:DX=sF,其中,D为m×n阶平衡矩阵,m为自由度数,n为元件数; $\bar{X}$ 为元件内力矢量;F为荷载分布矢量;s为荷载幅度。在满足平衡方程的前提下,s可以逐渐增大,以致使得多个元件达到它们的强度值,如果再增大s,结构就会变成机构。这个过程可通过求解下面的线性规划问题来实现:在满足约束条件(即平衡方程)DX=sF(-R-≤X≤R+)的前提下,求解荷载幅度s的最大值,其中R+,R-分别表示元件的拉伸和压缩强度。

2 概率评估体系

2.1 分枝—约界法

分枝—约界法中的主要运算包括分枝和约界两种操作。当结构的失效模式不止一个时,就会出现分枝现象。分枝运算就是选择失效路中具有较高失效概率的分枝。如果在每一个分支点都考虑所有的分枝,则只需分枝操作便可生成完整的失效树集,这是简单的穷举法。简单枚举会导致组合爆炸。避免组合爆炸的方法就是提前删除不太可能发展为主要失效模式的分枝,这就是约界。分枝—约界法的分枝和约界同时进行,效率较高且一般不会遗漏主要失效模式。

2.2β约界法

β约界法的基本思想为:在失效历程的第k阶段,对于具有相同前序失效元件的潜在失效元件rk,失效事件E $_{r_{k}}^{(k)}$ 所对应的可靠指标为β $_{r_{k}}^{(k)}$ 。定义β(k)min=min(β $_{r_{k}}^{(k)}$ )。满足条件β $_{r_{k}}^{(k)}$ ≤[β(k)min,β(k)min+Δβ(k)]的元件rk将成为此分枝下的候选失效元件。文献[7]提出了动态反馈环节的全局β约界法,提高了计算效率,实现了β约界法和分枝—约界法的统一。

2.3 Ranganathan方法

此方法首先对结构进行整体分析,计算出所有潜在失效元件的可靠指标β以及所有β的均值βav,取最小β(记为β0)所对应的元件为初始失效元件,然后对结构进行重分析,计算失效历程第2阶段各潜在失效元件的β,选择β最小但是大于上一阶段β0的潜在失效元件为次级失效元件,依次计算,直到结构失效,从而获得第一代表机构(失效模式)。更换第一代表机构最后阶段的失效元件,如果更换失效元件后的结构也失效,则得到另一个主要分枝;如果不失效,则继续搜索,直到结构失效。第一代表机构及其主要分枝称为第一失效树。当第一失效树生成以后,变更第一代表机构的初始失效元件,按照生成第一代表机构的原理生成第二代表机构,并在最后阶段进行分枝,从而获得第二代表机构及其主要分枝,得到第二失效树。此方法仅在第一代表机构的初始阶段和最后阶段进行分枝。

3 结语

极限状态体系以结构受力的严重程度判断失效模式,与传统的确定性建筑结构设计规范间存在一致的对应关系,物理意义明确,但是计算结果表明,当荷载复杂时,极限状态体系不易反映荷载的随机性,容易遗漏主要失效模式。概率评估体系以失效概率来鉴别主要失效模式,与计算体系失效概率的目的相吻合,一般不容易遗漏主要失效模式,并且概率评估体系适合于考虑材料随机性等复杂情况,适用范围较广。

摘要：分别对极限状态体系和概率评估体系这两类体系失效模式判别方法进行了详细介绍,并对每种判别方法的特点进行总结,对该领域的研究成果进行了较系统的分类和阐述,以期指导体系失效模式的识别。

关键词：结构体系,可靠度,失效模式,识别方法

参考文献

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[5]姚卫星,顾怡.用自动矩阵力法枚举结构的主要模式[Z].中国航空学会结构设计专业委员会第一届学术交流大会论文,1996.

[6]姚卫星,顾怡.用自动矩阵力法枚举结构的主要模式[J].计算结构力学及其应用,1996,13(1):24.

结构可靠度分析篇8

1.1 建筑结构设计可靠度的基本概念

所谓的建筑结构设计可靠度就是指工程设计师设计的建筑结构在既定的时间与环境之下实现设计者要求功能的一种能力。因此可以理解为:建筑结构可靠度指的是在其应用期间可以顺利的实现设计功能的概率, 我们可以用P1进行表示, 反之建筑结构若无法实现预定功能, 将这一概率称之为失效概率, 用P2进行表示, 因此可以得出P1+P2=1。因为现在很难得出实际随机变量的参数与推断结构可靠度概率分布模型, 因此在实际应用中直接应用积分法对P2开展计算也未必可以得出需要的计算精度。因此就那些大规模的建筑工程结构设计而言, 积分方法较不适用。

1.2 建筑结构设计可靠度的分析方法

当前结构可靠度设计可靠度分析方法有以下四种: (1) 近似计算方法, 这一方法主要是以笛卡尔随机空间理论作为依据的一次二阶矩阵算法, 通过近似计算方法可以用计算采集样本的方差与平均值对所有概率分布的特征进行描述, 唯有采集了足够的样本, 这一计算方法的精度才可以符合工程的实际需求; (2) 应用广义随机空间之中的一次二阶矩阵法。通常而言, 在建筑工程实际施工中, 可靠度计算的众多随机变量间往往有较大的相关性, 能够直接于广义空间之中建立建筑结构可靠度计算的迭代公式; (3) 二次二阶矩阵法, 这一方法主要是应用数学逼近模型之中的拉普拉斯渐进法来对建筑结构的可靠度进行研究, 并取得和实际相符的结构; (4) 响应面法, 因为实际生活中一些建筑结构无法给出实际功能函数的表达式, 因此相应面法的主要原理为应用具有明确表达式的函数来代替无法明确表达的结构功能函数。就建筑结构可靠度分析上而言, 通过这一方法可以有效的降低理论计算与实际试验的次数, 从而使得建筑结构可靠度分析的精度得以有效的提高。

2 建筑结构设计可靠度的影响因素分析

2.1 目标可靠指标

在既定的荷载效应S以及抗力R之下, 如图1所示, 能够直观的看出, 实际上目标可靠指标为荷载效应与规定抗力概率密度PR以及PS搭接的面积。除此之外, 目标可靠指标还是建筑结构安全水平的一项综合指标, 对结构设计的可靠度水平具有十分直接而重要的影响。在我国建筑设计标准之中规定, 目标可靠指标是在既定荷载与抗力的概率分布之下对原规范安全系数进行校准而确定下来的。

2.2 可变荷载水平与分布参数

一般而言, 在目标可靠指标相等而荷载大小不等的时候, 建筑结构设计的可靠度也会存在一定的差别, 因此我们可知可变荷载在荷载水平之中具有十分重要的作用。在建筑工程中可以把可变荷载分为两个方面, 分别是:自然环境荷载水平与楼面活荷载水平。其中自然环境荷载水平主要是因为重大自然灾害或者地震作用而产生的, 而楼面活荷载水平主要是通过控制荷载均值来不断提高建筑结构的稳定性。需要注意的是, 自然条件下的荷载水平和基准时间具有重要的联系, 但因为自然环境荷载水平大多是依据年限最大统计值来计算出的, 因此荷载水平会随着基准时间的延长而变高。通过一系列的调查实践发现, 可变荷载概率分布参数准确与否同样会对建筑结构设计可靠度产生相应的影响, 若将图1之中的实线当做目标可靠指标荷载效应, 而把图中的虚线也当做荷载效应, 这代表着建筑结构设计并非最终目标可靠指标, 其仍需再次的进行计算。

2.3 工程质量

在建筑工程开始正式的施工前, 若工程施工方未将工程的设计、施工以及验收等工作环节的质量控制工作做好, 极易致使建筑结构的实际抗力和所设计的抗力之间存在较大的偏差, 进而导致建筑结构的可靠度无法达到所规定的可靠度。因此, 在对建筑结构抗力开展统计与分析的时候, 应该重点对影响建筑工程质量的因素开展研究, 并且及时的采取措施进行有效的处理。除此之外, 还应该不断增强对工程施工过程的质量管理工作, 保证建筑结构设计的科学性与合理性, 从而使得建筑结构设计的可靠性得以有效的保证。

2.4 最不利荷载效应组合

经过相关的调查研究发现, 我国的建筑结构构件可靠指标通常是依据建筑结构设计的有关标准确定的, 也就是根据三种基本荷载效应组合以及十四种基本构件校准来确定的。建筑结构的其他荷载效应组合之下的目标可靠指标和这一水平是同等的。通常而言, 建筑结构设计是不利于荷载效应组合控制作用的发挥的, 其发挥的不利程度的不同, 会使得建筑结构实际可靠度也有所不同, 而建筑结构可变荷载水平的影响因素也与之相似。在对建筑构件目标可靠指标进行校准的时候, 应该遵循“恒载+风载+活载”以及“恒载+风载+雪载+活载”, 这两种荷载效应组合的目标可靠质保是相同的, 但是其具有不同的可靠度水平。

3 建筑结构设计可靠度水平比较分析

3.1 可靠指标

据相关调查研究发现, 国际上对建筑结构可靠性要求是依照结构的承载力所决定的。建筑结构的承载极限通常根据3.1、3.8以及4.3三个指标来对其可靠度进行判别。当前我国建筑结构的延性与脆性构件的指标主要有:2.7、3.2、3.7以及3.2、3.7、4.2。就以上数值我们可以发现, 我国的可靠性指标虽然已慢慢接近国际的水平, 但仍然较低。相关工作人员根据中国、美国以及墨西哥的建筑结构可靠度指标开展了对比分析, 如表1所示。

从表格中的数据我们可以发现, 我国和美国在钢筋混凝土构件目标可靠指标上较为接近, 但是相比于墨西哥, 我国的钢筋混凝土构件目标可靠度较低。因此对我国和美国在钢筋混凝土构件可靠指标开展了进一步的比较分析, 如表2所示。

从表2中的数据我们可以发现, 在恒载与荷载的组合之下, 我国的钢筋构件目标可靠之与美国的值较为接近, 相关指标之间的差距较小, 但节点指标较之于美国略低, 而且在存在地震的组合之下, 建筑结构的众值烈度指标与美国相差较小。但是, 就总体而言我国的建筑结构可靠度与美国的相比仍然有较大的差距。

3.2 可变荷载

因为建筑楼面的活荷载是一个随即变量, 而且荷载的水平是由均值的大小所决定的。通过我国与美国活荷载准值的比较, 美国应用的活荷载标志值要远远大于我国, 大约为我国的二倍。就自然荷载的对比, 中美荷载标准值水平并没有较大的差别, 但美国的风荷载标准值是50年一遇, 而我国的则是30年一遇, 所以, 相比于美国, 我国的风荷载均值要高得多。需要注意的是, 可变荷载的标准值仅仅是个名义上的参考值, 建筑结构荷载的水平仍主要体现于总均值之上。

4 结束语

从上文我们可知, 建筑结构设计可靠度对建筑工程的整体质量具有直接的影响, 所以, 建筑工程师应该重视建筑结构设计可靠度相关内容。在建筑结构设计的时候, 应该对建筑结构设计可靠度的影响因素进行全面的分析, 并开展系统分析, 尽量不断完善并优化建筑结构的设计方案, 这需要相关工作人员的不懈努力。

参考文献

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[2]何远.建筑结构设计可靠度的影响因素与比较研究[J].建筑工程技术与设计, 2014 (35) :129~130.

结构可靠度分析篇9

1 地下工程可靠度研究综述

随着地下设计理念的不断发展和对岩体及支护系统认识的不断深入, 目前采用的计算模型大体上分为两类:1) 以松弛压力概念为基础的荷载—结构模型, 该模型的中心思想是认为支护结构承受围岩的松弛压力, 围岩约束支护结构的变形。2) 以考虑围岩自承为主体的岩石力学模式, 即收敛—约束模型。该模型更适用于以岩石力学为基础的新奥法设计施工的地下工程。基于以上两种计算模型地下结构可靠性研究取得较大进展, 当结构 (构件) 失效模式极限状态方程为显式时, 快速积分的一次二阶矩法 (FOSM) 、改进的一次二阶矩法 (AFOSM) 、JC法都是相当成熟的计算方法。当失效模式极限状态方程不存在显式时, 如何对其进行合理的重构是复杂非线性系统可靠性研究的一个重点。

2 地下工程可靠度研究新进展

2.1 响应面法

在许多情况下, 地下结构极限状态方程虽然存在但通常不会是显式, 必须根据数值结果采用统计推断的方法进行特征方程重构。

当功能函数Z与各随机变量的关系表达式很难直接给出时, 可用响应面方法设计一系列变量值, 每一组变量值组成一个试验点, 然后逐点进行结构数值计算, 得到对应的一系列功能函数值。通过这些变量值和功能函数值拟合一个明确的函数关系, 以近似代替难以直接表达的真实函数, 从而进行可靠度分析。

如图1所示, Z与变量X1, X2具有未知的函数关系Z=g (X1, X2) , 图中阴影部分即在三维空间内表示这个真实曲面。通过响应面法可以拟合一个具有明确表达式的函数关系Z=∧g (X1, X2) 。

响应面函数设计时应使表达式在基本能描述真实函数的前提下尽可能简单, 一般可取二次多项式形式表示响应面函数:

其中, Xi (1, 2, …, n) 为基本变量;a, bi, ci, dij均为响应面函数中的待定系数。

试验设计中常把影响试验指标的因素或原因 (如式1中的Xi) 称为因子, 把人为控制的因子所处的种种条件称为因子的水平。若Xi的均值为μxi, 标准差为σxi, 将Xi标准化为xi= (Xi-μXi) /σXi, 则取Xi=μXi+σXi时, xi=+1为上水平;Xi=μXi-σXi时, xi=-1为下水平;Xi=μXi时, xi=0为其零水平。试验设计中通常用二水平因子设计来确定试验点。所谓二水平通常指上水平和下水平。二水平因子设计的试验次数和因子的个数有关, 当有n个因子时, 需2 n次试验。响应面函数形式可以舍去式 (1) 中的交叉项以减少分析工作量, 得:

待定系数由 (n2+3 n+2) /2减少为2 n+1个。舍去平方项, 保留交叉项, 可使各变量顺序相乘以充分体现各随机变量的相互影响, 但响应面法的精度问题在数学上一直悬而未决[3]。

2.2 随机有限元法 (SFEM)

随机有限元法可归结为三点:求解在随机因素影响下结构的随机响应、计算结构的可靠度和获得结构安全性对设计参数的灵敏度。随机有限元包括有限元一次二阶矩法和有限元蒙特卡罗法, 有限元一次二阶矩法只适合于弱非线性系统, 且没有考虑随机变量具体分布类型的影响。有限元蒙特卡罗法是一种适用面很广的可靠性分析方法, 它不受极限状态方程高度非线性的限制, 也不受随机变量分布是非正态的限制, 对功能函数不能直接明确表达的可靠性分析问题同样适用, 而且不需要改变有限元法的基本方程和计算程序, 但其计算次数多, 计算时间长, 尤其是在求解单元数目较多的非线性问题时更加突出。

2.3 模糊评判法

模糊数学是研究和处理模糊性现象的数学, 它把传统数学从二值逻辑扩展到联系逻辑上来, 在属于与不属于之间, 允许出现一系列中间状态。这些中间状态由于概念外延的模糊, 而造成划分上的不确定性, 因而有一定的模糊性。地下工程是一个复杂的系统, 它的可靠性与多个指标有各种相关关系, 运用模糊数学可以对地下工程的多指标进行综合评判, 能够比较全面的反映地下工程可靠度方面的特征[5]。

2.4 人工神经网络

在众多的神经网络模型中, 多层前馈神经网络模型是目前世界著名的神经网络模型之一, 属一种静态非线性映射。多层前馈神经网络输入输出关系是一个高度非线性映射关系, 从数学原理上看, 模型的学习能力是多层神经网络实现n个输入到m个输出的一个映射F:Rm※Rn。通过简单非线性处理的符合映射, 可获得复杂的非线性处理能力。其结构简单且易于编程, 是一种强有力的学习系统。在模型中, 输入层用于接收各类地下工程可靠性基本特征 (围岩裂隙、支护结构、孔隙水压力、地应力、变形可靠度、破坏可靠度等) , 也就是训练样本。输出层用于显示地下工程可靠性信息;节点之间的联系通过连接权重Wij来连接, 表示其相互影响程度。识别过程为输入信息先通过节点向前传播到隐含节点, 经过激励函数后, 再把隐含节点输出信息传至输出节点, 最后输出可靠性类别结果。其最大的优点是不需要知道变形与所求力学参数之间的关系, 对信息进行分布式存储和并行协同处理, 具有高度的非线性映射能力, 并有良好的自适应、容错性等特点[5]。用这种方法经过少数的几次复合就可以得到极为复杂的函数关系, 进而可以表达复杂的物理世界现象, 使得许多实际问题就可以转为利用神经网络模型来解决。

2.5 耗散结构理论

该理论从能量的角度出发, 分析研究了岩土体变形破坏过程, 揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性。从力学角度而言, 岩土体的变形破坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程;从热力学上看, 这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程, 包含能量耗散和能量释放。现有的力学理论体系主要是强调能量耗散结构和局部破坏过程, 而岩土体的灾变是以能量释放为主要特征, 因此综合考虑能量耗散及能量释放对岩石变形破坏的影响, 从能量的观点可以更好地描述岩石的变形破坏。该理论从能量的角度来研究岩土体变形和破坏, 给地下工程可靠性分析提供了一种全新的思考方法[1]。

3 结语

随着模糊数学和大量非线性科学的快速发展, 地下工程可靠性的研究也日新月异。基于地下工程的特点 (随机性、模糊性、信息不完全和未确定性等) , 不同的学科大量引入到地下工程可靠性研究中来。利用模糊数学进行可靠性的研究, 形成了模糊可靠度的计算, 以及模糊与随机的结合;利用人工神经网络对地下工程可靠性进行分析和评价;利用耗散结构理论研究非线性性质、非平衡体系。

摘要：介绍了基于两种计算模式下地下结构工程可靠度研究特点, 并分析了当前研究方法的进展, 包括响应面法、随机有限元法、模糊判别法、人工神经网络、耗散结构理论等, 提出地下结构工程可靠度分析的广阔前景。

关键词：可靠度,响应面法,随机有限元法,模糊判别法

参考文献

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结构可靠度分析篇10

关键词：支架结构,结构体系可靠度,费用,安全

可靠性数学理论大约起源于20世纪30年代,20世纪40年代开始把可靠度的概念用于航空飞行和火箭装置,20世纪50年代可靠度理论在工程技术中得到了发展和应用,1950年前后,结构可靠度理论和概率极限状态设计法在建筑结构设计领域中迅速发展和广泛应用。我国从20世纪60年代始广泛开展了结构安全度的研究和讨论,20世纪70年代对结构可靠度设计方法进行了研究,1985年制定的《公路钢筋混凝土桥涵设计规范》运用结构极限状态进行设计,规定了结构设计的承载能力、变形、裂缝出现和开展三种极限状态,比较全面地考虑了结构的不同工作状态。1986年国家计委下达了编制《公路工程结构可靠度设计统一标准》任务,改变准时以结构可靠度理论为基础,采用分项系数表达的概率极限设计法。

笔者曾经在工地上发现,架子工在搭设支架的时候,减少支架的用量,从而减少了斜撑的用量,但是这样也就增加了工程的危险性,降低了支架系统的可靠度。在考虑造价问题与安全性问题上面就存在了这样一个矛盾,要降低费用,就会减少斜撑用量;而要增加支架体系的安全性,增加支架体系的可靠度,就会增加斜撑的用量,并且会增多工日,这就会增加工程的费用。下面我将会上面所提到的两种情况进行可靠度及造价方面的分析。

在进行上述分析之前,我们先建立数学模型,为了简单起见,我们建立平面模型。如图1所示。

建立了平面模型以后,运用我们所学到的力学及可靠度方面的知识,做以下假设

桁架方面假设:

a.各节点都是无摩擦的理想铰;

b.各杆轴都是直线,并在同一平面内通过铰的中心;

c.荷载只作用在节点上并在桁架平面内。

可靠度方面假设:

a.体系是延性的;

b.随机变量均为正态;

c.结构体系中,当采用以随机变量表示构件强度时,其抗力完全相关,当采用不同变量时,即使它们的均值和标准值相同,也认为这些构件抗力是相互独立的。

建立了简单的数学模型以后,我们将运用书中所讲的知识对支架体系进行分析。书中介绍了五种结构体系可靠度计算的点估计法和两种结构体系可靠度计算的区间估计法,各方法都有其优缺点,详细内容请参照参考文献1。目前在工程实际中较为广泛采用的方法,在点估计方面是PENT法、条件概率法和综合相关系数法,在区间估计方面是蒂特里文的窄界限方法。对于本文我们将运用PENT法对支架系统进行分析。

PENT法的具体步骤如下:

a.列出主要失效模式及相应的功能函数Zi,并求出个可靠指标βi。把βi值由小到大进行排列,并将所得序号作为代表实效模式排序的依据。

b.选择定限相关系数ρ0值作为判别各失效模式间相关程度的依据。

c.寻找m个代表失效模式。取1号失效模式(与最小的βi相应)为第一代表失效模式,然后计算其他与其余模式的相关系数ρj1(j=2,3,…,n,其中n位主要失效模式)。若ρj1叟ρ0,则认为第j各失效模式与第一个失效模式高级相关,因此可为第一个代表失效模式所代替;若ρj1<ρ0,则认为它们之间低级相关,不能互相代替。在从剩下的所有失效模式中找出可靠指标最小者作为第二代表模式,并找出它所代替的失效模式。重复以上步骤,直到完成最后一个代表模式为止。

d.再计算结构体系的可靠度或失效概率。

下面运用PENT法来解决上面所提到的问题。

取ρ0=0.70,由相关系数表可知,代表是销模式为1,2和3,因此求得该支架的可靠度为

对比上面的两种情况,可见两个斜撑的情况要比一个斜撑的可靠度要高的多(一种斜撑的情况可靠度为pr=0.4124,而两个斜撑的情况可靠度为pr=1-0.00055=0.9994)。由此可见,上面提到的第一种情况虽然费用有所降低,但是它的可靠度却大大的降低。而第二种情况虽然费用增加了一些,但是这种情况的可靠度却大大的提高。在实际工程中,安全是高于一切的,它关乎到人的生命安全。安全责任高于一切。所以在实际工程中,应该多加一些斜撑来提高支架系统的可靠度,提高工程的安全性,降低工程中的安全事故的发生率。

参考文献

[1]邹天一,李扬海等.结构可靠度,1998.

[2]李廉锟等.结构力学(第三版)上册,1996.

[3]李清富,高健磊,乐金朝等.工程结构可靠性原理,1999.

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