基于子集模拟的铁路路基重力式挡土墙系统可靠度分析

文中以某典型的铁路路堤挡土墙为例,介绍了铁路路基重力式挡土墙的确定性分析模型和结果.基于子集模拟方法的不确定性分析流程,分析了随机参数与系统安全系数的相关性.通过直接蒙特卡洛模拟与理论计算方法,对比验证了子集模拟方法的结果.结果表明:子集模拟方法在大幅降低计算消耗的同时,保证了计算精度.

考虑参数空间变异性和基于高效代理模型的边坡可靠度分析

在考虑参数空间变异性情况下评估小失效概率的边坡可靠度,传统可靠度分析方法往往存在耗时冗长或难以求解等问题。为此,提出了一种基于分段逆回归的主动学习多元自适应回归样条法与子集模拟结合的边坡可靠度分析方法,并探讨了分段逆回归方法对代理模型响应值的影响。首先,利用Karhunen-Loève展开法离散抗剪强度参数随机场,通过强度折减法计算得到一定数量的训练样本用于构建初始代理模型。接着,采用主动学习函数选取一定量最优样本点更新代理模型,使用最终的代理模型与子集模拟耦合进行边坡可靠度分析。最后,以两个典型的边坡算例,验证所提方法的有效性。结果表明:在考虑参数空间变异性情况下,所提方法可以采用更少的训练样本进行小失效概率边坡可靠度分析,不仅可得到比较精确的结果,而且避免出现内存溢出情况。

降雨和库水位升降条件下考虑非饱和渗透系数空间变异的边坡可靠度分析

降雨和水位升降对库岸边坡具有显著影响,传统确定性分析难以准确评估其稳定性。考虑降雨和水位升降联合作用下水力参数的空间变异性,进行非饱和土边坡可靠度分析具有重要意义。以赣江库区中的莒洲岛边坡为研究对象,以贝叶斯方法校准的多元水力参数的联合随机场为基础,建立非饱和土边坡的稳定性分析方法。根据有限的岩土力学室内试验数据,采用贝叶斯方法校准土水特征曲线的模型参数,并从VGM、VGB、VG和FX模型中选出最优模型;联合多元水力参数的随机统计特征,生成非饱和土边坡渗透系数的随机场空间分布;针对2021年5月赣江水位快速升降并伴随暴雨的工程背景,将上述方法应用于莒洲岛库岸边坡的稳定性分析。研究结果表明,暴雨与水位变化的联合作用对边坡安全系数的影响显著,确定性分析的边坡安全系数偏低,考虑非饱和渗透系数空间变异性后计算所得到的SWCC综合可靠指标不能满足规范要求,需采取额外的边坡工程加固措施以保证边坡的长期稳定性。

非平稳随机激励下高维非线性系统可靠度分析的概率密度全局演化方法

实际工程结构遭受的灾害性动力作用(如强风、地震等)往往具有显著的随机性和非平稳性。对复杂随机激励下高维非线性系统的动力可靠度进行精细化分析,对于实际工程结构的抗灾设计和优化具有重要意义。基于一般连续随机过程的降维概率密度演化方程,给出了一类非平稳随机激励下的高维非线性系统动力可靠度分析方法。具体地,若仅针对系统某一感兴趣物理量在给定安全域下的首次超越问题,则可以构造该物理量在安全域内的吸收边界过程,并建立其瞬时概率密度函数满足的二维偏微分方程,即降维概率密度演化方程。方程中的本征漂移系数是驱动概率密度演化的全局性物理驱动力,可以通过对原系统有限次代表性确定性动力分析获取的数据进行数值构造。采用数值方法求解降维概率密度演化方程,即可获得系统的动力可靠度解答。文中通过两个算例验证了该方法的有效性,并讨论了需要进一步研究的问题。

基于t-SNE-AMARS-MPM的空间变异性边坡可靠度分析及大变形破坏模式研究

在考虑参数空间变异性对大变形边坡可靠度评估的影响,特别是在小失效概率的情况下,传统分析方法常因耗时冗长或难以评估大变形失稳破坏而受限.针对这一问题,提出一种结合t分布-随机邻近嵌入、主动学习多元自适应回归样条法和物质点法的新方法,并深入探讨了t分布-随机邻近嵌入对代理模型的优化作用.首先,利用Cholesky分解法离散边坡参数随机场,并通过确定性分析获取训练样本.随后,采用主动学习函数优化代理模型,高效求解边坡安全系数并按升序排列.最后,使用物质点法依次模拟并获取失效样本.以一个两层不排水土坡为例,验证了该方法的有效性.结果表明,所提方法相较于传统随机物质点法,计算量仅为其1.64%,显著提高了计算效率.同时,通过对失效样本的深入剖析,识别出边坡失稳具有4种不同的破坏模式,这些破坏模式的演化过程与土体参数的空间分布紧密相关.尤为值得注意的是,多层渐进破坏模式作为其中破坏过程最为复杂的类型,其对周边环境的威胁尤为显著,需要重点防范.这为边坡工程的风险评估和加固提供了重要依据.

高置信水平结构逆可靠度分析与优化方法研究进展

不确定性客观存在于工程结构生产制造以及服役等各环节之中并对结构的承载性能影响显著.特别是对于服役条件苛刻的航空航天承载装备,在设计阶段考虑多源不确定性的影响对于结构安全至关重要.在众多不确定性分析方法中,逆可靠度分析方法在效率和稳健性方面具有一定优势.为此,国内外学者在高置信水平结构逆可靠度分析与优化方法方面开展了大量研究并取得了长足进步,包括自适应迭代控制算法、先进可靠度优化策略与非充分样本下的高置信水平设计方法等.本文首先对国内外逆可靠度分析与优化方法取得的进展进行了系统梳理与总结,特别是逆可靠度分析方法的发展历程以及面临的挑战问题,主要包括强非线性功能函数、多设计点以及低失效概率问题.进一步,针对长期困扰可靠度方法实际应用的小样本问题,重点从结构高置信水平可靠度分析与优化理论角度开展系统介绍,详细论述了小样本诱发的认知不确定性到可靠度置信水平的传播链条.最后,基于现有成果和国家重大前沿需求,重点围绕航天装备可重复使用需求对结构可靠度未来研究方向进行了思考与展望,期望相关研究成果能够进一步助力我国航空航天结构实现高可靠性与极致轻量化设计.

极值风环境下空间缆索体系悬索桥吊索耐久可靠度分析

空间缆索悬索桥是一种主缆、吊索等缆索系统向横桥向内侧倾斜或是外侧倾斜的悬索桥体系,其中吊索是重要的传力构件,但是其抗力会随着桥梁服役期的增加而下降,这会导致构件失效概率的增加和结构安全性问题。以主跨1666 m的整体式钢箱梁悬索桥为工程背景,采用不同的主缆内倾角度,试设计了7个空间缆索体系悬索桥方案。通过建立吊索抗力时变概率模型、恒载内力时变概率模型以及风载内力时变概率模型,分析比较了在恒载和极值静风荷载作用下,空间缆索悬索桥吊索可靠度指标随服役期的变化规律。分析结果表明:受均匀腐蚀与点蚀影响的吊索抗力在钢丝体开始腐蚀后的10年内,吊索的抗力不拒绝伽马分布;在第10年到第30年间,吊索抗力不拒绝韦布尔分布。吊索风载内力在服役期40年内不拒绝对数正态分布。悬索桥吊索的时变可靠度与空间缆索体系的内倾角度不相关,且同一悬索桥不同位置处的吊索耐久可靠度变化形式一致。

曲面摩擦滑移隔震结构的随机地震可靠度分析

曲面摩擦滑移隔震结构(curved surface sliding isolated structure,CSSIS)是一种具有广泛应用潜力的新技术.但在工程实践中,地震波的选取会显著影响CSSIS的抗震设计和风险评估结果.针对缺乏强震记录的情况,提出一个能够反映特定地区地震特征的随机地震动模型,并通过Monte-Carlo模拟算法,评估CSSIS的抗震可靠指标.通过振动台试验和理论分析确定CSSIS力学模型的关键结构参数,采用随机地震动模型生成地震波,以天津宁河地区为例,基于首次超越概率理论,计算了CSSIS的失稳概率Pf.结果表明,地震震级M和震中距D对CSSIS的抗震性能具有显著影响.随着震中距D的增加,上部结构的失稳概率Pf迅速下降;相反,地震震级M的增加会导致Pf升高.所得研究结果将为CSSIS的广泛应用提供重要的设计参考依据.

考虑大件荷载的桥梁网络可靠度分析及路径优化研究

为研究大件运输车辆荷载对桥梁安全性能的影响,提出了一种基于支持向量机和改进灰狼算法的可靠度计算模型,并以此设计了考虑桥梁网络可靠度的大件运输路径优化方法。首先依托大件运输车辆荷载分布统计数据建立了大件运输车辆荷载-桥梁结构响应的机器学习算法映射模型,通过支持向量机拟合大件车辆荷载下的结构功能函数,其次采用融合指数型非线性收敛和柯西变异的改进灰狼算法对可靠度进行求解,计算了某35 m预应力钢筋混凝土T型梁桥在大件运输荷载下的时变可靠度,设计了考虑大件运输荷载下桥梁网络可靠度的路径优化方法。研究结果表明:支持向量机对大件车辆荷载下的桥梁结构响应拟合良好,平均相对误差仅为1.74%;考虑大件运输荷载下的桥梁时变可靠度曲线下降趋势更加明显,且越接近桥梁服役后期,可靠度指标退化速率越快;改进灰狼算法在对功能函数求解时收敛速度极快,寻优稳定性极高;考虑桥梁网络可靠度的路径优化方法可以准确选择当前大件运输荷载下可靠度较高的通行路径。

基于响应面法的桥梁抗船撞可靠度分析

为解决桥梁抗船撞可靠度分析中影响因素选取的问题,基于响应面法建立包含船舶因素和桥梁因素的响应面函数来计算在不同响应面函数下的桥梁抗船撞可靠度,并对桥梁的墩顶位移和失效年限进行可靠度分析。研究结果表明:1)影响因素的灵敏度与桥梁抗船撞的安全性正相关,高灵敏度因素对可靠度的影响较大;2)多种影响因素的选取会导致试验繁琐,且低灵敏度的因素可能在分析中失效,而“中性”因素则显示出较好的适用性;3)选取15 mm的墩顶位移允许值来分析桥梁抗船撞可靠度和失效年限可靠度比较符合实际情况。

基于抗力退化的外贴纤维布加固RC柱可靠度分析

在对碳纤维布加固既有钢筋混凝土(RC)柱力学性能试验研究成果的分析基础上,得出了大气环境中性能退化的在役RC柱的抗压承载力随时间变化计算模型的统计参数,对结构抗力以及可变荷载的随机过程进行了随机变量的处理,建立了大气环境下碳纤维布加固在役RC柱抗压可靠度的分析与计算方法。通过对一在役RC柱进行抗弯可靠指标计算,得出以下结论:大气环境下在役RC柱随服役年限延长,抗压可靠指标逐渐减弱;材料的劣化是影响RC柱抗压性能的主要因素之一;通过对其进行粘贴碳纤维布加固,可以提高其可靠度。此方法简便易行,能够为大气环境下在役钢筋混凝土结构的加固评估以及维修决策提供理论依据。

基于强度折减采样与高斯过程回归的空间变异土坡自适应可靠度分析

土体参数空间变异性对土坡稳定性的影响已受到岩土工程界的广泛关注,繁冗的计算量是空间变异土坡可靠度分析面临的瓶颈问题。基于强度折减采样(SRS)和高斯过程回归(GPR)模型,提出一种适用于高维空间的空间变异土坡自适应可靠度分析方法(SRS-GPR)。首先采用Karhunen-Loève展开法将空间变异土体强度参数离散为高维随机变量,随后根据SRS生成土坡临界样本点,接着通过GPR构建土体参数随机场与边坡安全系数之间的高维非线性函数关系,并基于主动学习策略自动搜寻最优训练样本点,迭代更新GPR模型。在此基础上,结合GPR模型和蒙特卡洛模拟进行边坡可靠度分析。最后,通过两个典型算例验证所提方法的准确性、高效性、鲁棒性和适用性。结果表明:所提方法可有效识别靠近极限状态面附近的最优样本点,使得迭代更新的GPR模型在该区域的预测精度逐渐提高。此外,所提方法不受随机变量维度的影响,可直接在高维参数空间应用,且对边坡稳定性模型的调用次数较少,在计算效率方面具有显著优势。

矩方法在连续刚构桥挠度可靠度分析中的应用

采用矩方法建立连续刚构桥挠度可靠度分析框架,以某高速公路连续刚构桥为例验证该方法的可行性。结果表明,采用文中方法计算所得连续刚构桥挠度可靠度指标β最小为3.880,满足β>2.500的要求,该桥具有较好的挠度承载性能;采用矩方法计算所得挠度失效概率和可靠度指标与蒙特卡罗法计算结果的相对误差分别为13.72%、0.93%,计算次数仅为蒙特卡罗法的0.032%,可用于连续刚构桥挠度可靠度分析。

一种对接机构的误差分析与可靠度分析

为满足大型部件的对接工作要求,采用一种6自由度对接调姿机构。通过D-H法对机构建立运动学数学模型,进行正逆向运动学分析。对机构末端进行位姿误差分析与可靠度分析,得到末端位姿误差与各关节运动学参数之间的关系,分析出对末端误差影响最大的误差源,为后续提高精度提供理论依据。

隧道开挖抗震动力可靠度分析

以四川某隧道为研究对象,利用Midas—GTS有限元软件,分析了地震对隧道开挖过程中竖向沉降大小和位置的影响。考虑到四川地区地貌复杂,隧道建设的重要性以及地震频发的特点,这项研究对于提高隧道开挖过程中的抗震可靠度具有重要意义。通过分析竖向沉降的大小和位置,可以为选择防护设施和支护脆弱区域提供理论指导。

基于有限元法的矿用振动筛箱体可靠度分析与优化

为进一步探究矿用振动筛箱体的可靠性提升途径,以某型号矿用振动筛箱体的运行情况为例,通过应用有限元分析方法,对该矿用振动筛箱体的运行情况进行全方位分析,并根据分析结果,应用多学科综合优化分析方法软件Isight对矿用振动筛进行优化设计,确定了优化设计的有关参数,以期为今后的优化设计工作提供借鉴。

基于极限平衡法和有限元法的边坡协同式可靠度分析

极限平衡法和有限元法是两种常用的边坡稳定分析方法。基于极限平衡法的边坡可靠度分析计算效率较高,但需要假定失效模式,从而导致计算结果不准;与之相反,基于有限元法的边坡可靠度分析更为严格,但计算效率较低。为此,提出了一种新的基于随机模拟的边坡可靠度分析方法——边坡协同式可靠度分析方法。该方法包括初步可靠度分析和精细可靠度分析两步,可以同时利用极限平衡法和有限元法的优势,实现既高效又准确的边坡可靠度分析。通过一个考虑空间变异性的两层土坡算例验证了该方法的有效性,结果表明:协同式可靠度分析方法与基于有限元法的蒙特卡洛模拟或子集模拟相比,不仅具有一致的可靠度分析结果,而且显著提高了小概率水平下的计算效率,促进了基于有限元法的边坡可靠度分析在实际工程中的应用。该方法可以将基于极限平衡法的边坡可靠度分析成果合理纳入到基于有限元法的边坡可靠度分析中,从而获得大量的失效样本,以制定合理的边坡防治措施。该方法非常适用于高维可靠度问题,如考虑空间变异性的边坡可靠度问题。

边坡稳定的模糊随机有限元可靠度分析

边坡工程中同时存模糊性与随机性,应进行边坡稳定的模糊随机可靠度分析。在边坡稳定的随机有限元可靠度分析的基础上,提出了边坡稳定的模糊随机有限元可靠度的敏感性分析方法,它可以利用随机有限元分析的相应程序,能同时考虑参数的模糊性与随机性,能同时求得边坡的模糊可靠指标及模糊滑面位置。该方法利用了随机有限元敏感性分析的结果,在模糊截集上只需进行两次随机有限元分析即可求得该截集上可靠指标的极值,因此计算效率较高。算例分析表明:随着参数变异系数的增加,边坡的模糊可靠指标明显减小;对于均质土坡,模糊滑面的位置相对集中,形成模糊滑带;对于非均质土坡,模糊滑面的位置受边坡破坏机理的影响,参数的微小变异可能导致滑面位置发生较大变化。

隧道岩质围岩亚级分级可靠度分析方法及其工程应用

在隧道工程岩体分级中,由于岩土体参数本身的不确定性,加之各定性、定量评定指标在获取过程中由仪器误差、人为操作等产生的离散性及随机性,往往是应用同一评价体系及分级标准,却得出不同的评判等级,尤其是在围岩亚级分级中,评定结果鲁棒性差,甚至出现跳级,这就决定了围岩类别的可靠性的存在。据此,基于《工程岩体分级标准》,通过分析岩石强度及岩体完整程度等评价指标的概率分布规律,引入体系可靠度分析理论,构建不同围岩等级的功能函数,经Monte Carlo法计算围岩隶属于各评定等级的可靠概率,进而提出了基于国标BQ法的围岩亚级分级可靠度分析方法。该方法充分利用了分类系统本身蕴含的信息,考虑了评价指标的不确定性及离散性,所计算可靠性指标可更为直观地对围岩等级作出稳健评估,且可靠概率在一定程度上综合考虑了包括局部破碎带、软弱夹层等掌子面围岩信息的离散程度。研究成果应用于济南绕城高速老虎山超大断面隧道的围岩亚级分级中,所评价结果与实际围岩等级完全吻合,且各等级可靠指标的延续性可对隧道施工过程中地质属性的变化情况进行定量表征,有助于工程地质人员据此对围岩质量的渐变过程进行动态评估,为合理确定工法转换区间,优化支护参数提供数据支撑。研究成果对类似超大断面隧道的围岩亚级分级有一定参考价值。

基于最大熵原理的基桩竖向承载力的可靠度分析

基于无量纲计算模式,研究了极限状态方程中每个随机变量对基桩竖向承载力可靠度分析的影响,并采用最大熵原理将可靠度指标的计算转化为熵密度函数的计算。计算熵密度函数时采用牛顿迭代法,从而解决了在分析基桩竖向承载力的可靠度时可能产生的迭代不收敛的情况。在计算中,采用的数据直接来源于样本,减少了对已有数据和经典概率分布的依赖。利用无量纲计算模式推导了基桩竖向承载力的失效概率的计算公式。工程实例分析表明,其计算效率较高且精度满足工程需要。