基于主动学习Kriging模型的改进一次可靠度方法

结构可靠度分析的一次可靠度方法在每一迭代中均涉及迭代点的函数值及梯度值计算,但后续迭代过程不能充分利用前期迭代过程中迭代点的计算结果,因此计算效率有待于进一步提升。考虑到迭代后期迭代点在局部区域内波动,若以已有迭代结果为基础建立代理模型进行迭代后期迭代点的函数值及梯度值计算将有助于改善一次可靠度方法的计算效率。为此,该文在将一次可靠度方法的迭代过程分为全局搜索阶段与局部搜索阶段的基础上,针对两个阶段分别采用不同的计算策略,即全局搜索阶段沿用已有一次可靠度方法的迭代过程,在局部搜索阶段则基于全局搜索阶段的迭代结果建立Kriging模型,并引入可评估Kriging模型在迭代点处精度的学习函数,实现局部搜索阶段迭代点的高效率计算,从而提出了具有更高计算效率的改进一次可靠度方法。数值算例和工程算例的计算结果表明建议方法在保持精度不变的情况下,可显著提高一次可靠度方法的计算效率。

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.

考虑基坑宽度及软弱土层厚度的基坑抗隆起稳定可靠度研究

坑底隆起破坏是导致基坑失稳的关键因素之一。对坑底隆起的影响因素展开研究工作,分析基坑宽度以及软弱土层厚度对坑底隆起变形以及基坑抗隆起稳定可靠度的影响规律。首先,建立不同工况的基坑开挖有限元模型,获取坑底不同特征点的隆起变形值,分析其变形规律,进而构建基于隆起变形限值的坑底抗隆起失效极限状态函数,最后采用蒙特卡罗法对坑底进行概率分析。数值模拟结果表明:当软弱土层厚度足以使隆起破坏滑动面贯通时,窄基坑的坑底两侧隆起变形大,中间小,宽基坑隆起变形规律与之相反;两种类型基坑坑底隆起变形都随基坑宽度增加而增大。改变软弱土层厚度,坑底各特征点隆起变形值随之变化,当为窄基坑时,坑底隆起变形依旧是中间小,两侧大;当基坑为宽基坑时,随软弱土层厚度增加,隆起变形随之增大,且坑底中心隆起变形逐渐超过两侧隆起变形;依据变形规律得到不同宽度基坑隆起破坏滑动面贯通时的软弱土层厚度。坑底抗隆起稳定可靠度与基坑宽度、特征点位置以及软弱土层厚度有关,坑底的稳定状态以及可靠度最低的特征点位置随基坑宽度以及软弱土层厚度变化而变化。

基于允许可靠度的薄壁圆筒静强度安全系数

为建立钢制单层承压薄壁圆筒静强度的可靠性设计技术,当圆筒静强度与载荷分别符合正态分布且静强度分布参数为区间值时,应用概率论知识,构建了圆筒静强度在不同工况的可靠度系数、安全系数和工况系数三者之间的关系。研究表明:1)在一般气压试验或气液组合试验时,圆筒屈服强度的允许可靠度系数应不小于1.549且不超过2.115,爆破强度的允许可靠度系数应不小于4.081且不超过5.414。2)在一般液压试验时,圆筒屈服强度的允许可靠度系数应不小于0.605且不超过1.005,爆破强度的允许可靠度系数应不小于3.304且不超过4.430。3)在正常操作时,圆筒屈服强度的允许可靠度系数应不小于1.961且不超过2.484,爆破强度的允许可靠度系数应不小于4.280且不超过5.456。4)在允许可靠度系数满足上述取值范围,且工况系数符合中国标准时,圆筒屈服安全系数可取1.40,爆破安全系数可取2.00。

钢桥疲劳裂纹扩展行为研究及可靠度更新分析

疲劳断裂失效一直是导致钢结构桥梁发生破坏的重要原因之一。为了更好地利用断裂力学对此失效行为进行研究,开展桥梁钢板件标准疲劳裂纹扩展试验。利用金属磁记忆无损检测技术监测疲劳裂纹扩展行为,分析疲劳裂纹扩展过程中磁信号的变化情况。从理论及试验两方面探讨疲劳裂纹扩展长度磁信号量化方法,确定磁特征参数与裂纹扩展长度之间定量关系式。随后将所提关系应用于疲劳裂纹扩展剩余寿命预测确定性研究,并通过试验结果对其进行验证。最后考虑疲劳裂纹扩展的随机性及损伤信息更新的必要性,进一步开展疲劳可靠度评估研究。研究结果表明:磁信号梯度最大值可以较好地对裂纹扩展长度进行量化表征,剩余寿命预测结果与试验结果误差均在20%以内,基于磁信号的可靠性评估方法可以配合我们更好地制定桥梁维修及养护策略。

市政埋地供水管网抗寒潮服务可靠度分析

提出了市政埋地供水管网抗寒潮服务可靠度分析的一个方法。针对寒潮期气温变化对供水管道温度应力和管道周围土体冰冻应力的影响,建立管道接头渗漏状态的供水管网水力分析模型,采用一次二阶矩方法计算市政埋地供水管网抗寒潮服务可靠度。以某城市供水管网为例进行分析,分别给出了在蓝色、黄色、橙色和红色寒潮预警下供水管网的服务可靠度。研究表明,寒潮期气温变化对市政埋地供水管网服务可靠度具有明显影响,有必要开展市政埋地供水管网寒潮可靠度分析,寒潮强度、管道接头性能、管网拓扑结构等是市政埋地供水管网服务可靠度的影响因素。研究对于市政埋地供水管网抗灾设计具有一定参考价值。

车辆-轨道系统动力极值预测及可靠度计算

为从车辆-轨道系统的动力极值预测及其可靠度计算角度分析车辆系统行车安全、衡量系统可靠程度,基于车辆-轨道耦合动力学及概率理论,提出一种车轨系统动力极值预测及可靠度评估方法。首先,基于轨道不平顺概率模型,采用轨道不平顺累计概率谱确定具有不同激振能量的随机不平顺序列;依据离散Parseval定理,建立轨道不平顺时域序列和功率谱间的对应关系;将轨道不平顺概率模型与车辆-轨道耦合动力学模型相结合,从随机动力计算中提取车辆-轨道的动力极值及可靠度信息;随后利用车辆-轨道耦合动力模型及二维插值算子,根据谱线能量关系实现动力极值预测;此外,基于此系统激励输入与响应输出间的概率等效性,导出了动力极值的可靠度计算式。以实测的轨道不平顺和车体加速度数据及4种类型不平顺在不同累计概率下的谱组合计算得出的轮轨横向力和钢轨垂向位移的计算结果为样本,与预测结果进行对比。研究结果表明:计算时程的分布趋势基本与实测时程一致,动力极值预测结果与实际的动力计算结果较为接近。由于轨道不平顺随机性的存在使得车辆-轨道系统的动力响应存在随机离散及方差特征,但通过轨道不平顺的幅频及能量特性预测车辆-轨道系统的动力极值的方法是较为可行的。

基于可靠度与易损性的地震动输入修正方法

在基于性能的地震工程理念与经典可靠度理论框架下,分析了地震易损性与结构可靠度的共同特性,阐释了将两者相结合的理论基础与概率方法;以一座三跨连续梁桥为例,基于OpenSees平台建立桥梁有限元模型,通过非线性动力时程分析对结构进行概率地震需求及易损性分析,基于易损性曲线考虑3种抗震目标对桥墩进行抗震设计,并对设计墩柱进行恒载与车辆活载作用下的可靠度分析;考虑不同地震重现期,根据泊松随机过程计算各类地震作用下的目标可靠度,基于概率方法对结构的初始可靠度进行修正,进一步结合地震易损性,确定不同抗震目标下的地震动水平,提出基于可靠度与易损性的地震动输入参数确定方法。结果表明,1000年、475年和50年地震重现期下,修正PGA均值分别为0.25 g、0.24 g和0.22 g,高于仅考虑易损性时的0.21 g。本方法将地震易损性与可靠度相结合,为结构不同层次的抗震设计提供了思路与方法。

基于概率密度演化的大跨越导线铝部风振疲劳可靠度分析

为了掌握微风作用下大跨越架空输电导线铝股疲劳特性及其可靠度,提出了基于概率密度演化的大跨越输电导线铝部疲劳可靠度计算方法.首先建立了大跨越塔线体系有限元模型,研究了微风激振下导线悬挂点处振动位移时程,然后构建了导线节段有限元实体模型,以微风激振作用下导线位移时程为激励,研究了大跨越导线内外层铝股风振疲劳应力时程响应,最后采用概率密度演化方法,考虑线路风速风向概率分布,分析了大跨越导线疲劳可靠度,并与Miner线性累积损伤结果进行比较.结果表明:微风风速越大,大跨越导线振幅越大;微风作用下大跨越导线的外层铝股应力大于内层铝股,外层的钢股应力亦大于内层;大跨越导线运行年限越大,导线内外层铝股可靠度越小,但内层铝股可靠度大于外层铝股可靠度;基于Miner原理计算的铝股疲劳可靠度偏大,建议开展大跨越输电导线疲劳设计时考虑分层特性.

钢梁腐蚀相关性对钢-混组合梁桥体系可靠度的影响

服役环境中钢主梁的腐蚀本质上是一个随机过程,腐蚀深度随机变量既有时变性亦有空间性。现有测量方法只能获得单根钢梁腐蚀深度数据,尚不能明确结构体系腐蚀深度变量的联合分布模式,可能导致腐蚀结构体系可靠度计算模型失真。以某钢-混凝土组合梁桥为研究对象,首先建立了钢主梁腐蚀深度增长Gamma随机过程模型,并利用钢梁腐蚀深度实测数据对模型进行了验证;然后采用Kendall秩相关系数量化表征主梁腐蚀深度相关性,推导了腐蚀钢梁的时变抗力计算公式;最后基于Copula函数提出了考虑主梁腐蚀相关性的梁桥体系失效概率计算方法,对比研究了钢梁腐蚀相关性对钢-混组合简支梁桥体系可靠度的影响。研究结果表明:桥梁运营前期腐蚀相关性对梁桥受力性能影响较小,在运营中后期,中高程度的腐蚀相关性将会对梁桥体系的可靠度影响较大。研究提出了钢梁腐蚀空间相关性量化方法,获得了更精确的钢-混组合梁桥体系可靠度计算方法,可为组合梁桥体系的时变可靠度评定提供参考。

钢筋混凝土结构整体承载能力、可靠度和整体抗力系数校准--以简支梁为例

目前,基于构件承载能力极限状态的荷载抗力系数设计法或分项系数法是世界各国土木工程结构设计规范所主要采用的概率极限状态设计方法,目前这两种方法存在两个基本矛盾,需要发展基于结构整体可靠度的整体安全系数设计方法。总结钢筋混凝土结构整体承载力设计值和整体抗力系数的确定方法,将FIB混凝土结构整体抗力系数设计法与结构整体可靠度理论相结合,提出钢筋混凝土结构整体承载能力可靠度和整体抗力系数的校准原理。以双面配筋钢筋混凝土结构简支梁为例,通过非线性有限元分析和蒙特卡洛模拟,校准得到钢筋混凝土简支梁的整体承载能力可靠度和整体抗力系数,研究发现钢筋混凝土简支梁的整体承载力可靠指标总体大于构件承载力可靠指标,且整体可靠度指标和构件可靠度指标均远大于目标可靠度指标,表明《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50058—2018)的目标可靠度指标有较大提升空间。

基于改进PSO-SVM法的斜拉桥可靠度分析

对于斜拉桥结构体系复杂、结构功能函数难以显现等问题导致实际应用中往往难以准确、高效地评估斜拉桥的可靠性,本文提出了基于改进PSO-SVM(particle swarm optimization-support vector machine)的可靠度分析方法。该方法通过引入非线性递减惯性权值和异步线性变化的学习因子2种策略的粒子群算法,其目的在于提高全局的搜索能力并对支持向量机参数进行优化,从而得到挠度钢混组合梁跨中位移超限失效和单根斜拉索强度失效的隐式功能函数代理模型,结合Monte-Carlo对其抽样获取概率分布及统计参数,并进一步求解可靠度指标。通过算例比较,该方法在整体计算时长和精度方面表现出较好的效果,相比于传统方法有明显的优势。采用该方法对银洲湖大桥进行可靠度分析,结果显示:在汽车荷载作用下,主梁跨中位移超限失效的斜拉桥可靠度指标为4.203,各个斜拉索强度失效的可靠度指标为4.623~5.812,均满足规范要求;斜拉索的弹性模量和容重分别对跨中位移超限失效和斜拉索强度失效的斜拉桥可靠度指标影响最大,并且它们的变量均值与可靠度指标基本呈线性正相关。主梁跨中位移超限失效的斜拉桥可靠度指标随着斜拉索弹性模量均值系数的增大而降低、斜拉索41#强度失效的斜拉桥可靠度指标随着斜拉索容重均值系数的增大而下降。

双洞公路隧道中夹岩柱可靠度研究

目的为了探究双洞隧道开挖后中夹岩柱的变形规律及破坏特征,改进岩柱稳定性定量评估方法。方法以某市公路双洞隧道为例,建立了非侵入式随机有限元-蒙特卡罗分析框架,提出基于中夹岩柱中部轴线变形的应变失稳准则。通过改变岩土体的物理力学参数变异系数、岩柱宽度以及隧道埋深研究双洞隧道开挖后中夹岩柱的失效概率,并分析其变化规律,进而采用系统稳定性分析法对影响岩柱的参数进行敏感性分析。结果在该工程背景下的中夹岩柱失效概率为0.2204,需定期进行稳定性监测。比较各影响因素归一化敏感度因子,岩柱失效概率对各因素敏感性由高到低依次为弹性模量变异系数、岩柱宽度、黏聚力变异系数、内摩擦角变异系数与隧道埋深,后续设计相似岩体参数分布的双洞隧道时,应关注弹性模量变异系数对岩柱稳定性的影响。结论非侵入式随机有限元-蒙特卡罗分析框架能够对中夹岩柱可靠度进行计算,实现结构的稳定性定量评估,为双洞隧道设计及稳定性控制提供一定的理论依据。

考虑土性参数空间变异性的珠三角软土地区土钉支护结构可靠度分析

如何定量定性描述软土土性参数空间变异性对准确确定软土土性参数和合理评价软土地区土钉支护结构稳定性至关重要。采用既有统计分析方法定量描述空间变异性通常需要大量数据,难以满足。本文基于随机场理论模拟软土土性参数空间变异性,建立了一套考虑土性空间变异性的软土地区土钉支护结构可靠度设计方法,最后以MATLAB软件包为平台进行计算程序的开发与工程实例研究。分析结果表明,本文采用随机场方法模拟软土土体固有空间变异性及其在土钉支护结构可靠度分析中的应用具有合理性与普适性。

串联系统小样本可靠度直接评估方法

建立了一种串联系统小样本可靠度直接评估方法,能够根据子系统的可靠度置信限直接给出串联系统的可靠度置信限,解决了目前常用的LM法和MML法等传统方法需将信息量较大的连续型分布的子系统试验数据转换为信息量较小的成败型数据,造成试验信息大量丢失,导致可靠度评估精度不高或偏于危险的问题。在此基础上,针对工程上许多成败型试验转计量型试验的机构都是正态分布串联系统的情况,建立了正态分布串联系统小样本可靠度直接评估方法,该方法能够根据子系统的小样本计量型数据对串联系统可靠度进行高精度评估。大量的Monte Carlo模拟验证和实例计算结果表明,传统方法在小样本情况下误差较大,甚至无法满足置信度要求,本文方法则不仅能够满足置信度要求,而且评估精度更高。此外,本文方法对工程上常用的指数分布、 Weibull分布和正态分布等连续分布均适用。

基于体系可靠度考虑断索的拉索设计研究

在考虑断索后剩余拉索的动力响应前提下,分析了剩余拉索的主要失效路径,采用PENT法对剩余拉索的体系可靠度进行评估,并对索力设计安全系数提出了取值建议。对于剩余拉索的体系可靠度评估,首先考虑断索后剩余拉索的动力响应,建立剩余拉索的状态矩阵;其次计算断索后剩余拉索单元的失效概率;最后采用PENT法对剩余拉索系统进行可靠性评估。研究结果表明:①设计安全系数取值对失效路径的影响较小;②对于算例中的斜拉桥,当索力设计安全系数>2时,可以保证断索后的正常使用;③对于允许暂停使用、进行维修的斜拉桥,可以根据许用最小可靠度指标,选用1.82~2区间的数值作为索力设计安全系数。

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。

基于MAHP-MEW的桥梁体系可靠度评估方法

为了合理准确地评估桥梁体系的可靠性,文章提出基于多指标熵权法(MEW)和改进层次分析法(MAHP)的桥梁体系可靠度计算方法,结合桥梁可靠度指标等桥梁状态参数建立评价体系,采用横向分布系数构造判断矩阵以改进传统AHP,利用具有客观性特点的多指标熵权法构造综合权重。为了验证提出方法的准确性与合理性,选取一座装配式板桥的上部结构为案例,分析其体系可靠度指标,结果表明该方法的桥梁体系可靠度计算结果具有一定的全面性和合理性。

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。

考虑套筒灌浆随机缺陷的装配式剪力墙结构可靠度评估

在装配整体式剪力墙结构中,由于套筒灌浆连接的质量具有一定的随机性,势必影响结构的竖向连接性能和结构抗震性能。根据不同缺陷程度的套筒灌浆拉拔试验,建立了一套等效套筒灌浆缺陷连接承载力模型,并基于某实际工程结构,建立了装配整体式剪力墙结构有限元模型。通过考虑灌浆缺陷的随机性,赋予连接接头相应缺陷程度的力学连接性能,来反映套筒灌浆中可能存在的缺陷。通过非线性有限元分析并结合概率密度演化方法(probability density evolution method,PDEM)进行了结构随机非线性反应分析和可靠度评估。结果表明:在动力作用下,结构非线性与随机性具有明显的耦合效应;缺陷的随机性会随着时间的推移,逐渐放大对结构响应的影响;在不同的安全域内,结构的整体可靠度将存在较大的差异。