基于设计值法的结构可靠性设计实用性研究

目前,结构设计主要采用基于概率的分项系数法,而随着材料强度、施工工艺、设备性能的改善以及荷载作用的变化,该法在使用过程中因分项系数的取值固定而缺乏灵活性、通用性、并且可靠度控制精度不足.为此,国际上提出了设计值法.该法可从根本上解决目前设计方法的缺陷,但仍缺乏足够的工程实用性,尚未全面推广.鉴于此,根据工程设计习惯,以结构可靠度理论和设计值法为基础,建立基于设计值法的实用设计表达式,并结合工程实际给新的设计表达式选取最优的灵敏度系数,从而建立新的实用性设计值法的应用研究理论.结果表明,新的实用设计值法在工程应用中提高了可靠度控制精度和实用性.

基于部分因子设计和响应曲面法的S区块聚驱参数优化

针对海上油藏聚驱开发过程中参数之间影响机制复杂、开发效果难以定量化评价等问题,基于数值模拟方法建立海上S区块油藏概念模型,根据部分因子设计法设计聚驱参数敏感性实验方案,分析确定了各参数对聚驱采出程度的影响程度,并回归得到聚驱采出程度预测模型。研究结果表明,各因素对采出程度影响显著性由大到小依次为聚驱转注时机、注入速度、地层韵律性、束缚水饱和度、纵向渗透率与水平渗透率比值、水平方向渗透率、聚合物浓度。基于部分因子设计法回归出的采出程度预测模型拟合程度较高,能够定量评价各开发因素对聚驱开发效果的影响。

安全系数法与分项系数法在边坡工程中的应用分析

以GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》为依据进行推导计算,建立安全系数法与分项系数法之间的对应关系,从而得出支护结构的验算时,隐式解宜作为标准值,显式解应作为设计值的结论。解决了现行规范中通过安全系数法计算剩余下滑力后,采用分项系数法进行支护结构验算时重复使用安全系数,导致支护结构过大的问题。

基于DOE设计的曲轴结构优化

曲轴是发动机中的重要零件,将活塞的往复运动转换为旋转运动.曲轴强度直接影响发动机的可靠性及使用寿命,而结构参数直接影响曲轴强度.在同一边界条件下,研究7个曲轴结构参数单因素变化对曲轴强度的影响;通过部分因子试验确定影响曲轴强度的主效应参数;利用响应面设计研究主效应因素多参数变化对曲轴强度的影响.结果表明:平衡重大端半径、连杆轴颈长度、平衡重厚度、主轴颈圆角4个参数是影响曲轴强度的主效应因子;应用响应面法优化设计曲轴强度,优化后曲轴应力最小值为86.592 MPa,较原模型减少31.3%.

S280冷轧薄板冷弯型钢构件设计可靠度分析

基于国内厚度不大于2mm的S280冷轧薄钢板材性数据、S280冷弯薄壁型钢构件的几何尺寸数据以及已完成的轴压、偏压、受弯构件承载力试验数据,对厚度不大于2mm的S280冷弯超薄壁型钢构件的强度不定性、几何特性不定性、计算模式不定性进行分析.采用改进的一次二阶矩法,按现有规范的抗力分项系数计算了各类基本构件在不同可能荷载组合下的可靠指标.结果表明:对于厚度不大于2mm的S280冷弯超薄壁型钢构件,当宽厚比符合规范要求时,按现有规范的抗力分项系数计算得到的可靠指标均能满足目标可靠度的要求.最后给出了厚度不大于2mm的S280冷弯超薄壁型钢的强度设计指标建议值.

结构安全性设计的通用表达式

针对现行结构安全性设计表达式在灵活性、通用性、可靠度控制方面的缺陷以及国际标准中设计值法在实用性方面的不足,提出了结构安全性设计的通用表达式。根据计算可靠指标的JC法和作用的随机过程组合方法,建立了基本变量设计值与基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限之间的函数关系;将设计值表达为基准设计值与分项系数的乘积,给出了两者的计算公式;最后按此设计值的形式提出了结构安全性设计的通用表达式。对比分析表明通用表达式具有如下优点:可直接考虑基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限对设计结果的影响;可完整考虑各种不确定性的影响,包括作用效应分析中计算模式、相关结构性能不确定性的影响;在各分项系数中可全面反映目标可靠指标的影响,更好地实现对可靠度的控制;可合理设置不同基本变量的设计使用年限系数;可统一作用、抗力代表值的取值方法,提高设计人员调整分项系数的可行性。研究结果为建立结构安全性设计的通用方法提供了参考。

结构适用性设计的通用表达式

针对目前的结构适用性设计法在灵活性、通用性、可靠度控制精度方面的不足,提出了结构适用性设计的通用表达式。借鉴设计值法的基本思想,采用作用的随机过程组合方法和可靠指标计算的JC法建立了基本变量设计值与基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限之间的函数关系,并将设计值表达为基准设计值与分项系数的乘积;根据两者的计算公式,最终按设计值的形式提出结构适用性设计的通用表达式。对比分析表明,通用表达式有以下优点:可直接考虑基本变量概率特性、目标可靠指标、设计使用年限对设计结果的影响,引用作用和结构性能的最新统计结果,建立新材料、新型结构的可靠度设计方法;可完整考虑各种不确定性的影响;便于设置和选择不同的目标可靠指标和设计使用年限;由于目标可靠指标的影响全面反映于各分项系数中,可更好地实现对可靠度的控制。研究结果为建立结构适用性设计的通用方法奠定了基础。

S350冷轧薄板冷弯超薄壁型钢构件设计可靠度分析

基于国内厚度不大于2mm的S350冷轧薄钢板材性数据、冷弯薄壁型钢构件几何尺寸数据及已完成的轴压、偏压、受弯构件承载力试验数据,对厚度不大于2mm的S350超薄壁冷弯型钢构件的材料强度不定性、几何特性不定性、计算模式不定性进行了分析。采用JC法,按现有规范的抗力分项系数计算了各类基本构件在不同可能荷载组合下的可靠指标,并根据可靠度分析结果,提出了对现有规范承载力计算值的建议修正方法。结果表明:对于厚度不大于2mm的S350超薄壁冷弯型钢构件,当翼缘宽厚比满足规范要求时,按现有规范的抗力分项系数计算得到的轴压构件可以满足目标可靠度的要求,偏压构件的可靠指标低于目标可靠指标,受弯构件的可靠指标略低于目标可靠度。按建议方法计算偏压构件的承载力时,偏压构件的可靠指标大于目标可靠指标。最后给出了厚度不大于2mm的S350超薄壁冷弯型钢构件的强度设计指标建议值。

既有结构可靠性评定的设计值法

目前对既有结构可靠性的评定主要采用结构可靠度设计中的校核方法,即以分项系数表达的实用设计表达式.虽然在具体的校核过程中,一般会考虑既有结构实际的材料性能、几何尺寸和所承担的作用,但这种评定方法并不完全适用于既有结构的可靠性评定.借鉴国际标准中设计值法的基本思想,在前期工作的基础上,提出既有结构可靠性评定的设计值法.该方法在可靠性评定中直接考虑了基本变量概率特性、目标可靠指标和后续使用年限变化对评定结果的影响,引用既有结构的作用和性能的最新统计结果,建立可靠性评定方法,允许业主自由选取目标可靠指标和后续使用年限,较现有的结构可靠度设计中的校核方法更具有良好的灵活性和通用性.同时,根据此方法确定了现有规范规定的既有结构构件承载能力的鉴定等级与结构构件可靠指标之间的关系.

背管分项系数设计表达式结构系数的取值研究

结合电力行业标准SD144 - 85《水电站压力钢管设计规范》的修订工作 ,对国内外背管 (钢衬钢筋混凝土压力管道 ,简称背管 )设计的安全系数取值情况进行了分析 ,认为我国现行的背管设计在安全度方面尚有潜力可挖 ,建议背管设计的安全系数可与现行规范中明管设计的安全系数相同 ,并据此推导了按工程经验校准法确定背管分项系数设计表达式中结构系数的计算公式 ,提出了背管结构系数的取值建议 。

基于分项安全系数的混凝土桥梁耐久性设计方法研究

从现有的混凝土结构耐久性研究成果出发,以实现混凝土桥梁设计使用寿命作为耐久性设计的目标,结合混凝土桥梁的结构设计特点,提出了一套实用耐久性设计方法。通过相关内容的文献收集、整理及结果分析,确定了引起结构性能退化的主要耐久性作用及其极限状态,系统总结了现有耐久性设计理论和方法,提出了基于分项安全系数的耐久性设计理论和设计方法,将环境作用的影响作为荷载,采用结构设计规范常用的荷载与抗力的关系式,引入分项安全系数,针对影响混凝土桥梁耐久性能的主要环境作用建立了对应的极限状态方程,进行耐久性极限状态的验算,并详细论述了相关安全参数的意义和取值范围。最后以碳化作用为例进行了耐久性验算。

基于Kriging模型的FRP汽车储气罐结构参数优化

以FRP汽车储气罐为研究对象,首先,运用Abaqus软件对储气罐进行仿真分析,得到其在工作压力为1 MPa时的应力云图,并利用爆破试验验证了仿真分析的可靠性。然后,通过部分因子试验设计,从9个结构参数中筛选出了对罐体质量、应力和位移影响较为显著的4个结构参数,分别为碳纤维缠绕层数、碳纤维缠绕角度、玻璃纤维缠绕层数和玻璃纤维缠绕单层厚度。通过拉丁超立方抽样方法得到32组抽样数据,建立了结构参数与评价指标之间的Kriging代理模型。最后,利用GAPSO求得最优解。研究结果表明,在保证力学性能良好的前提下,储气罐的质量从最初的5.84 kg下降至4.98 kg,降低了14.7%,减重效果显著。

水工混凝土材料性能设计指标的取值方案研究

结合我国现行水利工程行业标准SL/T191—96修订工作的需要,通过比较分析国内外混凝土结构设计规范材料性能设计指标取值的有关规定,提出了较为合理的水工混凝土材料性能设计指标取值的建议方案。结果表明,文中提出的混凝土轴心抗压与轴心抗拉强度标准值的计算公式形式简单、实用方便,且与我国现行SL/T191—96及GB 50010—2002规范的取值具有较好的一致性,可供水工混凝土结构设计规范修订时参考。

铁路桥梁结构作用分项系数的研究

结合我国已有作用统计参数,考虑极限状态法和容许应力法安全度设置水平的一致性,利用设计值法对铁路桥梁结构恒载和列车荷载作用分项系数进行计算和分析。研究建议：铁路工程结构恒载分项系数取1.1,当永久荷载作用为有利情况时,恒载分项系数取1.0;列车荷载作用分项系数宜取1.4~1.5。研究成果已纳入《铁路工程结构可靠性设计统一标准（试行）》,并为其他铁路工程结构荷载分项系数的制定提供方法和参考。

混凝土结构耐久性的概率极限状态设计法

混凝土结构耐久性设计中的一个重要方法就是概率极限状态设计法,这种方法根据描述耐久性劣化过程的数学模型,首先建立耐久性极限状态方程,再将环境作用与抗力作用的某个特征值与相应的分项系数代入极限状态方程,经验算就可在一定可靠度水准上得到耐久性设计参数的设计值。该法与我国混凝土设计规范的结构设计方法一致,其中的关键问题是选取描述耐久性劣化过程的数学模型与合适的设计参数。根据理论与经验相结合的碳化深度模型,选择混凝土保护层厚度与混凝土立方体抗压强度作为耐久性设计参数,建立了基于碳化寿命准则的耐久性概率极限状态设计方法,给出了碳化寿命耐久性接受准则、分项系数与设计表达式。该法适用于一般大气环境下不允许出现钢筋锈蚀的混凝土结构,根据设计表达式可直接确定满足使用寿命要求的保护层厚度与混凝土强度。

加筋土路堤稳定可靠性设计的分项系数优化

为了完善加筋土路堤极限状态设计方法,分析了加筋土路堤稳定可靠性设计的分项系数。基于大量工程实测资料和文献资料的统计分析,初步确定了填料密度、填料粘聚力、填料内摩擦角、汽车荷载、筋材抗拉强度、筋土似摩擦系数和路基几何参数等参数不定性系数的统计结果和概率分布模型。针对加筋土路堤的筋材拉断、筋材拔出、基底滑动以及整体滑动4种失效模式,按照抗力最小二乘原理,优化得到了相应的恒载分项系数、活载分项系数与抗力分项系数。计算结果表明:实例工程在4种失效模式下的总抗力均大于总恒载与总活载之和,同时安全系数均满足规范要求。可见,优化得到的分项系数合理。

关于土坡稳定性分析中的分项系数取值的讨论

基于可靠度理论的分项系数法已在结构工程设计中广泛应用,并成为当前岩土工程设计方法发展的一种趋势。针对土质边坡抗剪强度参数(凝聚力c和摩擦系数f)的分项系数取值进行讨论:首先结合条分法、响应面法以及设计域的概念,在不同工况下标定分项系数的取值;然后评估,在采用不同分项系数组合进行边坡设计时,实际边坡的可靠度水平。研究结果表明:1变异系数对分项系数的标定有重要影响;2减小分位比能够部分抵消一定目标可靠度下由变异系数所引起的分项系数标定值变化以及一定分项系数下实际边坡可靠度水平的波动;3设计验算点是设计域中特殊的一点,它并不是最优的设计值取值点,使用标准化空间里设计域上特定角度一点作为设计值取值点更具优势;4当分位比为0.1,目标可靠度3.2时,经过优化分析,推荐土质边坡分项系数取值为c?=1.30,f?=1.15;5使用该方法,可以对现有安全系数设计方法的可靠度水平进行评估。

土坡稳定分析中考虑参数变异水平的分项系数取值

岩土参数变异性大导致可靠指标离散性高,仅用1组分项系数难以保证土工结构可靠性达到目标可靠度。将土体强度参数变异性划分为小、中、大3个水平,以现有规范规定安全系数为控制指标,对常见铁路路堤边坡目标可靠度进行校准,确定目标可靠指标为2.3;运用验算点法计算分项系数,讨论几何和强度参数对分项系数影响规律,通过统计分析及标定得到了对应3种变异水平的分项系数推荐值。研究结果表明:土体强度参数变异性是影响分项系数取值的主导因素,强度参数均值和坡高次之,坡率的影响较为微弱;为使强度参数变异性不同的边坡达到一致的可靠度,提出了分项系数应与参数变异水平相适应的取值原则,给出了小、中、大变异水平对应的抗力项和荷载项分项系数(γR1,γR2,γS)推荐值分别为(0.75, 0.95; 1.02),(0.55, 0.90; 1.06)和(0.40, 0.80; 1.10)。

水工钢闸门结构系数的确定

在前期所做的对闸门设计规范可靠度校准的工作基础上 ,根据《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》等规范的有关规定 ,对闸门设计规范承载能力极限状态设计表达式中的 5个分项系数的取值作了说明。根据给定的目标可靠指标及用钢量与现行规范相比变化不大的原则 ,着重对结构系数的取值作了计算分析 ,提出了结构系数的取值建议。为闸门设计规范采用可靠度理论设计方法提供了一些基本思路 。

浅论岩土工程极限状态设计基本思想

论述了岩土工程极限状态设计的基本思想,包括极限状态的概念、土工参数设计值的确定过程和方法、构造物的重要度和场地地基复杂程度的划分、岩土工程类别、作用载荷组合、分项安全系数和极限状态设计等;给出了土工参数的实测值、导出值、标准值和设计值的确定原则或方法;指出在极限状态设计中,可通过增大设计作用效应或降低设计抗力的方法来进行岩土工程的可靠性设计。