桥梁结构可靠度与安全评估

结构可靠度的分析方法与程序目录结构可靠度理论基于遗传算法和神经网络的结构体系可靠性优化方法大跨度连续刚构桥体系可靠性分析方法基于体系可靠性的钢桁梁结构优化设计大跨度PC斜拉桥体系可靠性评估展望12364571.结构可靠度理论结构可靠性分析的必要性可靠度与规范一些基本概念结构可靠度的研究方向目前主要采用有限元方法等确定性分析方法对大跨度桥梁结构进行安全分析，然而实际工程存在诸多随机因素需要基于概率理论分析其可靠度。结构的不确定性表现在：•随机性•模糊性•知识不完备性结构可靠性分析的必要性国外与可靠度相关的规范欧洲1994年EC4美国1985年ASCE7加拿大1997年CHBDC日本2000年可靠度与规范国内与可靠度相关的规范工程结构可靠性设计统一标准GB50153-1992工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008公路工程结构可靠度设计统一标准GBT50283-1999结构可靠性－安全、适用、耐久结构可靠度－Pr可靠指标－β失效概率－Pf=1-Pr=1-Φ(β)极限状态方程－Z＝gX(x1,x2,…,xn)抗力和作用效应－R、S随机变量－F、σ、E、h一些基本概念结构可靠度计算方法*结构体系可靠度理论*结构时变可靠度理论结构动力可靠度分析安全性评估*耐久性评估优化设计*结构可靠度的研究方向2.结构可靠度的分析方法与程序常用的结构可靠度分析方法适用于复杂结构可靠性分析的ANN－MC方法具有显式功能函数的结构可靠度计算软件复杂结构可靠性分析软件常用的结构可靠度分析方法分析方法FOSMMonte-CarloRSM验算点法直接抽样法重要抽样法方向抽样法中心点法ANN改进的响应面法二次序列响应面法BPRBFSVM中心点法121221,,,nXXXznzXiiiggX验算点法12*****1*221,,,nXXXznzpXiiigppppgXPRSμP*βjβc常用的结构可靠度分析方法01001()Nnorminv(1/)fNN211()()nniiiiiiZGXGXabXcXRS响应面极限状态曲面P*β将神经网络替代有限元，采用MC对ANN抽样Monte-CarloMethod常用的结构可靠度分析方法RSMANN适用于复杂结构可靠性分析的ANN－MC方法1.可靠度计算常用方法为一次二阶矩法（FOSM），它只能解决功能函数为显式的可靠度分析问题。然而，实际工程结构的功能函数为隐式，极限状态曲面复杂程度较高，甚至无法得到其真实的函数表达式。2.人工神经网络（ANN）是模仿人脑工作方式而设计的一种机器，它可以在计算机平台上通过学习获取知识并解决问题。目前主要用于模式识别、图像处理、优化控制和通信等领域。将神经网络引入到结构可靠性分析领域，结合Monte-Carlo方法可以实现复杂结构可靠性分析。研究背景适用于复杂结构可靠性分析的ANN－MC方法ANN-MC方法生成训练、测试数据训练神经网络测试网络精度MC对随机变量抽样输入net生成测试输出数据找出0的个数用unifnrd生成各变量[3,3]随机数用minmax对随机数归一化处理用newff、newrb、svmtrain命令训练用normrnd生成100万个服从随机变量分布的随机数用Sim、svmpredict命令输出随机数结果用minmax对结果反归一化处理用find找出0的位置和个数计算值用norminv输出值图5ANN-MC思路流程图图6ANN-MC算法流程图1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93测试次数BP方法的100组数据测试结果所用时间:11s;=2.5303;=0.12786BP测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93测试次数BP方法的1000组数据测试结果所用时间:25s;=2.5589;=0.071585BP测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93timesSVM方法的1000组数据测试结果所用时间:18s;=2.5691;=0.027175SVM测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93timesSVM方法的100组数据测试结果所用时间:8s;=2.6062;=0.17921SVM测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93times;=2.5324;=0.011311RBF方法的100组数据测试结果所用时间:28sRBF测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93测试次数BP方法的10000组数据测试结果所用时间:112s;=2.5523;=0.069683BP测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93timesSVM方法的10000组数据测试结果所用时间:52s;=2.5482;=0.0084673SVM测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93times;=2.5315;=0.0175RBF方法的1000组数据测试结果所用时间:128sRBF测试值精确值100组1000组10000组BPRBFSVM功能函数为331218Zxx其中1~(10,5)xN，2~(9.9,5)xNRBF网络的拟合效果与原函数的对比图9RBF网络与原函数误差适用于复杂结构可靠性分析的ANN－MC方法1.若存在足够的原始数据，那么神经网络能够实现对函数或某一映射关系的学习，并且能满足一定的精度要求。2.BP神经网络需要人为设定隐含层及神经元数量，在其数量一定时，随学习数据的增加，其学习能力有限。3.RBF神经网络能够根据学习过程中的误差增加神经元数量，其高斯基函数具有较好的非线性拟合能力，对较少的输入数据具有较高的学习性能。其学习能力最优4.SVM神经网络测试精度随输入数据的增加而增加。当数据较小时，其学习能力优于BP而次与RBF。其原因为：在可靠度分析中，随机生成的数据大多为可靠数据，而界于失效与可靠间的数据较少，因此其支持向量的数量较少。但可以通过对测试数据的调整而达到较好的效果。结论具有显式功能函数的结构可靠度计算软件复杂结构可靠性分析软件3.大跨度连续刚构桥体系可靠性分析方法体系可靠性研究内容改进的响应面法大跨度连续刚构桥体系可靠性分析结论体系可靠性研究内容寻找失效模式计算失效概率常用的方法有：荷载增量法、承力比最大准则、β约界法。β约界法:定义()()minmin()kkkr，在失效历程第k阶段，满足()()()()minmin[,]kkkkkr的单元kr将被选为失效单元。然后删除被选的失效的单元kr，然后改变结构的状态，对单元kr所在节点处加虚载，进入下一个失效路径的经历过程阶段。常用的方法有：Monte-Carlo、PNET、宽界限法、窄界限法。窄界限法:12112max(,0)max()iijsiijninnffffffjiijiiPPPPPP改进的响应面法k=1,kx=x将kx代入MIDAS模型并计算关键截面应力值通过MATLAB拟合各失效模式的功能函数将功能函数代入可靠度计算器并计算可靠指标与验算点kx将kx代入计算模型计算关键截面的应力值kx2210()(1)10kxkkY输出()k与kxNk=k+1kx=min(1kx,(1)kMx)步骤①假定初始迭代点，一般取均值点。②通过结构有限元等数值方法计算功能函数值1,,,kkkiingxxfx（）,其中第一步取3，以后取1。③解线性方程组，得2n+1个待定系数，得到以二次多项式表达的近似功能函数，从而确定极限状态方程。④用可靠度计算器求解验算点及可靠指标。⑤计算如条件满足，经线性插值得到新展开点，然后返回②进行下一步迭代，直到收敛，则停止迭代。()()()*()()()*()()()()()kkkkkMkkgxxxxxgxgx⑥如果*()()()()Mkkgxgx则将()kMx做为下次迭代点，否则将*kx做为下次迭代点。改进的响应面法算例分析工程背景雅泸高速公路C4标段腊八斤特大桥为亚洲第一高墩的连续刚构桥，跨径为105+200+200+105m，最高墩10号墩高183m。大跨度连续刚构桥体系可靠性分析分析步骤•根据MIDAS/Civil有限元模型应力分析结果选取主要失效模式。•运用改进的响应面算法拟合出各失效模式功能函数。•由可靠度计算器计算出各功能函数的可靠指标及系数相关矩阵•由窄界限算法估算出体系可靠指标大跨度连续刚构桥体系可靠性分析施工期体系可靠度分析各失效模式可靠指标计算结果失效模式编号1234567位置/节点10号墩65799096107121失效模式稳定性下缘拉应力下缘压应力下缘压应力下缘压应力下缘压应力下缘拉应力可靠指标7.938.774.625.024.814.528.36各种方法计算出的体系可靠指标计算方法宽界限法窄界限法PNET法体系可靠指标(4.3767,4.52)(4.4177,4.4455)4.52大跨度连续刚构桥体系可靠性分析运营期体系可靠度分析各失效模式可靠指标计算结果失效模式编号12345678910位置/节点10号墩153153636391123151171失效模式稳定性上缘压应力上缘拉应力上缘压应力上缘压应力下缘拉应力上缘拉应力下缘压应力上缘拉应力上缘压应力可靠指标7.875.445.365.755.665.765.125.828.405.46各种方法计算出的体系可靠指标计算方法宽界限法窄界限法PNET法体系可靠指标(4.9929,5.12)(5.0205,5.0352)5.0978大跨度连续刚构桥体系可靠性分析MATLAB语言是计算可靠度的得力平台。通过其GUI功能编制计算器，解决了每次计算功能函数可靠度时繁琐的编程问题，而且大大提高可靠度计算的效率，同时对结构可靠度更深层次研究提供了保证。针对二次序列响应面方法，在迭代回原功能函数前的一次线性插值方法的基础上进行了改进。改进后在相同的精度条件下，能够减少迭代次数，同时也减少了复杂结构的有限元的运行次数，能够较快地拟合功能函数。本文所采用的针对实际工程的体系可靠度分析方法切实可行。通过建立连续刚构桥梁的有限元模型，进行了施工过程仿真分析。选取稳定性、压应力和拉应力失效的三类失效模式，把响应面法与结构仿真分析程序相结合，实现了连续刚构桥梁结构体系可靠度的计算。计算结果表明最大悬臂状态的主要失效模式为为处底板的压应力失效，运营期体系可靠指标较施工期大。结论4.基于遗传算法和神经网络的结构体系可靠性优化方法研究目的、意义和内容分析方法步骤关键内容算例分析结论研究目的、意义和内容研究目的：在保证结构在随机因素作用下体系安全性的前提下，优化结构构件截面，达到减轻结构重量，节省材料的目的。研究意义:1.考虑构件制作误差和荷载的变异性等随机因素时，确定性的优化设计并不能保证其可靠性，需要引入可靠性优化设计。2.工程结构一般是高次超静定结构，失效历程有明显的变化，构件层次的可靠性优化设计不能保证结构整体的可靠性，需要基于体系可靠性对结构的可靠性进行评估。内容：为保证优化后结构的体系可靠性，从体系可靠度的角度出发，以目标体系可靠指标为约束条件，考虑多个失效模式的失效历程及其相关性，提出体系可靠性优化设计方法。该方