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原文传递在役桥梁结构时变可靠性理论及应用

论文题名：	在役桥梁结构时变可靠性理论及应用
关键词：	在役桥梁结构;可靠性理论;蒙特卡罗法;时变可靠度;失效概率;随机有限元;因子敏感性;工作模式;结构体系;神经网络;计算;钢筋混凝土拱桥;钢管混凝土拱桥;概率密度;指标;维修加固;工作状态;熵原理;可靠性向量;可靠性分析
摘要：	我国公路上的许多桥梁，由于长期暴露于自然环境，受到大气中各种腐蚀性气体的侵蚀，再加上结构材料老化、基础变位、荷载增加和养护不善等因素，使在役桥梁的承载能力逐渐下降；尤其对一些老龄桥和严重损伤的桥梁，需对其承载能力进行重新评定，以考察是否还能满足现有运输量的要求，尽量避免桥梁的大修或重建。因此，研究在役桥梁的可靠性，为加固决策提供依据，从而提高桥梁的承载等级、延长桥梁的使用寿命，将具有巨大的经济效益和社会效益。　　本文基于三级工作模式和时变可靠度理论，探讨了基于随机有限元最大熵原理的概率密度迁移法（FED法）、以及“有限元-神经网络-蒙特卡罗法”（FNM法），编制了分析软件，对钢管混凝土拱桥结构、钢筋混凝土拱桥和简支T梁桥进行了可靠性分析。本文的主要研究内容和结论如下：　　 1.在失效模式方面，根据现行规范和相关文献建立构件失效准则。假定桥梁结构体系中任何一个构件进入不满足规范或文献要求的状态（首次穿阙）则整个系统失效。结构体系中任何一个构件进入带损伤工作状态（首次穿阙）则整个结构进入带损伤工作状态，需要进行维修加固。这一假定避免了搜索结构体系失效模式的大量运算，与现行规范相吻合，对于在役桥粱的维修加固具有实际意义。　　 2.可靠性指标研究。可靠性不再依靠单一的可靠度指标来描述，而是基于时变可靠度理论和三级工作模式，提出失效概率及损伤概率的概念，引入可靠性向量来描述结构可靠性；基于上述概率计算相应的失效可靠度指标及损伤可靠度指标，并将时变可靠度指标与三级工作模式对应起来，使之成为判断工程结构工作状态以及是否需要维修加固的直接指标。相对于目前大多数学者采用的“可靠-失效”二级工作模式，这一做法与国际规范的规定相一致，可操作性强，且更接近于桥梁结构的实际情况。　　 3.采用层次分析法结合专家打分聚类结果，分析影响结构失效的主要因素；根据统计分析参数和因素的时变性建立时变的随机样本。基于传统敏感性因子的定义及可靠性向量的概念，提出了两类敏感性概念，定义了因子敏感性矩阵；针对复杂大型结构计算的特点，给出了增量形式的因子敏感性矩阵，并进一步提出了敏感性曲面的概念。这一定义增强了敏感性计算的可实施性，且能更直观更全面地反映各因素对结构可靠性的影响。　　 4.提出了基于随机有限元最大熵原理的概率密度演化法（FED法）。FED法在考虑时变可靠度的基础上，结合摄动随机有限元法、最大熵原理，获得结构响应的概率分布函数；通过积分获得结构的失效概率和损失概率。此方法相对于传统方法的优点是：其一，合理地考虑了结构的时变性因素；其二，通过概率密度函数可避免处理大量样本，克服了不合理的取样，节约计算资源。　　 5.提出了有限元-神经网络-蒙特卡罗法（FNM法）。FNM法引入了时间参变量，将传统的静态蒙特卡罗方法延伸为动态蒙特卡罗法。引入模拟时钟进行动态系统仿真，通过可变时间增量法推导了动态蒙特卡罗法失效概率与损伤概率的基本公式，并对这一方法进行了误差分析。通过神经网络训练获得蒙特卡罗模拟所需的大量样本，有效地提高了蒙特卡罗法的计算效率。实例分析结果表明，该方法对计算复杂结构体系是有效的。　　 6.在工程应用方面，根据FNM法编制了在役桥梁风险评价专家系统软件中关于可靠度计算部分的程序。运用该程序对算例桥A（钢管混凝土拱桥）、算例桥B（钢筋混凝土拱桥）及算例桥C（简支T梁桥）进行了可靠性分析。算例桥C在通过实桥试验获得工程信息的基础上，同时采用FNM法和FED法进行了可靠性对比分析。两种方法的分析结果较为吻合。这初步验证了FNM法和FED法的有效性。
作者：	彭可可
专业：	固体力学
导师：	黄培彦
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文