桥梁结构可靠度与安全评估.ppt

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,1,2,3,6,4,5,7,1.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GBT 50283-1999,结构可靠性安全、适用、耐久 结构可靠度Pr 可靠指标 失效概率Pf=1-Pr=1-() 极限状态方程ZgX(x1,x2,xn) 抗力和作用效应R、S 随机变量F、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ANNMC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,FOSM,Monte-Carlo,RSM,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,BP,RBF,SVM,中心点法,验算点法,常用的结构可靠度分析方法,将神经网络替代有限元，采用MC对ANN抽样,Monte-Carlo Method,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ANNMC方法,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。 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ANNMC方法,ANN-MC方法,图5 ANN-MC思路流程图,图6 ANN-MC算法流程图,100组,1000组,10000组,BP,RBF,SVM,RBF网络的拟合效果与原函数的对比,图9 RBF网络与原函数误差,适用于复杂结构可靠性分析的ANNMC方法,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。 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。 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 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,改进的响应面法,步骤,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,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,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。该方法首先由RBF神经网络映射出随机变量与结构受力关系，采用 MCM得出各失效模式的可靠指标。然后由约界法构件结构失效树，从而得出结构的体系可靠指标。最后以选取的目标体系可靠指标为约束条件，以罚函数的方式引入遗传算法，在MATLAB平台实现优化设计。最后对标准十杆桁架结构进行优化分析。,分析方法流程,关键内容,算例分析,算例分析,参数选取,算例分析,结果分析,图6 遗传算法迭代过程图,图7 不同变异系数和目标体系可靠指标的优化结果,结论,本文提出了基于遗传算法和神经网络的体系可靠性优化方法，并应用于十杆平面桁架的优化分析，得出以下结论： 采用神经网络方法求解具有隐式功能函数复杂结构的体系可靠度，然后将体系可靠度通过罚函数的方式引入到个体适应度计算中，通过遗传算法可实现结构体系可靠性优化。 十杆平面桁架算例表明：传统确定性优化的结果偏于危险，构件层次可靠性优化后结构的体系可靠指标偏低，本文提出的体系可靠性优化结果能够保证结构体系可靠性。随着目标体系可靠指标和变异系数的增大，其对优化结果影响越大。,5.基于体系可靠性的钢桁梁结构优化设计,工程概况 设计钢桁梁结构的体系可靠性分析 MATLAB联合ANSYS实现结构优化方法 优化参数与结果分析 结论,工程概况,设计钢桁梁结构的体系可靠性分析,MATLAB联合ANSYS实现结构优化方法,均匀设计 采用DPS软件生成U1003的均匀设计 数据,MATLAB软件生成随机变量上 下限范围内均匀数据，并按均匀设 计组合，写入EXCEL文件 MATALB调用ANSYS fid1=fopen(ghl_ansys.txt,w); fprintf(fid1,*vwrite,sig12); !“C:Program FilesANSYS Incv140ansysbinwinx64ANSYS140“ -b -i D:ansyscdata_100ghl_ansys.txt -o D:result.out load(out_lu.txt) 神经网络 net=newrb(inputn_train,outputn_train) 遗传算法 x,endPop,bPop,traceInfo=gaot_ga(bounds,evalFN,evalOps,startPop,termFN,termOps),优化参数与结果分析,优化参数与结果分析,结论,本文建立钢桁梁结构体系可靠性优化数学模型，提出了适用于钢桁梁结构的体系可靠性优化方法，并对某悬索桥钢桁梁结构进行了体系可靠性优化分析，主要得出以下结论： 某悬索桥钢桁梁结构的主要失效模式为纵、横梁的抗弯失效和腹杆屈曲失效，初失效状态表现为压杆的屈曲失效，最终失效状态表现为纵横梁跨中弯曲失效。 适当减小某悬索桥钢桁梁结构纵、横梁截面尺寸，并增加腹杆的刚度，可以使结构重量减小，而体系可靠度与原结构相同。,6.大跨度PC斜拉桥体系可靠性评估,工程概况 设计钢桁梁结构的体系可靠性分析 MATLAB联合ANSYS实现结构优化方法 优化参数与结果分析 结论,模型修正与损伤识别,选取模型修正参数前应进行灵敏度分析； 修正参数主要包括：E,I,W； 动态响应准则：自振频率、模态振形、模态曲率； 静态响应准则：局部敏感、准确定位、刚度矩阵； 采用遗传算法优化实现：以待修正参数为设计变量，实测值和计算值残差之各为目标函数，,PC斜拉桥失效模式,大跨度PC斜拉桥的超静定次数较高，主要失效模式寻找非常非难。实际运营状态下的安全评估一般选取关键截面和构件进行可靠度分析。失效类型一般有： 单根拉索强度失效：Z=A-T,失效后删除单元 主梁跨中位移失效：Z=L/500-Y，体系失效 主梁抗弯失效：Z=y/I-M，失效后形成塑性铰 索塔抗弯失效：Z=y/I-M，失效后形成塑性铰,某PC斜拉桥的体系可靠性评估,某PC斜拉桥跨径组合为200+420+200m，结构体系为塔墩梁固结体系。