水工结构最优设计方法与程序研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 水工结构最优设计方法与程序研究 摘 要随着工程结构的日益复杂 及人们对事物认知程度的发展，工程结 构的设计正从传统的确定性设计方法向 概率设计方法的方向发展。水工结构分 析的对象、目的及手段越来越复杂，已 远不限于为设计服务，大量的分析已直 接为施工期和运行期服务。按定值设计 法对水工结构进行分析是不科学的，这 未使水工结构设计更为安全和经济。近 年来在结构设计中及安全度衡量中迅速 发展起来的结构可靠度理论，是一门以 概率论理论为基础的新的结构设计法。 随着结构分析方法的飞速发展，世界各 国广泛展开了对结构可靠度理论的系统 研究。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /1/view-12796912.htm 关键词 水工结构；可靠度设计； 程序 中图分类号：TV3 文献标识码： A 文章编号： 1009-914X（2015）11- 0022-01 水工结构指主要承受水压力、水 流、渗透水、浮托力等作用的地面、地 下、岩土等工程结构的整体和主要部件。 水工结构的可靠度设计目前仍限于把结 构承受的作用和抗力等有关参数作为随 机变量处理。结构可靠度理论的出现与 推广说明其具有先进性，是工程结构设 计的发展方向。这类工程结构的安全与 国计民生关系重大，一旦失事，可能产 生次生灾害，危及人民生命安全，恶化 自然和社会环境。因而，对其可靠度的 要求相对较高，对其可靠度的设计、监 测、评估等应更加重视。 1 水工结构可靠度设计方法简介 1.1 结构可靠度理论 水工结构可靠度设计中，一般情 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 况下，极限状态由效应与抗力组成极限 状态方程，以此进行描述。以概率论为 基础的可靠度设计理论的发展可分为 3 个水准：水准，水准和水准。水 准是指半经验半概率法，即对影响结 构安全的荷载和材料强度两因素用数理 统计进行分析，根据实际设计情况和经 验，引入经验系数；水准是指近似概 率设计方法，即采用均值和标准差，对 设计表达式进行线性化处理，然后把结 构抗力和作用效应作为随机变量，对失 效概率或可靠指标按给定的概率分布来 估算 ；水准是指以全部随机变量联 合分布为基础的概率方法，其可将复杂 问题简单化，但在水工结构设计中应用 很少。目前，在水工结构可靠度设计方 法中，应用最广的是水准的近似概率 设计方法。 水工结构可靠度理论以极限状态 设计方法为基础，该方法在原有安全系 数设计方法的基础上发展的，目前的水 工结构可靠度设计方法的局限性较大， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 表现为结构承受抗力与作用参数，一般 被当作随机变量进行处理。 1.2 可靠度理论在水工结构中的 研究及其应用 工程可靠度理论在我国经过数十 年的发展和完善，在工程中应用领域不 断扩大，由于水工建筑物荷载和抗力子 样采集较为困难，尤其是某些现场试验 因花费昂贵而受到限制，所以它们的概 率特性还有待于深入研究。在可靠度计 算中，各个随机变量的分布特性对失效 概率影响较大，需要搜集大量的观测资 料和试验数据进行统计分析。可靠度理 论在水工结构中的应用主要包括：校核 水工结构的安全性、进行水工结构的设 计、预测水工结构的性能变化规律、水 工结构的质量控制决策等。由于水工结 构可靠度研究起步较晚，水利水电工程 技术复杂，影响因素甚多，荷载变化多 端水利水电工程的原始资料均因地而异， 变化无常；不允许对原型结构进行破坏 试验，实测资料缺乏等，因此要求地勘、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 施工、运行诸方面密切配合，科学地做 好原始数据的采集土作。 2 推广水工结构可靠度设计方法 面临的问题 2.1 变量的不确定 可靠度分析中，作用效应、抗力 以及极限状态方程的表达式等具有不确 定性，不确定性问题是应用可靠度设计 方法中的首要障碍。工程中的不确定性 可以分为：模糊性、随机性和未确知性。 用可靠度理论进行水工结构设计时，模 糊性主要体现在由于影响荷载、材料性 能、结构尺寸的因素较多而导致抗力和 效应的取值不精确；随机性体现在参数 在时空分布上的变异性；未确知性主要 体现在由于人们认知能力的不足从而在 进行复杂结构分析和计算时，只能采用 一些简化和等效的手段并在进行可靠性 分析时不得不采取一些假定和约束条件， 从而有意无意地省略某些本应考虑而又 难以处理的因素。 虽然模糊性、未认知性也可通过 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 隶属函数、逻辑树等方法定义主观概率 密度分布函数，统一按贝叶斯方法作概 率分析的一些研究，但缺乏客观性，目 前尚未在现行规范可靠度设计中应用。 可靠度计算结果同样受材料性能、抗力 等随机样本的影响，可靠度设计中的不 少基础问题尚未得到解决。此外，可靠 度计算结果受到作用和材料性能随机样 本的容量、质量及其统计方法、极限状 态方程的简化等因素的影响，可靠度设 计中的许多基础的问题尚需解决。 2.2 度量结构安全性的局限 在水工工程安全性评价中应用可 靠度理论，包括作用效应与抗力因素两 个内容，可靠度指标联合概率用样本统 计方法得到水工结构安全评价中的认知 性、模糊性等指标，可靠度设计只是针 对安全性评价中的作用效应和抗力中属 于随机性的不确定因素，以基于客观的 样本统计的概率理论和方法，求解综合 考虑其联合概率的可靠指标。大量数据 统计中如用概率可靠度理论，抗力与荷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 载统计，均存在很大问题，而从设计规 范较短看，荷载变化导致概率可靠度理 论简化，忽略理论因素。可靠度理论是 分析和度量结构安全性的一种先进手段， 但在应用上还有其局限性，理论本身也 有一些方面未能突破。水工地下结构荷 载与作用效应的耦合，其不确定性比荷 载要大，构件和荷载不确定性之和难以 估算。 3 程序研究 根据经验，检测和维修是确保工 程能够正常工作的重要的技术手段。水 运工程中多是大型工程，涉及范围广， 工作条件相对于其他类型的工程也要复 杂的多，所以对工程的程序设计的费用 往往是非常昂贵的。尽管现在在检测方 面实现了自动化，微机化，但是，这些 技术依旧有许多地方并不是能够立马发 现，一个结构工程可靠度问题的解决需 要三个子程序：用于 ANSYS 程序进行 结构计算的结构分析子程序、用于 ANSIS 程序进行敏度分析的优化子程序 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 以及用于拟合极限状态方程及可靠度指 标计算的通用子程序。 程序编制的难点主要是 Fortan 通 用子程序和 ANSIS 的调用问题和数据 交换问题。要解决这些难题需要理解通 用子程序和 ANSIS 的功能：ANSIS 是 进行结构计算和优化计算，需要结构计 算和优化计算的原始数据，然后传出可 靠度计算所需要的梯度数据和函数值； 通用子程序是通过命令 ANSYS 读入原 始数据进行结构计算和可靠度计算，再 传出梯度数据和函数值，然后通过本身 的计算传出验算点的计算数据，再命令 ANSIS 重新进行结构和优化计算，直至 得到可靠度结果。通用子程序将 ANSIS 作为子程序进行调用。其中前面的两个 子程序需结合不同的问题，用前述 ANSIS 的 APDL 语言编写；最后一个通 用子程序不会随问题的不同而改变。 4 结语 随着科学技术的发展，结构可靠 度理论也正在逐步完善，其应用范围已 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 经覆盖了工程设计的许多领域，在水利 工程中的应用仅是应用领域的一个方面。 在水工结构设计中推行以结构可靠度理 论，可以较好地对设计中的主要不定性 因素进行量化分析。在推广水工结构可 靠度设计方法的过程中，