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钢结构体系稳定问题的可靠性研究

2020-04-28 10:06:03

实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响,与理想结构存在差异。对于缺陷敏感性结构,缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降,所以有必要考虑随机参数的影响,引入可靠度分析方法,进行稳定问题的可靠性研究。由于大跨度钢结构体系的可靠性研究涉及较多的力学和数学的知识,有一定难度,目前这方面的研究成果有限。 


结构分析中的不确定性因素来源影响钢结构体系稳定性的不确定性的基本变量许多是随机的,一般分为三类:


(1)物理、几何不确定性:如材料(弹性模量,屈服应力,泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。

(2)统计的不确定性:在统计与稳定性有关的物理量和几何量时,总是根据有限样本来选择概率密度分布函数,因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性,是由于缺乏信息造成的。

(3)模型的不确定性:为了对结构进行分析,所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素,所导致的理论值与实际承载力的差异,都归结为模型的不确定性。


结构的可靠性研究国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究,在可靠度计算方法及复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果。任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能一安全性、使用性、耐久性由于不确定性的存在,就需要把这些不确定性加入工程设计中,从而产生了很多可靠度方法。为了估计结构可靠度,首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关系,这种关系又称功能函数。把极限状态(或失效面)定义为Z0,则描述可靠度的参数可靠性指标定义为坐标原点到失效面的最小距离目前用于可靠性指标计算一般有两种方法:一次可靠度方法和二次可靠度方法。惠州钢结构工程


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目前用于结构可靠度分析的数值方法评述对于复杂结构,功能函数g(x)通常不能明确表达为输入随机变量的函数,结构的响应通常通过数值方法(如有限元)来计算。这些数值方法一般分为三类:

(1)蒙特卡罗模拟法(包括高效的取样法和方差缩减技术);

(2)响应面法

(3)基于敏感性的分析方法


(1)蒙特卡罗模拟法:

蒙特卡罗模拟法的基本思想是在进行每一次确定性分析之前随机产生一组输入变量,大量重复的进行确定性分析之后,对结构的响应输出参数进行统计分析,计算出结构的可靠性。把蒙特卡罗模拟法与有限元法结合起来,就得到蒙特卡罗有限元法。通常把蒙特卡罗有限元法作为可靠度计算的相对精 确解,但要达到较高的精度,必须取足够的样本数,因此计算工作量相当浩大。  


(2)响应面法:

响应面法的基本思想是通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式来表达隐式功能函数 g(x)(一次或二次多项式),其中X是包含所有荷载和抗力的随机变量的一个向量。本质上来说,响应面法是一套统计方法,用这种方法来寻找考虑了输入变量值的变异或不确定性之后的响应最 佳值。而失效概率通过一次或二次可靠度方法计算。在响应面法中,对于一个具有大量随机变量的问题来说,准确构造一个近似多项式的所需的确定性分析是相当巨大的,因此这种方法很耗时。即使对于一个具有少量随机变量的问题来说,响应面法对可靠度估计的准确性与功能函数的近似多项式的准确性有关。如果隐含型的功能函数具有很强的非线性,这种函数逼近是非常近似的,可靠度估计也是非常近似的。


(3)基于敏感性的分析方法:

基于敏感性的分析法和一次可靠度方法/二次可靠度方法结合起来分析具有隐式型的功能函数的可靠性问题,能克服蒙特卡罗模拟法和响应面法的缺点。这种方法在寻找控制点(也叫最小距离点)过程中,每一步迭代所使用的信息都是功能函数的真实值和真实梯度,并使用优化方法使控制点收敛于最小距离点,同蒙特卡罗模拟法和响应面法相比,它耗时小,也比响应面法更准确。另外,基于敏感性的分析方法能够从设计的角度知道结构响应对基本随机变量的敏感性。

从而有可能基于随机变量的不确定性和它们对结构特性的影响得出不同随机变量的不同设计安全系数。基于敏感性的分析方法也可以在不影响计算准确性的条件下,忽略那些对结构可靠性影响不大的随机变量,从而节省计算时间。基于敏感性的分析方法中可以使用迭代摄动分析技术,并和有限元法结合起来产生所谓的随机有限元法。这种使用迭代摄动技术的随机有限元法可用来进行结构的非线性分析。


(4)钢结构体系稳定性的可靠性研究方法:

随机有限元法为钢结构体系稳定性的可靠性研究提供了强有力的分析手段,由于随机有限元能够考虑实际结构存在各种各样的随机性因素的影响,所以可以预计随机有限元法在这一研究领域将会有良好的应用前景。


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