橋梁結(jié)構(gòu)可靠度與安全評(píng)估課件

結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法與程序目錄結(jié)構(gòu)可靠度理論基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系可靠性優(yōu)化方法大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析方法基于體系可靠性的鋼桁梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大跨度PC斜拉橋體系可靠性評(píng)估展望1236457結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法與程序目錄結(jié)構(gòu)可靠度理論基于遺傳算法1.結(jié)構(gòu)可靠度理論結(jié)構(gòu)可靠性分析的必要性可靠度與規(guī)范一些基本概念結(jié)構(gòu)可靠度的研究方向1.結(jié)構(gòu)可靠度理論結(jié)構(gòu)可靠性分析的必要性目前主要采用有限元方法等確定性分析方法對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析，然而實(shí)際工程存在諸多隨機(jī)因素需要基于概率理論分析其可靠度。結(jié)構(gòu)的不確定性表現(xiàn)在：隨機(jī)性模糊性知識(shí)不完備性結(jié)構(gòu)可靠性分析的必要性目前主要采用有限元方法等確定性分析方法對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行安國外與可靠度相關(guān)的規(guī)范歐洲1994年EC4美國1985年ASCE7加拿大1997年CHBDC日本2000年可靠度與規(guī)范國內(nèi)與可靠度相關(guān)的規(guī)范工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50153-1992工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50153-2008公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GBT50283-1999國外與可靠度相關(guān)的規(guī)范可靠度與規(guī)范國內(nèi)與可靠度相關(guān)的規(guī)范結(jié)構(gòu)可靠性－安全、適用、耐久結(jié)構(gòu)可靠度－Pr可靠指標(biāo)－β失效概率－Pf=1-Pr=1-Φ(β)極限狀態(tài)方程－Z＝gX(x1,x2,…,xn)抗力和作用效應(yīng)－R、S隨機(jī)變量－F、σ、E、h

一些基本概念結(jié)構(gòu)可靠性－安全、適用、耐久一些基本概念結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法*結(jié)構(gòu)體系可靠度理論*結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠度理論結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度分析安全性評(píng)估*耐久性評(píng)估優(yōu)化設(shè)計(jì)*結(jié)構(gòu)可靠度的研究方向結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法*結(jié)構(gòu)可靠度的研究方向2.結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法與程序常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析的ANN－MC方法具有顯式功能函數(shù)的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算軟件復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析軟件2.結(jié)構(gòu)可靠度的分析方法與程序常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法分析方法FOSMMonte-CarloRSM驗(yàn)算點(diǎn)法直接抽樣法重要抽樣法方向抽樣法中心點(diǎn)法ANN改進(jìn)的響應(yīng)面法二次序列響應(yīng)面法BPRBFSVM常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法分析方法FOSMMonte-Carl中心點(diǎn)法驗(yàn)算點(diǎn)法常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法中心點(diǎn)法驗(yàn)算點(diǎn)法常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代有限元，采用MC對(duì)ANN抽樣Monte-CarloMethod常用的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法RSMANN將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代有限元，采用MC對(duì)ANN抽樣Monte-Car適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析的ANN－MC方法可靠度計(jì)算常用方法為一次二階矩法（FOSM），它只能解決功能函數(shù)為顯式的可靠度分析問題。然而，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為隱式，極限狀態(tài)曲面復(fù)雜程度較高，甚至無法得到其真實(shí)的函數(shù)表達(dá)式。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是模仿人腦工作方式而設(shè)計(jì)的一種機(jī)器，它可以在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上通過學(xué)習(xí)獲取知識(shí)并解決問題。目前主要用于模式識(shí)別、圖像處理、優(yōu)化控制和通信等領(lǐng)域。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到結(jié)構(gòu)可靠性分析領(lǐng)域，結(jié)合Monte-Carlo方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析。研究背景適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析的ANN－MC方法可靠度計(jì)算常用方法適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析的ANN－MC方法ANN-MC方法圖5ANN-MC思路流程圖圖6ANN-MC算法流程圖適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析的ANN－MC方法ANN-MC方法圖100組1000組10000組BPRBFSVM100組1000組10000組BPRBFSVMRBF網(wǎng)絡(luò)的擬合效果與原函數(shù)的對(duì)比圖9RBF網(wǎng)絡(luò)與原函數(shù)誤差RBF網(wǎng)絡(luò)的擬合效果與原函數(shù)的對(duì)比圖9RBF網(wǎng)絡(luò)與原函數(shù)適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析的ANN－MC方法若存在足夠的原始數(shù)據(jù)，那么神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)函數(shù)或某一映射關(guān)系的學(xué)習(xí)，并且能滿足一定的精度要求。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要人為設(shè)定隱含層及神經(jīng)元數(shù)量，在其數(shù)量一定時(shí)，隨學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的增加，其學(xué)習(xí)能力有限。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)學(xué)習(xí)過程中的誤差增加神經(jīng)元數(shù)量，其高斯基函數(shù)具有較好的非線性擬合能力，對(duì)較少的輸入數(shù)據(jù)具有較高的學(xué)習(xí)性能。其學(xué)習(xí)能力最優(yōu)SVM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試精度隨輸入數(shù)據(jù)的增加而增加。當(dāng)數(shù)據(jù)較小時(shí)，其學(xué)習(xí)能力優(yōu)于BP而次與RBF。其原因?yàn)椋涸诳煽慷确治鲋?，隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)大多為可靠數(shù)據(jù)，而界于失效與可靠間的數(shù)據(jù)較少，因此其支持向量的數(shù)量較少。但可以通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的調(diào)整而達(dá)到較好的效果。結(jié)論適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析的ANN－MC方法若存在足夠的原始數(shù)具有顯式功能函數(shù)的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算軟件具有顯式功能函數(shù)的結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算軟件復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析軟件復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠性分析軟件橋梁結(jié)構(gòu)可靠度與安全評(píng)估ppt課件橋梁結(jié)構(gòu)可靠度與安全評(píng)估ppt課件3.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析方法體系可靠性研究內(nèi)容改進(jìn)的響應(yīng)面法大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析結(jié)論3.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析方法體系可靠性研究內(nèi)容體系可靠性研究內(nèi)容尋找失效模式計(jì)算失效概率體系可靠性研究內(nèi)容尋找失效模式計(jì)算失效概率改進(jìn)的響應(yīng)面法步驟改進(jìn)的響應(yīng)面法步驟改進(jìn)的響應(yīng)面法算例分析改進(jìn)的響應(yīng)面法算例分析工程背景雅瀘高速公路C4標(biāo)段臘八斤特大橋?yàn)閬喼薜谝桓叨盏倪B續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑為105+200+200+105m，最高墩10號(hào)墩高183m。大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析工程背景雅瀘高速公路C4標(biāo)段臘八斤特大橋?yàn)閬喼薜谝桓叨盏倪B續(xù)分析步驟根據(jù)MIDAS/Civil有限元模型應(yīng)力分析結(jié)果選取主要失效模式。

運(yùn)用改進(jìn)的響應(yīng)面算法擬合出各失效模式功能函數(shù)。由可靠度計(jì)算器計(jì)算出各功能函數(shù)的可靠指標(biāo)及系數(shù)相關(guān)矩陣由窄界限算法估算出體系可靠指標(biāo)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析分析步驟根據(jù)MIDAS/Civil有限元模型應(yīng)力分析結(jié)果選取施工期體系可靠度分析大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析施工期體系可靠度分析大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析運(yùn)營期體系可靠度分析大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析運(yùn)營期體系可靠度分析大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋體系可靠性分析MATLAB語言是計(jì)算可靠度的得力平臺(tái)。通過其GUI功能編制計(jì)算器，解決了每次計(jì)算功能函數(shù)可靠度時(shí)繁瑣的編程問題，而且大大提高可靠度計(jì)算的效率，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度更深層次研究提供了保證。針對(duì)二次序列響應(yīng)面方法，在迭代回原功能函數(shù)前的一次線性插值方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后在相同的精度條件下，能夠減少迭代次數(shù)，同時(shí)也減少了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元的運(yùn)行次數(shù)，能夠較快地?cái)M合功能函數(shù)。本文所采用的針對(duì)實(shí)際工程的體系可靠度分析方法切實(shí)可行。通過建立連續(xù)剛構(gòu)橋梁的有限元模型，進(jìn)行了施工過程仿真分析。選取穩(wěn)定性、壓應(yīng)力和拉應(yīng)力失效的三類失效模式，把響應(yīng)面法與結(jié)構(gòu)仿真分析程序相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)剛構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)體系可靠度的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明最大懸臂狀態(tài)的主要失效模式為為處底板的壓應(yīng)力失效，運(yùn)營期體系可靠指標(biāo)較施工期大。結(jié)論MATLAB語言是計(jì)算可靠度的得力平臺(tái)。通過其GUI功能編制4.基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系可靠性優(yōu)化方法研究目的、意義和內(nèi)容分析方法步驟關(guān)鍵內(nèi)容算例分析結(jié)論4.基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系可靠性優(yōu)化方法研究目的、研究目的、意義和內(nèi)容研究目的：在保證結(jié)構(gòu)在隨機(jī)因素作用下體系安全性的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省材料的目的。研究意義:1.考慮構(gòu)件制作誤差和荷載的變異性等隨機(jī)因素時(shí)，確定性的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證其可靠性，需要引入可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.工程結(jié)構(gòu)一般是高次超靜定結(jié)構(gòu)，失效歷程有明顯的變化，構(gòu)件層次的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)不能保證結(jié)構(gòu)整體的可靠性，需要基于體系可靠性對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。內(nèi)容：為保證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的體系可靠性，從體系可靠度的角度出發(fā)，以目標(biāo)體系可靠指標(biāo)為約束條件，考慮多個(gè)失效模式的失效歷程及其相關(guān)性，提出體系可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法首先由RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射出隨機(jī)變量與結(jié)構(gòu)受力關(guān)系，采用MCM得出各失效模式的可靠指標(biāo)。然后由β約界法構(gòu)件結(jié)構(gòu)失效樹，從而得出結(jié)構(gòu)的體系可靠指標(biāo)。最后以選取的目標(biāo)體系可靠指標(biāo)為約束條件，以罰函數(shù)的方式引入遺傳算法，在MATLAB平臺(tái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)十桿桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。研究目的、意義和內(nèi)容研究目的：在保證結(jié)構(gòu)在隨機(jī)因素作用下體系分析方法流程分析方法流程關(guān)鍵內(nèi)容關(guān)鍵內(nèi)容算例分析算例分析算例分析參數(shù)選取算例分析參數(shù)選取算例分析結(jié)果分析圖6遺傳算法迭代過程圖圖7不同變異系數(shù)和目標(biāo)體系可靠指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果算例分析結(jié)果分析圖6遺傳算法迭代過程圖圖7不同變異系結(jié)論本文提出了基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的體系可靠性優(yōu)化方法，并應(yīng)用于十桿平面桁架的優(yōu)化分析，得出以下結(jié)論：采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法求解具有隱式功能函數(shù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的體系可靠度，然后將體系可靠度通過罰函數(shù)的方式引入到個(gè)體適應(yīng)度計(jì)算中，通過遺傳算法可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系可靠性優(yōu)化。十桿平面桁架算例表明：傳統(tǒng)確定性優(yōu)化的結(jié)果偏于危險(xiǎn)，構(gòu)件層次可靠性優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的體系可靠指標(biāo)偏低，本文提出的體系可靠性優(yōu)化結(jié)果能夠保證結(jié)構(gòu)體系可靠性。隨著目標(biāo)體系可靠指標(biāo)和變異系數(shù)的增大，其對(duì)優(yōu)化結(jié)果影響越大。結(jié)論本文提出了基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的體系可靠性優(yōu)化方法，并5.基于體系可靠性的鋼桁梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程概況設(shè)計(jì)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的體系可靠性分析MATLAB聯(lián)合ANSYS實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法優(yōu)化參數(shù)與結(jié)果分析結(jié)論5.基于體系可靠性的鋼桁梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工程概況工程概況工程概況設(shè)計(jì)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的體系可靠性分析設(shè)計(jì)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的體系可靠性分析MATLAB聯(lián)合ANSYS實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法均勻設(shè)計(jì)采用DPS軟件生成U1003的均勻設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),MATLAB軟件生成隨機(jī)變量上下限范圍內(nèi)均勻數(shù)據(jù)，并按均勻設(shè)計(jì)組合，寫入EXCEL文件MATALB調(diào)用ANSYSfid1=fopen('ghl_ansys.txt','w');fprintf(fid1,'*vwrite,sig12');!"C:\ProgramFiles\ANSYSInc\v140\ansys\bin\winx64\ANSYS140"-b-iD:\ansys\c\data_100\ghl_ansys.txt-oD:\result.outload('out_lu.txt')神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)net=newrb(inputn_train,outputn_train)遺傳算法[x,endPop,bPop,traceInfo]=gaot_ga(bounds,evalFN,evalOps,startPop,[],termFN,termOps)MATLAB聯(lián)合ANSYS實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)與結(jié)果分析優(yōu)化參數(shù)與結(jié)果分析優(yōu)化參數(shù)與結(jié)果分析優(yōu)化參數(shù)與結(jié)果分析結(jié)論本文建立鋼桁梁結(jié)構(gòu)體系可靠性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提出了適用于鋼桁梁結(jié)構(gòu)的體系可靠性優(yōu)化方法，并對(duì)某懸索橋鋼桁梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了體系可靠性優(yōu)化分析，主要得出以下結(jié)論：某懸索橋鋼桁梁結(jié)構(gòu)的主要失效模式為縱、橫梁的抗彎失效和腹桿屈曲失效，初失效狀態(tài)表現(xiàn)為壓桿的屈曲失效，最終失效狀態(tài)表現(xiàn)為縱橫梁跨中彎曲失效。適當(dāng)減小某懸索橋鋼桁梁結(jié)構(gòu)縱、橫梁截面尺寸，并增加腹桿的剛度，可以使結(jié)構(gòu)重量減小，而體系可靠度與原結(jié)構(gòu)相同。結(jié)論本文建立鋼桁梁結(jié)構(gòu)體系可靠性優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，提出了適用于鋼6.大跨度PC斜拉橋體系可靠性評(píng)估工程概況設(shè)計(jì)鋼桁梁結(jié)構(gòu)的體系可靠性分析MATLAB聯(lián)合ANSYS實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法優(yōu)化參數(shù)與結(jié)果分析結(jié)論6.大跨度PC斜拉橋體系可靠性評(píng)估工程概況模型修正與損傷識(shí)別選取模型修正參數(shù)前應(yīng)進(jìn)行靈敏度分析；修正參數(shù)主要包括：E,I,W；動(dòng)態(tài)響應(yīng)準(zhǔn)則：自振頻率、模態(tài)振形、模態(tài)曲率；靜態(tài)響應(yīng)準(zhǔn)則：局部敏感、準(zhǔn)確定位、剛度矩陣；采用遺傳算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)：以待修正參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值殘差之各為目標(biāo)函數(shù)，模型修正與損傷識(shí)別選取模型修正參數(shù)前應(yīng)進(jìn)行靈敏度分析；PC斜拉橋失效模式大跨度PC斜拉橋的超靜定次數(shù)較高，主要失效模式尋找非常非難。實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)下的安全評(píng)估一般選取關(guān)鍵截面和構(gòu)件進(jìn)行可靠度分析。失效類型一般有：單根拉索強(qiáng)度失效：Z=Aσ-T,失效后刪除單元主梁跨中位移失效：Z=L/500-Y，體系失效主梁抗彎失效：Z=yσ/I-M，失效后形成塑性鉸索塔抗彎失效：Z=yσ/I-M，失效后形成塑性鉸PC斜拉橋失效模式大跨度PC斜拉橋的超靜定次數(shù)較高，主要失效某PC斜拉橋的體系可靠性評(píng)估某PC斜拉橋跨徑組合為200+420+200m，結(jié)構(gòu)體系為塔墩梁固結(jié)體系。橋面寬30m，雙向四車道，公路-I級(jí)荷載工程概況某PC斜拉橋的