桥梁结构可靠度与安全评估ppt课件.ppt
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1、结构可靠度的分析方法与程序结构可靠度的分析方法与程序目目 录录结构可靠度理论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基于体系可靠性的钢桁梁结构优化设计大跨度大跨度PCPC斜拉桥体系可靠性评估斜拉桥体系可靠性评估展望展望12364571.1.结构可靠度理论结构可靠度理论 结构可靠性分析的必要性结构可靠性分析的必要性 可靠度与规范可靠度与规范 一些基本概念一些基本概念 结构可靠度的研究方向结构可靠度的研究方向目目前主要采用有限元方法
2、等确定性分析方法对大跨度桥梁结构进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可靠度。结构的不确定性表现在:结构的不确定性表现在:随机性随机性模糊性模糊性知识不完备性知识不完备性结构可靠性分析的必要性结构可靠性分析的必要性l 国外与可靠度相关的规范国外与可靠度相关的规范欧洲欧洲 19941994年年EC4EC4美国美国 19851985年年ASCE7ASCE7加拿大加拿大 19971997年年CHBDCCHBDC日本日本 20002000年年可靠度与规范可
3、靠度与规范l 国内与可靠度相关的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工程结构可靠性设计统一标准GB50153-1992GB50153-1992工程结构可靠性设计统一标准工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008GB50153-2008公路工程结构可靠度设计统一标准公路工程结构可靠度设计统一标准GBT GBT 50283-199950283-1999l 结构可靠性安全、适用、耐久结构可靠性安全、适用、耐久l 结构可靠度结构可靠度P Pr rl 可靠指标可靠指标l 失效概率失效概率P Pf f=1-P=1-Pr r=1-=1-()()l 极限状态方程极限状态方程Z Zg g
4、X X(x(x1 1,x,x2 2,x,xn n) )l 抗力和作用效应抗力和作用效应R R、S Sl 随机变量随机变量F F、E E、h h 一些基本概念一些基本概念l 结构可靠度计算方法结构可靠度计算方法* *l 结构体系可靠度理论结构体系可靠度理论* *l 结构时变可靠度理论结构时变可靠度理论l 结构动力可靠度分析结构动力可靠度分析l 安全性评估安全性评估* *l 耐久性评估耐久性评估l 优化设计优化设计* *结构可靠度的研究方向结构可靠度的研究方向2.2.结构可靠度的分析方法与程序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适
5、用于复杂结构可靠性分析的ANNANNMCMC方法方法 具有显式功能函数的结构可靠度计算软件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复杂结构可靠性分析软件常用的结构可靠度分析方法常用的结构可靠度分析方法分析方法分析方法FOSMFOSMMonte-CarloMonte-CarloRSMRSM验算点法验算点法直接抽样法直接抽样法重要抽样法重要抽样法方向抽样法方向抽样法中心点法中心点法ANNANN改进的响应面法改进的响应面法二次序列响应面法二次序列响应面法BPBPRBFRBFSVMSVMl 中心点法中心点法l 验算点法验算点法PRSP*jc常用的结构可靠度分析方法常用的结构可靠度分
6、析方法RS响应面极限状态曲面P*将神经网络替代有限元,采用将神经网络替代有限元,采用MCMC对对ANNANN抽样抽样l Monte-Carlo MethodMonte-Carlo Method常用的结构可靠度分析方法常用的结构可靠度分析方法l RSMRSMl ANNANN适用于复杂结构可靠性分析的适用于复杂结构可靠性分析的ANNANNMCMC方法方法1.1. 可靠度计算常用方法为一次二阶矩法(可靠度计算常用方法为一次二阶矩法(FOSMFOSM),它只能解决功),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
7、,极限状态曲面复杂程度较高,甚至无法得到其真实的函数为隐式,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。表达式。2.2. 人工神经网络(人工神经网络(ANNANN)是模仿人脑工作方式而设计的一种机器,)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,结合到结构可靠性分析领域,结合Monte-CarloMonte-Carlo方法可以实现复杂结构
8、可方法可以实现复杂结构可靠性分析。靠性分析。l 研究背景研究背景适用于复杂结构可靠性分析的适用于复杂结构可靠性分析的ANNANNMCMC方法方法l ANN-MCANN-MC方法方法生成训练、测试数据 训练神经网络 测试网络精度 MC 对随机变量抽样 输入 net 生成测试输出数据 找出0 的个数 用 unifnrd 生成各变量3 ,3 随机数 用 minmax 对随机数归一化处理 用 newff、newrb、svmtrain 命令训练 用 normrnd 生成 100 万个服从随机变量分布的随机数 用 Sim、svmpredict 命令输出随机数结果 用 minmax 对结果反归一化处理 用
9、find 找出0 的位置和个数 计算值 用 norminv 输出值 图图5 ANN-MC思路流程图思路流程图图图6 ANN-MC算法流程图算法流程图1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93测 试 次 数BP方法的100组数据测试结果所用时间:11s;=2.5303;=0.12786 BP测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93测 试 次 数BP方法的1000组数据测试结果所用时间:25s;=2.5589;=0.071585 BP测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.
10、72.82.93timesSVM方法的1000组数据测试结果所用时间:18s;=2.5691;=0.027175 SVM测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93timesSVM方法的100组数据测试结果所用时间:8s;=2.6062;=0.17921 SVM测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93times;=2.5324;=0.011311RBF方法的100组数据测试结果所用时间:28s RBF测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93测
11、试 次 数BP方法的10000组数据测试结果所用时间:112s;=2.5523;=0.069683 BP测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93timesSVM方法的10000组数据测试结果所用时间:52s;=2.5482;=0.0084673 SVM测试值精确值1234567891022.12.22.32.42.52.62.72.82.93times;=2.5315;=0.0175RBF方法的1000组数据测试结果所用时间:128s RBF测试值精确值100组组1000组组10000组组BPRBFSVMlRBF网络的拟合效果与原函数的对比图
12、图9 RBF网络与原函数误差网络与原函数误差适用于复杂结构可靠性分析的适用于复杂结构可靠性分析的ANNANNMCMC方法方法1.1. 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。射关系的学习,并且能满足一定的精度要求。2.2. BPBP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。时,随学习数据的增加,其学习能力有限。3.3. RBFRBF神经网络能够根据学习过程中的误差增加神经元数量,其高神
13、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。其学习能力最优的学习性能。其学习能力最优4.4. SVMSVM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,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,其学习能力优于其学习能力优于BPBP而次与而次与RBFRBF。其原因为:在可靠度分析中,随机生。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
14、量的数量较少。但可以通过对测试数据的调整而达到较好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。的效果。l 结论结论具有显式功能函数的结构可靠度计算软件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复杂结构可靠性分析软件3.3.大跨度连续刚构桥体系可靠性分析方法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体系可靠性研究内容 改进的响应面法改进的响应面法 大跨度连续刚构桥体系可靠性分析大跨度连续刚构桥体系可靠性分析 结论结论体系可靠性研究内容体系可靠性研究内容l 寻找失效模式寻找失效模式l 计算失效概率计算失效概率改进的响应面法改进的响应面法l 步骤步骤
15、改进的响应面法改进的响应面法l 算例分析算例分析l 工程背景工程背景雅泸高速公路雅泸高速公路C4C4标段腊八斤特大桥为亚洲第一高墩的标段腊八斤特大桥为亚洲第一高墩的连续刚构桥,跨径为连续刚构桥,跨径为105+200+200+105m105+200+200+105m,最高墩,最高墩1010号号墩高墩高183m183m。 大跨度连续刚构桥体系可靠性分析大跨度连续刚构桥体系可靠性分析l 分析步骤分析步骤根据根据MIDAS/CivilMIDAS/Civil有限元模型应力分析结果选取主要失效模式。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。运用改进的响应面算法
16、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大跨度连续刚构桥体系可靠性分析l 施工期体系可靠度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大跨度连续刚构桥体系可靠性分析l 运营期体系可靠度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大跨度连续刚构桥体系可靠性分析lMATLABMATLAB语言是计算可靠度的得力平台。通过其语言是计算可靠度的得力平台。通过其GUIGUI功能编制计算器,解决功能编
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