结构动力抗震可靠度理论的研究进展

从状态变量模型、基本变量模型和实用简化模型3个方面,对结构动力抗震可靠度理论的研究进展系统地进行了总结与评述.针对状态变量模型,结合随机振动理论,将随机振动分析方法分为两类:第1类是面向数字特征的方法,主要解决结构的随机反应从基本随机变量空间到状态变量空间的统计矩演化问题;第2类是面向概率密度的方法,主要解决结构的随机反应从基本随机变量空间到状态变量空间的概率密度演化问题.分别评述了两类方法中的代表性方法:等价线性化方法和概率密度演化方法.针对基本变量模型,分别总结了考虑系统参数随机性的结构动力抗震可靠度分析方法,以及将动力可靠度问题转化为静力可靠度问题的理论和方法,对近年来提出的尾部等效线性化方法、子集模拟法、等价极值法等进行了对比分析.针对实用简化模型,总结评述了3种方法:基于随机地震动模拟-确定性时程分析的直接方法、基于一致危险性反应谱和等效非线性体系的简化方法、基于可靠度简化解析表达式与数值模拟的半解析方法.最后,对新近提出的结构整体抗震可靠度理论及其存在的问题进行了归纳分析,并从地震作用的输入模型、主要失效模式的搜索、结构的破坏准则、结构失效模式的多重性、结构的整体极限状态方程等方面给出了研究建议.      

以振制震——上部结构反馈力的利用

利用上部结构,等效模拟TMD(Tuned Mass Damper调谐质量阻尼器)作用,讨论了上部结构对下部结构的反馈作用。对于建筑结构在地震作用下,可减轻下部主体结构地震破坏程度,从而提供一种经济、实用的减震的方法。     

随机车流作用下斜拉桥主梁位移首超动力可靠度研究

将随机车流模型在桥梁工程的确定性分析扩展至建立动力响应的概率模型,提出了基于位移首超破坏准则的随机车流作用下斜拉桥主梁位移首超动力可靠度分析方法。某大跨度斜拉桥在车辆荷载作用下主梁跨中位移的数值分析结果表明了该方法的适用性。研究结果表明:随机车流模型包含了车辆的概率分布特征,结合桥梁的有限元数值分析可建立桥梁动力响应的概率分布模型;随机车流作用下斜拉桥的位移响应为非零均值的高斯平稳随机过程,符合基于首超准则的Possion分布假定;车辆荷载作用下斜拉桥位移首超失效事件主要是由于密集运行车辆导致,密集运行车辆的占有率对桥梁动力可靠度影响显著。     

大跨度拱桥减震分析

以西藏尼木大桥为研究对象,结合该桥型特点,采用大型通用软件对其进行了模态分析和动力计算.通过模拟地震响应得到该桥的反应特性,由此采用调谐质量控制器(TMD)对该桥进行受控分析.采用振型贡献率确定受控模态,在获取TMD系统的优化参数后将其模拟入有限元模型中,并最终通过时程分析验证了TMD运用于拱桥被动减震控制的有效性.     

大跨度拱桥减震分析

以西藏尼木大桥为研究对象,结合该桥型特点,采用大型通用软件对其进行了模态分析和动力计算.通过模拟地震响应得到该桥的反应特性,由此采用调谐质量控制器(TMD)对该桥进行受控分析.采用振型贡献率确定受控模态,在获取TMD系统的优化参数后将其模拟入有限元模型中,并最终通过时程分析验证了TMD运用于拱桥被动减震控制的有效性.     

可靠度理论在公路沥青路面设计中应用的探讨

主要介绍了以可靠度理论为基础的概率极限状态设计法作为沥青路面结构设计的原则,阐述了路面结构可靠度设计指标的概率分布及统计参数的变异性分析;并分析沥青路面结构可靠度设计计算方法.     

随机地震激励下高墩桥梁碰撞可靠度分析

为了研究不同地震动强度作用下高墩桥梁的碰撞可靠度的不同,在频域范围内提出了一种以虚拟激励法为基础的动力可靠度计算方法,依托某高墩大跨度桥梁为工程背景,分析了高墩桥梁在不同地震强度下的碰撞可靠度.选择反应谱的水平加速度作为地震强度衡量指标,且将不同强度指标的反应谱转化为相应的功率谱;利用虚拟激励法求解随机振动方程,得到结构响应的均值与均方差值,再基于Davenport理论获得结构峰值响应的期望和标准差;根据首次超越理论计算梁体碰撞可靠度.研究表明:地震动加速度小于0.22g时,梁体之间不发生碰撞,动力可靠度为1.0;加速度大于0.22g时,梁体碰撞动力可靠度下降明显,即在强震作用下,梁体发生碰撞.      

两阶段耗能屈曲约束支撑体系减震效果分析

为解决高烈度区常规屈曲约束支撑减震体系地震作用较大,结构抗震性能欠佳的问题,提出同时采用普通型和早耗能型屈曲约束支撑的两阶段减震体系.结合高烈度区工程算例,以小震时结构具有相同侧向变形为原则,分别设计了常规屈曲约束支撑体系和两阶段耗能支撑体系,并采用SAP2000建立相应的数值模型.结合模态、小震下的反应谱、弹性时程和大震下的弹塑性时程对两阶段耗能屈曲约束支撑减震体系的减震效果进行了分析.结果表明,同常规屈曲约束支撑减震体系相比,两阶段耗能屈曲约束支撑减震体系的刚度降低,地震作用显著减小,塑性铰的发展得到推迟,而且屈曲约束支撑的出力显著减小,结构整体的抗震性能明显提高.      

摄动结构中基于H∞范数的调液阻尼器减震优化设计

为了减小建筑结构在地震作用下的振动,对调液柱型阻尼器的质量比、频率比和阻尼比进行优化设计.以5层框架建筑结构为例,考虑结构参数的摄动,将优化目标设为地震动到结构动力响应传递函数的H∞范数,得到调液柱型阻尼器最优质量比、频率比和阻尼比的数值分别为0.022 801、0.909 070和0.098 655.采用此最优值,对控制体系的鲁棒性进行验证.结果表明:在频域和时域内,控制系统在地震动作用下对结构参数摄动均具有良好的鲁棒性;当系统的质量、阻尼和刚度的最大摄动量分别达到30%时,系统仍能保持7%以上的减震水平.      

基于拟不可积哈密顿理论的桥梁动力可靠度计算

为提高铁路桥梁动力可靠度计算的效率,考虑结构非线性,基于振型空间,导出了铁路桥梁动能和势能的表达式,进而根据拟Hamilton系统理论确定铁路混凝土桥梁的广义动量、广义速度、Hamilton函数及拟Hamilton系统方程.只考虑横向位移和扭转位移,导出了铁路混凝土桥梁的拟不可积Hamilton系统方程,得到条件可靠度函数应满足的后向Kolmogorov方程及其定量边界、初值条件,并用中心差分法求解该方程.以实际铁路桥梁为算例,用上述方程求解其在列车荷载作用下的动力可靠度.研究结果表明:非线性桥梁结构的动力可靠度和概率密度峰值随桥梁初始能量增大而减小,随桥梁临界能量增大而增大;不同跨度桥梁的分析结果与实际情况相符,说明基于拟不可积Hamilton系统理论计算铁路桥梁的非线性动力可靠度是可行的.      

Stochastic optimal control for first-passage failure of nonlinear oscillators with multi-degrees-of-freedom

To enhance the reliability of the stochastically excited structure,it is significant to study the problem of stochastic optimal control for minimizing first-passage failure.Combining the stochastic averaging method with dynamical programming principle,we study the optimal control for minimizing first-passage failure of multidegrees-of-freedom（MDoF）nonlinear oscillators under Gaussian white noise excitations.The equations of motion of the controlled system are reduced to time homogenous difusion processes by stochastic averaging.The optimal control law is determined by the dynamical programming equations and the control constraint.The backward Kolmogorov（BK）equation and the Pontryagin equation are established to obtain the conditional reliability function and mean first-passage time（MFPT）of the optimally controlled system,respectively.An example has shown that the proposed control strategy can increase the reliability and MFPT of the original system,and the mathematical treatment is also facilitated.     

城市轨道交通牵引变电所继电保护可靠性评估

为了掌握城市轨道交通牵引变电所继电保护可靠性,寻找继电保护系统薄弱环节,为故障排查提供指导,进行城市轨道交通牵引变电所继电保护可靠性评估研究. 首先针对城市轨道交通牵引变电所继电保护系统特点,确定可靠性指标;其次根据系统构成及其故障模式,建立继电保护装置故障树模型以及不同配置方案的保护系统故障树模型;最后考虑微机自检功能,基于马尔科夫理论及蒙特卡洛方法,仿真计算城市轨道交通牵引变电所继电保护可靠性指标. 研究结果表明:方法能够获取丰富的可靠性指标,进行牵引变电所继电保护可靠性评估,从而识别系统薄弱环节;自检率为0.9时,继电保护装置误动故障概率占装置故障概率比例高出拒动故障17.93%,装置误动及拒动自检成功率分别为86.09%与74.37%,保护装置可用度为99.88%;后备保护能够降低保护系统拒动概率,但由其误动造成的保护系统误动占比30%～50%,因此,在选用保护配置时需要考虑保护误动风险影响.      

基于KDE及Markov的高速列车传动系振动评价及可靠性分析

为研究高速列车运行过程中传动系的振动情况及可靠性，对CRH3型高速列车传动系关键部件的振动加速度数据进行实车采集，采用核密度估计（KDE）法对采集数据统计处理，得出各关键部件在各方向上振动响应的概率密度函数近似曲线，据此对传动系的关键部件进行振动评价；通过MATLAB计算各关键部件振动加速度的最优置信区间；对传动系及传动系的关键部件定义“安全”和“故障”两种状态，建立关键部件的威布尔比例失效率模型及传动系的Markov状态转移模型，以传动系当前状态为初始状态，基于实时故障率及维修率分析传动系可靠性的变化. 研究结果表明:传动系中轴箱轴承、齿轮箱以及电机轴承的垂向振动最强，振动加速度集中分布在25倍、20倍、10倍重力加速度范围内，概率99.75%的均方差值分别在20.5026倍、17.6712倍、11.4693倍重力加速度内；计算得到各关键部件振动加速度概率为99.75%的最优置信区间，为系统的振动监测阈值优化及故障评估提供参考；故障率及维修率是影响传动系统状态概率的关键因素，当故障率增加30%时，系统的状态概率约下降10%，当维修率由0.05提升至0.10时，可使系统的可靠性提高20%.      

Risk-identification-based hybrid method for estimating the system reliability of existing jacket platforms under fire

This paper proposes a risk-identification-based hybrid method for estimating the system reliability of steel jacket structures under fire.The proposed method starts with risk identification;according to the results of hazard identification and Dow’s fire and explosion index(F&EI) methodology,the most dangerous hazard sources are determined.In term of each equipment layout in steel jacket structures,fire load is imposed and elasto-plastic analysis is performed.According to the deformed state of steel jacket structures,the weakest failure mode of steel jacket structures is identified.In order to know the effect on ultimate bearing capacity of the offshore structural system,a series of elasto-plastic analyses are performed in which single failure element contained in the weakest failure mode is removed from the whole offshore platform structural system.Finally,the failure function of the steel jacket structure is generated and the failure probability of the steel jacket structure system is estimated under fire by genetic algorithm via MATLAB program.     

基于变分模态分解和奇异值分解的结构模态参数识别方法

为了准确获得结构的固有频率、阻尼比与振型, 将变分模态分解与奇异值分解相结合, 提出一种新的结构模态参数识别方法; 基于已有时频参数识别方法, 根据测量的脉冲激励与加速度响应估计系统的频响函数, 对系统的频响函数进行反傅里叶变换得到脉冲响应函数; 对各测点的脉冲响应函数进行变分模态分解, 得到与结构固有频率对应的本征模态分量; 提取本征模态分量的固有频率, 利用与固有频率相近的本征模态分量作为行向量构造奇异值分解矩阵, 对所构矩阵做奇异值分解, 利用最大奇异值重构左、右奇异值向量, 识别结构的振型、固有频率和阻尼比; 通过四自由度质量-弹簧-阻尼模态仿真试验和车体横梁锤击模态试验, 验证了所提出的模态参数识别方法的有效性。研究结果表明: 在四自由度理论模型参数识别中, 系统固有频率和阻尼比的识别结果与理论计算结果的最大相对误差分别不超过0.025%和1.490%, 理论计算与识别的1~4阶振型的模态置信度分别为0.999、1.000、0.999和0.999;在车体横梁锤击模态试验中, 提出方法识别的固有频率和阻尼比与理论计算结果的最大相对误差分别不超过1.57%和1.47%, 且车体横梁的理论振型与识别振型趋势相同。可见, 提出的方法能有效识别结构的模态参数。      

圬工拱桥承载力可靠度分析

针对拱式桥结构体系中的主要受力构件 拱肋进行分析,借鉴拱桥设计中的"五点重合法"确定研究截面,并对该截面进行不利布载.对每一种荷载布置型式,采用荷载增量法进行拱桥结构失效模式的寻找和截面抗力的计算.给出其承载力可靠度功能函数,推导功能函数中结构抗力和作用效应概率模型,并利用改进的一次二阶矩法计算圬工拱桥承载力可靠度指标评估值.最后给出实桥验证算例.     

转向架构架载荷谱频域校准与建立方法

分析了时域内准静态载荷-应力传递关系, 以载荷间互谱密度的参数作为载荷耦合作用的表征量, 基于多轴频域疲劳基本理论推导了频域内等效应力的表达式; 得到了与多轴加载等效的分立载荷系的表达式; 为保证载荷谱计算损伤可以覆盖线路实测损伤, 以应力信号自功率谱密度的0阶谱矩作为表征损伤的参量, 约束载荷对测点损伤的贡献占比, 根据损伤一致性原则, 采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法进行载荷校准; 对国内某型地铁转向架构架进行线路测试, 获得了载荷和应力数据, 并进行了数据分析。研究结果表明: 载荷系中构架横向载荷的线路实测方差最大, 为5.08, 电机横向载荷方差最小, 为0.02;频域内考虑载荷耦合效应的损伤校准精度为1.08×10-5, 而采用时域分立谱的损伤校准精度为2.91×10-3, 频域法比时域法的校准精度提高了99.63%;频域内考虑耦合作用的载荷校准系数的综合调整倍数为31.81, 相比时域内采用分立谱校准系数的调整倍数下降了41.71%, 频域法的系数调整最大倍数为6.99, 时域法为15.68, 前者比后者降低了55.42%。可见: 频域内考虑载荷耦合作用的校准方法在误差精度上要优于时域内采用分立谱的校准方法; 频域法的系数调整比例的分散度低于时域法, 校准载荷更接近实测载荷, 校准结果可信度高; 由于校准过程中考虑了载荷间的关联性, 研究得到的载荷系可同时应用于试验台多轴加载以及仿真独立加载, 实现了2种加载方式的统一, 为构架载荷谱的建立方式提出了新思路。      

Nataf变换的桥梁系统多维地震易损性分析方法

在多维性能极限状态理论框架下,考虑桥梁各构件地震响应参数相关性,引入Nataf变换,提出了改进的桥梁系统多维地震易损性分析方法;以一座三跨V撑连续梁桥为例,利用OpenSees软件建立桥梁系统非线性动力分析模型,从美国太平洋地震研究中心强震数据库中选取20条地震波进行增量动力分析,并获得桥梁结构在地震作用下的最大响应样...     

失效相关的道路网络系统连通可靠度向量

应用可靠度向量分析方法,研究了具有中介状态的失效相关的城市道路网络系统的连通可靠性.把具有“安全—中介—失效”3种运营状态的单元或系统转化为“安全—非安全”和“非失效—失效”两种工作状态模式来求解路网安全概率和失效概率,从而计算出中介概率.通过实例研究了节点具有可靠度向量的分析方法,又分析了失效相关系数对系统的影响.发现相关失效对道路网系统的可靠度向量影响很大,要提高可靠度的话必须尽可能的降低相关程度,就需要尽量降低破坏事件对周边影响的扩大,减少受影响路径单元个数.该方法能够全面描速道路网运营状态,并且考虑了单元相关性,符合实际,具有一定的理论和应用价值.     

基于失效概率法的桥梁地震风险评估

为了研究地震破坏下高速铁路连续梁桥发生破坏的可能性,根据地震风险性（risk）为地震危险性（hazard）与易损性（fragility）乘积的定义,基于失效概率法,对高速铁路连续梁桥地震风险评估方法进行了分析.通过条带法建立桥梁地震需求模型,基于可靠度函数获得桥梁地震易损性曲线,拟合得到桥梁易损性概率密度函数;根据桥址处地震危险性资料,推导桥址处地震加速度概率密度函数;通过地震加速度概率密度函数与桥梁结构易损性概率密度函数的数值积分,实现桥梁地震风险概率评估.以一座（32+48+32）m高速铁路连续梁桥为例系统演绎了失效概率法桥梁风险评估的实现过程.研究结果表明:当地震危险性资料缺乏或不足时可以通过地震烈度分布函数及其与地震峰值加速度之间的换算关系,推导和完善地震危险性分析资料;对于高速铁路（32+48+32）m连续梁桥100年设计期间内发生轻微损伤的概率为5.16%,发生中等损伤的概率为4.46%,桥梁受到轻微损伤和中等损伤风险概率接近,几乎不可能发生严重损伤和完全破坏.