斜拉双层柱面网壳结构可靠度计算及设计方法探讨

论文摘要

斜拉网格结构是斜拉桥技术和预应力技术综合应用到空间结构而形成的一种形式新颖的大跨度空间结构体系,以其良好的受力性能和新颖的建筑造型适应现代建筑发展的要求,具有广阔的应用前景。本文以斜拉双层柱面网壳结构为研究对象,对可靠度计算方法、风致响应分析、敏感性分析和基于可靠性的设计方法等方面进行了研究。针对经典的一次二阶矩法在计算可靠指标时可能不收敛的不足,提出了一种线性可行方向算法。该算法采用求解约束极值问题的可行方向策略,在迭代过程中综合考虑了目标函数和极限状态曲面方程的影响。实例验证具有较高的效率和精度。针对SORM方法在求解可靠指标时存在着对设计点求解精度较敏感的不足,本文提出了基于失效曲面样本点修正几何可靠指标的方法。该方法考虑了失效曲面的几何特性和响应面法的逼近误差。算例分析表明该方法对设计点的求解精度不敏感,且能得到较高精度的分析结果。在前人研究的基础上,本文提出了两种改进的响应面方法:状态空间响应面方法和极限状态响应面方法。它们为在一般情况下(无需用到功能函数值)如何应用响应面方法分析结构可靠度进行了有益的探索。模式识别技术和自适应技术的引入提高了可靠度分析的计算效率。算例分析结果表明,两种方法具有较高的精度,同时减少了有限元分析的次数,非常适合于大跨空间结构的可靠度分析。基于AR法和谐波合成法原理,本文编写了模拟多点互相关脉动风速时程的程序。通过算例模拟谱与目标谱的比较,验证了编制的模拟脉动风速程序的正确性。比较模拟结果可以得出:AR法模拟速度快,但精度稍差一些,而谐波叠加法虽耗费较多的机时,但模拟精度要比AR法好。然后采用模拟得到的风速时程曲线对斜拉双层柱面网壳结构进行了风致响应分析。对斜拉双层柱面网壳结构考虑位移失效和承载能力失效的可靠度分析表明:采用FORM法计算可靠指标具有较高的精度。随后采用FORM法翔实讨论了各参数变化时两种失效模式可靠指标的变化情况。接着,对斜拉双层柱面网壳结构进行了可靠度对随机变量的敏感性分析。敏感性分析包含两方面的内容:分布参数的敏感性和极限状态方程参数的敏感性。对极限状态方程参数的敏感性分析表明:相对位移失效模式来说,为使可靠指标的计算结果具有较高的精度,承载能力失效模式需考虑较多数目的随机变量。另外提出了可靠指标对随机变量标准值的敏感性系数的概念。它能考虑均值和标准差等比变化时,随机变量对可靠指标的影响程度。最后本文探讨了斜拉双层柱面网壳结构基于整体可靠度的设计方法。首先讨论了结构目标可靠指标的确定依据,然后在此基础上提出一种实用的极限承载能力设计方法。它通过在整体层次上改进设计表达式中的抗力和荷载分项系数,以最大可能地实现与目标可靠指标相一致。这些研究成果为斜拉双层柱面网壳结构的设计提供了参考资料。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 斜拉网格结构概述
• 1.2 斜拉网格结构的特点
• 1.3 斜拉网格结构的应用
• 1.4 斜拉网格结构的研究现状
• 1.5 结构可靠度概述
• 1.5.1 结构设计理论的发展
• 1.5.2 结构可靠度理论的研究现状
• 1.5.3 结构可靠性能的研究现状
• 1.6 本文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 可靠指标计算方法的改进
• 2.1 变量随机模型
• 2.1.1 荷载类变量的概率模型
• 2.1.2 抗力类变量的概率模型
• 2.2 结构可靠度基本概念
• 2.3 结构可靠度分析方法
• 2.4 线性可行方向算法
• 2.4.1 一次二阶矩法的不足
• 2.4.2 算法实现
• 2.4.3 算例分析
• 2.5 修正可靠指标的方法
• 2.5.1 失效曲面不闭合的说明
• 2.5.2 算法实现
• 2.5.3 算例分析
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 响应面方法的改进研究
• 3.1 状态空间响应面方法
• 3.1.1 自适应技术
• 3.1.2 最小错分样本数准则
• 3.1.3 算法流程图
• 3.1.4 算例分析
• 3.2 极限状态响应面方法
• 3.2.1 方法研究背景
• 3.2.2 算法步骤
• 3.2.3 样本点生成方法
• 3.2.4 算例分析
• 3.3 各种方法比较
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 斜拉双层柱面网壳结构风致响应分析
• 4.1 风荷载的模拟
• 4.1.1 风速模拟方法
• 4.1.2 目标风速谱的选择
• 4.1.3 互谱密度函数
• 4.1.4 风速模拟结果分析
• 4.2 风致响应分析
• 4.2.1 结构模型简介
• 4.2.2 自振特性分析
• 4.2.3 风致响应结果分析
• 4.3 风振系数计算
• 4.3.1 风振系数的定义
• 4.3.2 计算结果
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 斜拉双层柱面网壳结构可靠度分析
• 5.1 基于可靠度分析的简化风振系数
• 5.1.1 极限承载能力
• 5.1.2 简化风振系数的定义
• 5.1.3 简化风振系数的影响因素分析
• 5.2 可靠度分析模型
• 5.2.1 极限状态方程的重构
• 5.2.2 计算方法的对比
• 5.2.3 工况结果分析
• 5.3 设计参数分析
• 5.3.1 控制目标
• 5.3.2 预应力水平
• 5.3.3 荷载组合比例值
• 5.3.4 场地类别
• 5.4 敏感性分析
• 5.4.1 分布统计参数的敏感性
• 5.4.2 极限状态方程参数的敏感性
• 5.4.3 两种失效模式的敏感性分析
• 5.4.4 敏感性分析结论
• 5.5 需注意的几点说明
• 5.5.1 主导荷载的确定
• 5.5.2 风荷载的敏感系数
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 基于可靠度的设计方法的初步探讨
• 6.1 目标可靠指标
• 6.2 极限承载能力设计方法
• 6.2.1 设计表达式
• 6.2.2 组合系数取值
• 6.2.3 分项系数取值
• 6.2.4 不同设计方法的评价
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 攻读博士学位期间已经发表和录用的论文
• 致谢