考虑耦合效应的地下结构可靠度响应面分析

论文摘要

为了消除可靠度响应面建摸方法中不能判断基础因素对结构状态重要性程度的缺陷展开研究。首先将二次回归正交组合试验设计和失拟性、显著性检验原理结合起来,构建了基本因素及拟生项对结构特征值影响程度的判别方法。其次,将该方法植入响应面的结构状态方程建立程序中,形成基于显著性原则的对基本因素及拟生项具有鉴别功能的复杂结构状态函数筛选方法。然后再采用Matlab搜索方法优化基于筛选方法的响应面可靠度指标计算过程,形成具有较高效率的新型复杂地下结构可靠度响应面分析技术。最后,通过某隧道工程围岩的稳定可靠度计算,详细阐述了该技术的运行过程和操作程序,并在计算效率、计算精度等方面进行了对比验证,显示了研究成果的有效性和适用性。本文首先以张家界阳龙公路隧道断面K8+947为例,建立ANSYS（APDL）参数化模型,而且对该断面的施工监测成果进行整理和分析,通过该断面的围岩变形量、变形稳定时间及变形速率来评价围岩稳定性,并运用非线性回归分析和灰色Verhulst模型对比分析预测得到监测点处围岩稳定位移值。此外,根据位移反分析的基本原理,结合监测点处预测位移值,运用APDL参数化模型,得到断面K8+947处围岩合理参数值,利用反演的结果可以用来修正原设计方案和作为类似工程的参考资料。其次,引入一种基于二次回归正交组合试验设计的结构状态方程正交化建立方法,并编制相应的Visual Basic程序,运用APDL参数化模型对每组试验设计方案的结构状态特征值求解,经过统计筛选和计算分析,建立结构状态特征值与基础因素之间复杂非线性的最优化结构状态方程。并将该方法应用于断面K8+947,在正常使用极限状态下,以位移为准则,建立隧道拱顶下沉位移与基础因素之间经筛选优化后的结构状态方程。最后,根据所建立的结构状态方程,利用基于非线性规划的Matlab搜索方法、Matlab优化方法和传统响应面JC法,并编制相应的可靠度计算程序。将这些方法用于隧道的可靠度计算,通过与Monte Carlo法精确解对比得到:这三种方法避免了基于ANSYS概率分析的Monte Carlo法需要重复进行结构数值计算的问题。此外,在计算精度和计算效率方面,将前两种方法与Monte Carlo法和传统响应面JC法进行了对比,以验证其适应性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 地下工程可靠性分析研究现状
• 1.3 响应面法研究现状和存在的问题
• 1.3.1 响应面法的研究现状
• 1.3.2 目前存在的主要问题
• 1.4 结构状态方程响应面拟合存在问题
• 1.5 本文研究的内容及实现过程
• 第2章 监测数据处理与分析
• 2.1 位移—时间曲线
• 2.2 监测数据换算
• 2.2.1 周边水平位移收敛数据换算
• 2.2.2 拱顶下沉数据换算
• 2.3 数据处理与分析方法
• 2.3.1 回归分析方法
• 2.3.2 灰色Verhulst 模型分析法
• 2.4 工程实例
• 2.4.1 工程概况
• 2.4.2 监测数据成果
• 2.4.3 位移-时间曲线图绘制
• 2.4.4 监测数据处理与分析
• 2.5 监控量测成果应用
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于ANSYS 的隧道位移反分析与概率分析
• 3.1 隧道开挖施工方法
• 3.2 荷载–结构模型
• 3.2.1 围岩压力的计算
• 3.2.2 弹性抗力的确定
• 3.3 地层–结构模型
• 3.3.1 计算范围的确定
• 3.3.2 模拟单元的选取
• 3.3.3 模型材料的属性
• 3,3.4 施工开挖模拟
• 3.4 ANSYS 建模分析
• 3.5 位移反分析
• 3.5.1 围岩参数优化反演原因
• 3.5.2 围岩参数优化反演分析方法
• 3.5.3 围岩参数优化反演分析流程
• 3.6 结构概率分析
• 3.6.1 基于Monte-Carlo 法的可靠性分析
• 3.6.2 基于ANSYS 概率分析的Monte Carlo 法
• 3.7 工程实例
• 3.7.1 工程概况
• 3.7.2 计算假定
• 3.7.3 工况模拟
• 3.7.4 网格划分
• 3.7.5 位移反分析
• 3.7.6 结构概率分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 结构状态方程建立方法及程序
• 4.1 回归正交试验设计
• 4.2 考虑因素耦合效应的结构状态方程
• 4.3 结构状态方程正交化建立
• 4.3.1 二次回归正交试验
• 4.3.2 状态方程有效性及因素筛除
• 4.3.3 还原结构状态方程
• 4.4 Visual Basic 程序
• 4.5 工程实例
• 4.5.1 工程概况
• 4.5.2 选取隧道结构状态方程
• 4.5.3 结构状态方程正交化建立
• 4.5.4 筛选优化后的结构状态方程
• 4.6 本章小结
• 第5章 可靠度计算方法
• 5.1 可靠性基本原理
• 5.2 可靠性分析的计算方法
• 5.2.1 一次二阶矩法
• 5.2.2 等效正态法（JC 法）及修正JC 法
• 5.2.3 有理多项式技术
• 5.2.4 分位值法
• 5.2.5 响应面法
• 5.3 传统响应面法
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 计算步骤
• 6.3.3 计算程序
• 5.4 Matlab 搜索方法
• 5.4.1 基本原理
• 5.4.2 计算步骤
• 5.4.3 计算程序
• 5.5 Matlab 优化方法
• 5.5.1 基本原理
• 5.5.2 计算步骤
• 5.5.3 计算程序
• 5.6 工程实例
• 5.6.1 工程概况
• 5.6.2 结构状态方程
• 5.6.3 分析对比
• 5.6.4 结果对比
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表和撰写的论文及参与课题）
• 一、发表和撰写的学术论文
• 二、参与的科研课题
• 附录B 程序
• 一、灰色 Verhulst 模型的 Matlab 计算程序为
• 二、位移反分析部分命令流为
• 三、概率分析部分命令流
• 四、传统响应面法的 Matlab 程序为
• 五、 Matlab 搜索方法的程序为
• 六、Matlab 优化方法的程序为