可靠度反分析方法及其在隧道衬砌结构设计中的应用

论文摘要

随着基于概率统计基础的结构可靠度理论的发展,经常要根据一个预定或需要的可靠度指标并由其相应的极限状态方程而找到相应的设计参数,该参数须满足相应的结构可靠度水平,传统的正向可靠度理论只能通过试错的方法寻找合适的设计参数,而这种逼近往往是无效的,计算成本也比较大,这就引出了可靠度的反问题分析方法。本文就可靠度反分析方法及其在隧道衬砌结构设计应用进行了如下研究:（1）首先概要介绍了正向结构可靠度的基本理论,从而引出可靠度的反问题,并系统归纳了可靠度反问题在各种不同情况下的详细计算步骤,并通过算例进行计算比较,证明了该方法的高效性和准确性。（2）在国内外隧道及地下结构的设计施工中,传统的“荷载-结构”模型仍是设计的主要依据,尤适用于整体式衬砌,而“连续介质”模型可以利用大型有限元软件进行数值模拟,在今后的隧道设计中存在广阔发展空间。故本文以国内外各种调查统计资料为依据,针对“荷载-结构”模型设计的浅埋隧道衬砌,利用蒙特卡洛-有限元对作用效应进行统计分析,在给定结构目标可靠度的情况下,通过数次迭代计算出各衬砌截面在抗压和抗拉条件下的隧道衬砌截面的厚度（或其均值）,并绘制出隧道衬砌轮廓。（3）基于连续介质模型,本文对圆形隧洞在不同围岩类别、不同埋深条件下的衬砌应力关于随机变量的敏感性分析,把粘聚力、摩擦角、弹性模量和衬砌厚度视为基本随机变量,得到结构轴压力的函数拟合式,通过本文的方法对处于不同埋深的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩中的隧道衬砌进行可靠度反分析,得到隧道衬砌厚度并进行比较分析,给出了具体计算流程,从而对隧道设计和施工具有一定指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 结构正向可靠度分析方法评述
• 1.2.1 Monte Carlo模拟法
• 1.2.2 近似可靠度计算方法
• 1.2.3 基于函数近似的可靠度计算方法
• 1.2.4 结构体系可靠度计算方法
• 1.3 结构可靠度反问题分析理论研究现状
• 1.4 隧道结构按可靠度理论设计的研究现状及发展趋势
• 1.4.1 隧道结构可靠度理论
• 1.4.2 隧道衬砌结构优化设计
• 1.5 本论文主要工作
• 第2章 结构正向可靠度分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 结构可靠性分析的基本概念和原理
• 2.2.1 结构的极限状态
• 2.2.2 结构的失效概率与可靠概率
• 2.2.3 结构的可靠度与可靠指标
• 2.3 结构可靠度分析的FORM方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 可靠度反分析方法的建立和算例分析
• 3.1 引言
• 3.2 单个设计参数的可靠度反分析方法
• 3.2.1 问题的提出
• 3.2.2 单个设计参数的分析方法
• 3.3 多个设计参数的可靠度反分析方法
• 3.3.1 问题的提出
• 3.3.2 多个设计参数的分析方法
• 3.4 基于函数近似的可靠度反分析方法
• 3.4.1 响应面法
• 3.4.2 一种基于函数近似的可靠度分析方法
• 3.4.3 基于函数近似的可靠度反分析方法
• 3.5 算例分析
• 3.5.1 确定性设计参数
• 3.5.2 均值作为设计参数
• 3.5.3 标准差作为设计参数
• 3.5.4 多个设计参数的求解
• 3.5.5 参数不确定性的影响
• 3.5.6 不同初始值的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 可靠度反分析方法在隧道衬砌结构设计中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 隧道结构设计计算方法概述
• 4.3 荷载-结构模型设计浅埋隧道衬砌可靠度反分析
• 4.3.1 围岩压力
• 4.3.2 围岩弹性反力及衬砌计算图式
• 4.3.3 混凝土和砌体偏压构件的极限承载力
• 4.3.4 整体式衬砌极限状态设计式的建立
• 4.3.5 可靠度反分析方法计算隧道衬砌合理参数
• 4.4 连续介质模型的圆形隧洞衬砌结构可靠度反分析
• 4.4.1 敏感性分析
• 4.4.2 圆形隧道衬砌结构轴应力函数拟合
• 4.4.3 衬砌截面抗拉、抗压极限状态方程的建立
• 4.4.4 基本随机变量的统计特征
• 4.4.5 衬砌结构可靠度反分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论和有待进一步研究的问题
• 5.1 结论
• 5.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间发表的学术论文
• 致谢