结构体系抗震可靠度的优化与控制研究

论文摘要

结构可靠度理论可较客观地考虑工程结构在设计、建造和使用过程中经受大量随机现象的影响和作用,并最优地平衡安全与经济的关系。结构可靠度理论已成为设计规范的理论基础,并一直是国内外研究的热点问题。作为绝大部分工程的控制载荷,地震是造成建筑结构破坏、人员伤亡的主要自然灾害之一,如2008年的汶川地震。因此应用可靠度研究并提高结构的抗震能力具有重要的意义。本文从结构体系抗震失效模式特点出发,研究应用广义可靠指标矢量表示复杂情况下的失效模式相关性,进而,应用模态Pushover分析,研究结构体系抗震失效模式特点,根据失效模式特点,发展最弱失效模式理论,提出最弱失效模式组理论。基于上述研究成果,提出了基于最弱失效模式组的性能优化和控制设计,具体内容如下：首先,由于结构的复杂性,随机变量间存在相关性：结构体系的失效模式由多个构件组成,失效模式间往往包含部分相同构件,因此失效模式间具有相关性。基于可靠指标矢量,发展并提出了在广义随机空间即仿射空间中的广义可靠指标矢量,提出了广义可靠指标矢量的优化计算模型。对复杂条件（载荷与抗力耦合等）研究并应用广义可靠指标矢量研究其失效模式相关性表达。其二,在受到单一的随机载荷作用时,结构体系的可靠度可通过最弱失效模式来表示,通过对最弱失效模式的优化达到优化系统可靠度的目标。针对结构遭受复杂力学效应的时候,最弱失效模式理论应用存在一定的困难。本文以概率测度为基础,提出了结构最弱失效模式组理论,提出了结构最弱失效模式组表示结构系统可靠度,优化和控制结构最弱失效模式组来达到优化系统可靠度的目标,并根据最弱失效模式组的意义,提出了可靠指标矢量—PNET方法来求得最弱失效模式组,并通过算例验证优化计算的可行性。其三,提出了基于最弱失效模式组的结构性能设计。基于性能的结构抗震设计充分考虑了业主、用户与结构设计人员之间的关系,应向全面考虑结构失效模式的影响方面发展,此目标函数中结构失效损失期望的估计考虑了结构的最弱失效模式对应的失效损失,通过两者乘积来代替一般文献中使用的系统可靠度和系统失效损失的乘积,这种做法一方面充分考虑了结构工程中结构性能失效的特点,体现了基于性能设计的原则,全面注重结构的性能、安全及经济,另一方面回避了结构体系可靠度计算与其失效损失的计算复杂性。其四,应用模态Pushover分析表示结构体系的主要失效模式组,将动力分析转换为静力极值问题。以OPENSEES为平台,编制框架结构的模态Pushover分析程序,基于结构体系可靠度的最弱失效模式组理论和模态Pushover,建立模态Pushover分析的基本振型与失效模式关系,将结构体系抗震可靠度分析简化为若干等效单自由度（基本振型）对应的构件可靠度组合。参考我国抗震规范和随机地震动模型参数,给出结构体系抗震可靠度性能的相关参数和方法,实现我国建筑结构体系抗震可靠度的快速评估。其五,研究了结构基于控制的抗灾可靠度优化。首先发展了概率Pushover分析的方法,提出了Pushover-限界分析,通过分析失效路径的方法来找到结构的主要失效模式；接着提出了一种基于控制的结构抗震可靠度优化过程,通过将最弱失效模式的优化运算嵌套在控制模型中,实现了控制结合可靠度优化运算。并通过实际算例验证,本方法可以有效的提高结构可靠度,对结构的抗灾可靠度基础研究有一定的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 结构可靠度研究现状
• 1.2.1 结构可靠度分析面临的主要问题
• 1.2.2 结构可靠度的计算
• 1.3 结构基于可靠度的优化
• 1.3.1 以元件为基础的可靠度优化设计
• 1.3.2 以体系可靠度为基础的可靠度优化设计
• 1.4 结构体系抗震可靠度
• 1.4.1 结构体系抗震可靠度的分类
• 1.4.2 结构体系抗震可靠度分析
• 1.5 基于结构可靠度的性能设计
• 1.6 本文所做的工作
• 第2章 广义可靠指标矢量
• 2.1 引言
• 2.2 可靠指标矢量及其计算模型
• 2.2.1 可靠指标的矢量特征
• 2.2.2 可靠指标矢量
• 2.2.3 可靠指标矢量表示失效模式之间的相关性
• 2.2.4 结构可靠指标矢量的优化计算模型
• 2.3 随机变量不相关性处理方法
• 2.4 广义空间中的可靠指标矢量及其计算模型
• 2.4.1 广义随机空间内结构可靠指标
• 2.4.2 广义空间中可靠指标矢量计算模型
• 2.5 广义可靠指标矢量算例
• 2.6 本章小结
• 第3章 结构可靠指标矢量与最弱失效模式组理论
• 3.1 前言
• 3.2 结构体系可靠度分析的最弱失效模式组法
• 3.2.1 结构体系的最弱失效模式理论
• 3.2.2 结构体系的最弱失效模式组法
• 3.3 最弱失效模式组的寻找
• 3.3.1 PNET方法
• 3.3.2 可靠指标矢量-PNET方法
• 3.4 结构基于最弱失效模式组的控制与优化
• 3.4.1 结构基于最弱失效模式组的优化数学模型
• 3.4.2 优化方法的选择
• 3.5 算例
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于最弱失效模式组的结构性能设计
• 4.1 基于性能的抗震设计与投资—效益准则
• 4.1.1 基于性能的抗震设计
• 4.1.2 结构的目标性能
• 4.1.3 结构的性能水准
• 4.1.4 投资—效益准则
• 4.2. 基于投资—效益模型的优化模型
• 4.3 基于结构最弱失效模式组的投资—效益优化模型
• 4.4 算例
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于模态Pushover分析结构体系抗震可靠度
• 5.1 引言
• 5.2 结构体系可靠度分析
• 5.2.1 结构体系可靠度的最弱失效模式组理论
• 5.3 结构体系抗震可靠度的破坏准则
• 5.4 基于模态Pushover的结构体系抗震可靠度分析
• 5.4.1 模态Pushover分析结构体系地震响应
• 5.4.2 OPENSEES简介
• 5.4.3 基于OPENSEES的模态Pushover实现
• 5.4.4 基于模态Pushover的体系抗震可靠度分析
• 5.5 基于抗震规范的模态Pushover结构体系抗震可靠度分析
• n对应的结构抗力R_n^*'>5.5.1 振型Φ_n对应的结构抗力R_n^*
• 5.5.2 基于我国抗震规范的随机地震作用概率模型及参数
• 5.5.3 基于模态Pushover分析的结构体系抗震可靠度评估
• 5.6 算例
• 5.7 本章小结
• 第6章 基于控制的结构抗震可靠度优化研究
• 6.1 引言
• 6.2 结构地震反应分析
• 6.3 Pushover-限界分析
• 6.3.1 Pushover分析
• 6.3.2 等效自由体系（SDOF）假定
• 6.3.3 加载模式的选择
• 6.3.4 Pushover分析中概率统计信息
• 6.3.5 关于本章中Pushover分析相关讨论
• 6.3.6 Pushover-限界分析过程
• 6.3.7 Pushover-限界分析与分支限界分析
• 6.4 结构基于控制的可靠度优化过程
• 6.5 算例
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢