基于冗余度理論的結(jié)構(gòu)安全性評估和優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、傳統(tǒng)的土木工程設(shè)計往往是以構(gòu)件的強度為目標，驗算在承載能力極限狀況和正常使用極限狀況下部件的截面設(shè)計能否達到指定要求。但是隨著結(jié)構(gòu)使用年限的增加，所處環(huán)境的變化，所用材料的老化，非預(yù)期荷載的出現(xiàn)等等，導致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性將下降。由于初期設(shè)計階段沒考慮構(gòu)件的損傷對結(jié)構(gòu)破壞的影響，結(jié)構(gòu)很有可能在某個或某些構(gòu)件損傷發(fā)生時直接發(fā)生倒塌性破壞，所以傳統(tǒng)的以部件強度為依據(jù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往會致使結(jié)構(gòu)具有較低的冗余度。因此，考慮冗余度理論的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)

2、計是非常有必要的，考慮冗余度理論的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)點在于可以定量地把控結(jié)構(gòu)使用其性能的“度”。太多的冗余特性設(shè)計雖然可以充分保證結(jié)構(gòu)的安全性能，但是必將造成結(jié)構(gòu)性能的浪費，從經(jīng)濟的角度來看不是明智之舉;過少的冗余特性結(jié)構(gòu)設(shè)計則不能保證結(jié)構(gòu)在非預(yù)期荷載作用下的穩(wěn)定性與安全性。
　　基于冗余度可以體現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)抵抗倒塌的能力特性，論文利用了冗余度理論對有限元模型三跨連續(xù)雙梁橋、橋墩模型、簡易鋼桁架橋模型和三層三跨框架模型進行了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定

3、性與安全性評估，從而得到結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件、易損構(gòu)件、破壞路徑和結(jié)構(gòu)倒塌破壞時的冗余度值。以這些評估結(jié)果作為優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，主要優(yōu)化手段有改變構(gòu)件尺寸、材料參數(shù)，添加額外的冗余構(gòu)件等。最后利用有限元模擬和其他理論分析來對優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)果進行合理性的驗證。主要研究內(nèi)容以及成果如下:
　　(1)總結(jié)了國內(nèi)外對于冗余度理論在土木工程結(jié)構(gòu)中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀;
　　(2)利用對三跨連續(xù)雙梁橋有限元模型的冗余度評估，對前人的冗余度指標進行

4、驗證分析，得出了在橋梁倒塌破壞時主梁應(yīng)力與容許應(yīng)力之間的關(guān)系，和在極限狀態(tài)下主梁應(yīng)力發(fā)展趨勢和變形趨勢。
　　(3)提出了基于能力譜的冗余需求值，通過一個橋墩模型，對其進行pushover分析，得出模型不同墩高處的能力曲線圖，再結(jié)合地震需求譜找到性能點，對模型的不同墩高處進行冗余需求度評估。得出冗余度與墩高的關(guān)系。
　　(4)提出了基于結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的冗余度指標，并建立結(jié)構(gòu)冗余度損傷曲線。建立了一個簡易的鋼桁架橋模型，通過選取

5、應(yīng)力安全系數(shù)和位移兩個性能參數(shù)分別對其進行了冗余度評估，得出了模型中的關(guān)鍵構(gòu)件、易損構(gòu)件和破壞路徑等?；谀Ｐ椭嘘P(guān)鍵構(gòu)件的冗余度損傷曲線，對原模型進行了尺寸參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的構(gòu)件的容許損傷程度都有所提高，且初始冗余度也有所增加。
　　(5)針對框架結(jié)構(gòu)特性，建立了基于靈敏度的冗余度計算公式。對三層三跨的框架結(jié)構(gòu)進行了基于敏感度的冗余度評估，得出了整個框架模型的冗余度分布，根據(jù)梁和柱的冗余度分布圖提出了兩個優(yōu)化方案，優(yōu)化后的冗余度分