可靠度分析的点估计法及其应用

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工程结构的安全性历来是土木工程领域研究的重要问题。对工程结构进行可靠度分析在结构设计与安全评估中发挥着重要的作用。经过不断的探索,研究者们发展了许多可靠度方法,例如:数值模拟法、一次/二次可靠度方法、响应面法以及高阶矩法等。每种方法各有其优点和缺陷,数值模拟法分析过程简单,但对于复杂结构来说计算成本太大;一次/二次可靠度方法和响应面法涉及验算点的求解,但存在验算点不收敛、多验算点等问题,此外响应面法中多项式的次数以及是否考虑交叉项都会影响计算的精度;高阶矩法仍存在适用范围以及分布类型的选择等问题。因此,本文以将失效概率转化为概率积分,然后采用点估计法计算结构可靠度为基本思路,提出可靠度分析的点估计法的概念,试图寻求简单易行、准确的可靠度分析方法。研究发现对于功能函数中存在独立线性随机变量的情况(对于实际工程结构的可靠度问题,荷载变量的分量函数通常是线性的),通过将结构的失效概率直接表示为线性变量的概率积分,进而可采用点估计法计算结构的失效概率。并在求解过程中引入了乘积降维近似、交叉项判断以及基于最优参考变量的点估计法,提出了一种基于自适应乘积降维近似的可靠度点估计法。该方法不依赖验算点,分析过程简单,具有较好的计算精度。上述方法适用于具有明显独立线性变量的情况,而对于功能函数复杂或隐式功能函数来说并不适用,因此,为了拓展可靠度点估计法的适用范围,首先引入了各向异性响应面法与精确向量降维,功能函数可以分解为线性分量函数与剩余向量的分量函数两部分,接着引入单变量乘积降维近似与点估计法,提出了一种新的可靠度分析方法:基于单变量降维近似响应面的可靠度点估计法,并通过算例验证了新方法的可实现性和高精度性。本文将提出的基于单变量自适应乘积降维近似的可靠度点估计法和基于单变量降维近似响应面的可靠度点估计法应用到对某钢筋混凝土框架结构的可靠度分析中。基于ANSYS建立有限元模型,并进行模态分析,研究了地震作用下结构内力、变形规律;结合等价极值事件理论和增量动力分析法,对该高层进行动力可靠度分析,分析结果符合实际,可以为工程设计提供理论支撑。
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