基于冗余度理論的結構安全性評估和優(yōu)化設計.pdf

1、傳統的土木工程設計往往是以構件的強度為目標，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計能否達到指定要求。但是隨著結構使用年限的增加，所處環(huán)境的變化，所用材料的老化，非預期荷載的出現等等，導致結構的穩(wěn)定性與安全性將下降。由于初期設計階段沒考慮構件的損傷對結構破壞的影響，結構很有可能在某個或某些構件損傷發(fā)生時直接發(fā)生倒塌性破壞，所以傳統的以部件強度為依據的結構設計往往會致使結構具有較低的冗余度。因此，考慮冗余度理論的結構優(yōu)化設

2、計是非常有必要的，考慮冗余度理論的結構優(yōu)化設計的優(yōu)點在于可以定量地把控結構使用其性能的“度”。太多的冗余特性設計雖然可以充分保證結構的安全性能，但是必將造成結構性能的浪費，從經濟的角度來看不是明智之舉;過少的冗余特性結構設計則不能保證結構在非預期荷載作用下的穩(wěn)定性與安全性。
　　基于冗余度可以體現工程結構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構的穩(wěn)定

3、性與安全性評估，從而得到結構中的關鍵構件、易損構件、破壞路徑和結構倒塌破壞時的冗余度值。以這些評估結果作為優(yōu)化設計的基礎，主要優(yōu)化手段有改變構件尺寸、材料參數，添加額外的冗余構件等。最后利用有限元模擬和其他理論分析來對優(yōu)化設計后的結果進行合理性的驗證。主要研究內容以及成果如下:
　　(1)總結了國內外對于冗余度理論在土木工程結構中的研究與應用現狀;
　　(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力與容許應力之間的關系，和在極限狀態(tài)下主梁應力發(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系。
　　(4)提出了基于結構性能參數的冗余度指標，并建立結構冗余度損傷曲線。建立了一個簡易的鋼桁架橋模型，通過選取

5、應力安全系數和位移兩個性能參數分別對其進行了冗余度評估，得出了模型中的關鍵構件、易損構件和破壞路徑等?；谀Ｐ椭嘘P鍵構件的冗余度損傷曲線，對原模型進行了尺寸參數優(yōu)化，優(yōu)化后的構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)針對框架結構特性，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構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