简析影响大型机械钢结构系统可靠性的因素

简析影响大型机械钢结构系统可靠性的因素

简析影响大型机械钢结构系统可靠性的因素

[摘要] 根据钢结构系统可靠性安全评定原则,立足大型机械钢结构系统研究对象，建立主体失效模式安全余量的方程,来计算失效概率。做为对风载荷与地震载荷分布进行模拟基础上，通过对大型机械钢结构的算例进行剖析，探讨失效路径长度对大型机械钢结构系统失效标椎及安全可靠性的影响，提出了在结构整体承载能力没出现降低的情况之下，失效路径的长度形成越大越好的结论。这个结论对大型机械钢结构可靠性的工程应用有重要的指导意义。本文以结构体系稳定的可靠性做为研究角度对这一领域的研究进行分析评述。

[关键词]大型机械钢结构；可靠性：不确定因素

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

一、大型机械钢结构体系可靠性研究的成果与问题

1、大型机械钢结构体系可靠性研究现状

近几十年以来，高强度钢材的使用、施工技术的发展及电子计算机的同步应用，大型机械钢结构体系的大发展和广泛应用形成了极强的趋势。大型机械钢结构体系的可靠性是国内外学者们一直关注、研究的领域。经过数十年的研究积累，已经取得丰硕的研究成果。目前为止，针对大型机械钢结构基本构件理论问题的研究已经很多，在相关数值分析的稳定分析已经较为成熟。但是对构件整体稳定性与局部稳定相互作用的理论与设计应用还需深入的研究。由于结构失去稳定是网壳结构破坏的主要原因，因此，网壳结构的稳定是一个不能忽视的问题，正确进行网壳结构稳定性尤其是单层网壳结构稳定性分析、设计是保证网壳的安全的关键所在。自半个世纪以来，网壳结构的非线性可靠性分析一直是中外学者们关注的焦点。欧美等发达国家的研究人员进行了全面的理论分析与研究。创造了如人工弹簧法、能量平衡技术等多种方法，得到结构下降段曲线变为可能。本国学者在网壳结构稳定性同样进行了大量研究。文献有国内外研究的基础，通

过精确的理论表达方式、合理的路径平衡跟踪以及迭代策略，实现复杂结构体系的几何非线性全面分析，取得了规律性成果。并用随机缺陷模态法与一致缺陷模态法，对网壳结构各种初始缺陷影响做出了研究，很好地描述了结构实际的承载过程。也有学者实验方面研究上取得了成果，针对不一样分析方法的有效性与精确性做出了结论。文献对网壳结构动力失稳机理、稳定准则和动力后屈曲等诸多问题做出了研究。针对网壳结构这类缺陷性敏感结构在强风与地震的作用下动力稳定性做出了研究，由于涉及到稳定理论与震动理论，所以难度很大，目前研究成果还比较有限。文献也同样对空间结构的动力稳定做出了了研究。

2、大型机械钢结构体系可靠性研究的问题

大型机械钢结构体系可靠性研究故然取得了一定的成果，但存在一些问题是不容忽视：

（1）目前网壳结构可靠性的研究当中，梁柱单元理论成为主体研究工具。梁柱单元是不是能确实反映网壳结构受力情况还很不好说，虽然有很多学者对梁柱单元做过修正。基本问题是如何反映轴力与弯矩的耦合效应。

（2）大跨度结构设计之中整体稳定和局部稳定相互关系同样是个值得探讨的问题，当前大跨度结构设计取一个统一的稳定安全系数，未能反映整体稳定和局部稳定的关联性。

（3）预张拉结构体系稳定设计理论还很不够完善，目前没有个完整、合理的理论体系去分析这个体系的稳定性。

（4）钢结构体系的可靠性研究中有许多随机因素的影响，当前结构随机影响分析处理的问题大多局限于确定了的结构参数、随机荷载输入这样的格局范围，在实际工程中，由于不确定性的结构参数，会导致结构响应的明显差别。因此应当考虑随机参数结构极值的失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳的研究文献，曾对考虑随机参数穹顶网壳稳定问题做了有益的研究。

二、大型机械钢结构体系可靠性问题研究

实际结构由于存在这样那样的随机缺陷影响，和理想结构有很大的差异。相对于缺陷敏感性结构，缺陷会导致结构可靠性的下降，

因此有必要考虑随机参数的影响，导入可靠度分析法，做出对稳定问题可靠性研究。因大型机械钢结构体系可靠性研究涉及很多的力学与数学的知识，有较大的难度，目前这一类研究成果不多。文献曾经对网壳结构的稳定性的可靠性分析与设计进行了比较详尽的研究、丰富了结构可靠度理论与计算方法，并且应用于工程结构的分析与设计。

1、结构分析中不确定性因素根源

影响钢结构体系稳定性中不确定性的变量大多是随机性的，通常分为以下三类：

（1）物理、几何的不确定因素：如材料、初始变形、杆件尺寸、残余应力、截面积等。

（2）统计中的不确定因素：在统计和稳定性相关的物理量与几何量时，总会在有限的样本选择概率密度分布函数，因而带有一定的经验性。往往这些不确定性称之为统计的不确定性，是由于信息不够造成的。

（3）模型的不确定因素：在对结构进行分析，所提出的假设、边界条件、数学模型和技术水平无法在计算中反映出来的诸多因素，所引起的理论值与实际承载力之间的差距，都属于模型的不确定因素。

2、结构的可靠性研究

各国学者对结构可靠度理论已进行了深入的研究，对于可靠度计算法和复杂结构的可靠度分析方面的研究成果丰富。所有工程分析、设计的目标是使所设计的结构在不一样的要求满足不同的功能，安全性、耐久性、使用性因不确定性因素的存在，就要把这些不确定性因素加入工程设计当中，因此产生了诸多的可靠度方法。为估计结构的可靠度，必然要解决抵抗力参数与相关荷载和它们之间的函数关系，这样的关系(又称功能函数)在记作式X1，X2，…，Xn则是随机变量。把极限状态(或失效面)设定为Z0，这样描述可靠度参数的可靠性指标设定为坐标原点至失效面的最小距离，用于可靠性的指标计算主要有两种方法：一次可靠度方法（FORM）与二次可靠度方法（SORM）。

3、结构可靠度分析数值方法

相对于复杂的结构，功能函数g(x)通常无法明确表示为输入随机变量的函数，结构的响应大多通过数值方法来计算。此类数值方法通常分为以下三类：

（1）蒙特卡罗模拟法（MonteCarloSimulation）

蒙特卡罗模拟法基本思想是在进行每次确定性的分析前随机

生成一组输入变量，多次重复进行确定性分析后，对结构响应输出参数进行统计、分析，计算结构的可靠性。但是要达到比较高的精确度，就必须提取足够的样本数，此种计算工作量十分浩大。

（2）响应面法（ResponseSurfaceMethod）

响应面法基本思想是以构造一个有明确表达形式的多项方式

对隐式功能函数g(X)(一次或二次多项式)进行表达，当中X是包含全部荷载与抗力的随机变量的向量。在响应面法当中，对于具有大量随机变量问题来讲，准确的构造一个多项式所需的确定性分析是非常大的，因此这种方法比较耗时。

（3）基于敏感性分析方法（Sensitivity-basedApproach）

基于敏感性分析法与一次可靠度方法(FORM)、二次可靠度方法(SORM)合并分析有隐式型功能函数的可靠性问题，克服了蒙特卡罗模拟法与响应面法的缺点。这种方法在寻找最小距离点的过程中，每一步迭代使用信息全是功能函数的真实值与真实梯度，并且使用优化方法令控制点收敛到最小距离点，与蒙特卡罗模拟法和响应面法相比较，它有耗时小，准确高的特点。

可靠性问题一直都是大型机械钢结构设计的关键问题，大型机械钢结构体系的广泛应用凸显了可靠性问题研究的重要性及紧迫性。由于大型机械钢结构体系设计、建造、使用当中存在着许多不确定性因素，所以引入可靠度分析是必要的。

参考文献：

陈金永建造阶段考虑人为错误影响的钢结构模糊可靠度分析

兰格钢铁钢结构稳定问题的可靠性研究 2011-3-31