地下结构工程中的几种可靠度分析方法

数中的待定系数 。
试验设计中常把影响试验指标的因素或原因 (如式 1 中的
Xi) 称为因子 ,把人为控制的因子所处的种种条件称为因子的水 平 。若 Xi 的均值为μxi ,标准差为 σxi , 将 Xi 标准化为 xi = ( Xi μXi) / σXi ,则取 Xi = μXi +σXi时 , xi = + 1 为上水平 ; Xi = μXi - σXi
收稿日期 :2009210230 作者简介 :朱国民 (19672 ) ,男 ,经济师 ,南京财经大学基建处 ,江苏 南京 210000
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朱国民
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时 , xi = - 1 为下水平 ; Xi = μXi 时 , xi = 0 为其零水平 。试验设计 中通常用二水平因子设计来确定试验点 。所谓二水平通常指上
础的配筋应满足最小配筋率的要求 。条基交接部位的钢筋设置 应有详图或选用标准图 ,条基交叉处的基底面积不可重复利用 , 应注意调整基础宽度 。局部墙体中有局部较大荷载时也要调整 基础的宽度 。基础图中的构造柱 ,当定位不明确时应给予准确定 位 ,不能将深基础与浅基础混用 ,避免荷载计算的错误 。
2. 4 施工图审核
2. 4 人工神经网络
在众多的神经网络模型中 ,多层前馈神经网络模型是目前世 界著名的神经网络模型之一 ,属一种静态非线性映射 。多层前馈 神经网络输入输出关系是一个高度非线性映射关系 ,从数学原理 上看 ,模型的学习能力是多层神经网络实现 n 个输入到 m 个输 出的一个映射 F : Rm →R n 。通过简单非线性处理的符合映射 ,可 获得复杂的非线性处理能力 。其结构简单且易于编程 ,是一种强 有力的学习系统 。在模型中 ,输入层用于接收各类地下工程可靠 性基本特征 (围岩裂隙 、支护结构 、孔隙水压力 、地应力 、变形可靠
2 地下工程可靠度研究新进展 2. 1 响应面法
在许多情况下 ,地下结构极限状态方程虽然存在但通常不会
是显式 ,必须根据数值结果采用统计推断的方法进行特征方程重构。
当功能函数 Z 与各随机变量的关系表达式很难直接给出时 ,
可用响应面方法设计一系列变量值 ,每一组变量值组成一个试验
点 ,然后逐点进行结构数值计算 ,得到对应的一系列功能函数值 。
1 地下工程可靠度研究综述
随着地下设计理念的不断发展和对岩体及支护系统认识的 不断深入 ,目前采用的计算模型大体上分为两类 : 1) 以松弛压力 概念为基础的荷载 —结构模型 ,该模型的中心思想是认为支护结 构承受围岩的松弛压力 ,围岩约束支护结构的变形 。2) 以考虑围 岩自承为主体的岩石力学模式 ,即收敛 —约束模型 。该模型更适 用于以岩石力学为基础的新奥法设计施工的地下工程 。基于以 上两种计算模型地下结构可靠性研究取得较大进展 ,当结构 (构 件) 失效模式极限状态方程为显式时 ,快速积分的一次二阶矩法 ( FOSM) 、改进的一次二阶矩法 (AFOSM) 、J C 法都是相当成熟的 计算方法 。当失效模式极限状态方程不存在显式时 ,如何对其进 行合理的重构是复杂非线性系统可靠性研究的一个重点 。
朱国民
摘 要 :介绍了基于两种计算模式下地下结构工程可靠度研究特点 ,并分析了当前研究方法的进展 ,包括响应面法 、随机
有限元法 、模糊判别法 、人工神经网络 、耗散结构理论等 ,提出地下结构工程可靠度分析的广阔前景 。
关键词 :可靠度 ,响应面法 ,随机有限元法 ,模糊判别法
中图分类号 : TU470
3 结语
随着模糊数学和大量非线性科学的快速发展 ,地下工程可靠 性的研究也日新月异 。基于地下工程的特点 (随机性 、模糊性 、信 息不完全和未确定性等) ,不同的学科大量引入到地下工程可靠 性研究中来 。利用模糊数学进行可靠性的研究 ,形成了模糊可靠 度的计算 ,以及模糊与随机的结合 ;利用人工神经网络对地下工 程可靠性进行分析和评价 ;利用耗散结构理论研究非线性性质 、 非平衡体系 。 参考文献 : [1 ] 高 谦. 土木工程可靠性理论及其应用 [ M ] . 北京 :中国建
∧
g( X1 , X2) 。
响应面函数设计时应使表达式在基本能描述真实函数的前
提下尽可能简单 ,一般可取二次多项式形式表示响应面函数 :
n
n
∑ ∑ ∑∑ Z = a +
bi Xi +
ci
X
2 i
+
dij Xi Xj
(1)
i =1
i =1
i<j
其中 , Xi (1 ,2 , …, n) 为基本变量 ; a , bi , ci , dij 均为响应面函
通过这些变量值和功能函数值拟合一个明确的函数关系 ,以近似
代替难以直接表达的真实函数 ,从而进行可靠度分析 。
如图 1 所 示 , Z 与 变 量 X1 , X2 具 有 未 知 的 函 数 关 系 Z = g ( X1 , X2) ,图中阴影部分即在三维空间内表示这个真实曲面 。
通过响应面法可以拟合一个具有明确表达式的函数关系 Z =
2. 3 模糊评判法
模糊数学是研究和处理模糊性现象的数学 ,它把传统数学从 二值逻辑扩展到联系逻辑上来 ,在属于与不属于之间 ,允许出现 一系列中间状态 。这些中间状态由于概念外延的模糊 ,而造成划 分上的不确定性 ,因而有一定的模糊性 。地下工程是一个复杂的 系统 ,它的可靠性与多个指标有各种相关关系 ,运用模糊数学可 以对地下工程的多指标进行综合评判 ,能够比较全面的反映地下 工程可靠度方面的特征[5 ] 。
材工业出版社 ,2007. [2 ] 李登新. 基于有限元和神经网络的隧道结构可靠度研究
[ D ] . 重庆 :重庆大学硕士学位论文 ,2006. [ 3 ] 宋玉香. 响应面方法在整体式隧道衬砌可靠性分析中的应
用[J ] . 岩石力学与工程学报 ,2004 (6) :184721851. [ 4 ] 毕忠伟. 地下工程可靠性的研究进展与趋势 [J ] . 矿业研究
施工图生成以后 ,设计人员还应仔细验证各特殊或薄弱部位 构件的最小纵筋直径 、最小配筋率 、最小配箍率 、箍筋加密区长度 、 钢筋搭接锚固长度 、配筋方式等是否满足规范规定的抗震措施要 求 。规范这一部分的要求往往是以黑体字写出 ,属于强制执行条 文 ,万万不可掉以轻心 。最后设计人员还应根据工程的实际情况 ,
文献标识码 :A
近年来地下工程可靠性研究得到了很大的发展 ,尤其国家基 础性研究重大项目 (攀登计划)“重大土木与水利工程安全性与耐 久性的基础研究”对地下工程可靠性的研究更是一个巨大的推 动 。目前 ,地下工程可靠性分析包括边坡稳定性 、地基与基础 、桩 基承载力 、基坑工程 、地下工程等[4 ] 。
水平和下水平 。二水平因子设计的试验次数和因子的个数有关 ,
当有 n 个因子时 ,需 2 n 次试验 。响应面函数形式可以舍去式 (1)
中的交叉项以减少分析工作量 ,得 :
n
n
∑ ∑ Z = a +
bi Xi +
ci
X
2 i
(2)
i =1
i =1
待定系数由 ( n2 + 3 n + 2) / 2 减少为 2 n + 1 个 。舍去平方项 , 保留交叉项 ,可使各变量顺序相乘以充分体现各随机变量的相互 影响 ,但响应面法的精度问题在数学上一直悬而未决 [3 ] 。
对计算机生成的配筋结果作合理性审核 ,如钢筋排数 、直径 、架构 等 ,如不符合工程需要或不便于施工 ,还要做最后的调整计算 。
3 各专业配合
在开始施工图设计前建议要开各专业碰头协调会 ,明确各专 业需要注意和配合的地方 ,统一做法和标准 ,确定原则性的方案 , 使各专业的条件图真正成为条件图 。避免在出图时再调整方案 的重复浪费工作 。设计工作需要的是认真 ,仔细和很强的责任 心 ,只有各专业设计人员密切配合 ,才有可能设计出好的作品 。 参考文献 : [ 1 ] 樊永华. 概念设计在结构设计中的应用[J ]. 山西建筑 ,2008 ,
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Vol . Feb.
36 No . 6 2010
文章编号 :100926825 (2010) 0620078202
地下结构工程中的几种可靠度分析方法
2. 2 随机有限元法 ( SFEM)
随机有限元法可归结为三点 :求解在随机因素影响下结构的 随机响应 、计算结构的可靠度和获得结构安全性对设计参数的灵 敏度 。随机有限元包括有限元一次二阶矩法和有限元蒙特卡罗 法 ,有限元一次二阶矩法只适合于弱非线性系统 ,且没有考虑随 机变量具体分布类型的影响 。有限元蒙特卡罗法是一种适用面 很广的可靠性分析方法 ,它不受极限状态方程高度非线性的限 制 ,也不受随机变量分布是非正态的限制 ,对功能函数不能直接 明确表达的可靠性分析问题同样适用 ,而且不需要改变有限元法 的基本方程和计算程序 ,但其计算次数多 ,计算时间长 ,尤其是在 求解单元数目较多的非线性问题时更加突出 。
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Technology summary of the structure design
YANG Hong2yan Abstract : According to t he work experience , t he aut hor discusses t he preparing work before t he design , t he construction regular requests and t he various professional combining requests in t he design process , to accumulate t he structure design experience , so as to enhance t he profes2 sional capacity of t he structure design staff , and consequently impove t he design level of t he architecture. Key words : structure design , technology , professional combining
2. 5 耗散结构理论
该理论从能量的角度出发 ,分析研究了岩土体变形破坏过 程 ,揭示了这一过程的能量耗散及能量释放特性 。从力学角度而 言 ,岩土体的变形破坏过程实际上就是一个从局部耗散到局部破 坏最终到整体灾变的过程 ;从热力学上看 ,这一变形 、破坏 、灾变 过程是一种能量耗散的不可逆过程 ,包含能量耗散和能量释放 。 现有的力学理论体系主要是强调能量耗散结构和局部破坏过程 , 而岩土体的灾变是以能量释放为主要特征 ,因此综合考虑能量耗 散及能量释放对岩石变形破坏的影响 ,从能量的观点可以更好地 描述岩石的变形破坏 。该理论从能量的角度来研究岩土体变形 和破坏 ,给地下工程可靠性分析提供了一种全新的思考方法 [1 ] 。
与开发 ,2004 (10) :27230. [ 5 ] 王齐林. 地下工程可靠性分析面临的问题和发展趋势 [J ] .
中国水运 ,2006 (6) :96297. [ 6 ] 王 鸷. 地下洞室随机有限元分析和可靠度计算 [ D ] . 西安 :
பைடு நூலகம்
度 、破坏可靠度等) ,也就是训练样本 。输出层用于显示地下工程 可靠性信息 ;节点之间的联系通过连接权重 W ij来连接 ,表示其相 互影响程度 。识别过程为输入信息先通过节点向前传播到隐含 节点 ,经过激励函数后 ,再把隐含节点输出信息传至输出节点 ,最 后输出可靠性类别结果 。其最大的优点是不需要知道变形与所 求力学参数之间的关系 ,对信息进行分布式存储和并行协同处 理 ,具有高度的非线性映射能力 ,并有良好的自适应 、容错性等特 点[5 ] 。用这种方法经过少数的几次复合就可以得到极为复杂的 函数关系 ,进而可以表达复杂的物理世界现象 ,使得许多实际问 题就可以转为利用神经网络模型来解决 。