基于可靠度大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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1、基于可靠度大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計　　摘要：闡述了大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展，對基于可靠度的大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作了論述，最后對未來的優(yōu)化設(shè)計研究方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)大跨度可靠度優(yōu)化設(shè)計中圖分類號：K928.78文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：現(xiàn)有的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論,不論是整體優(yōu)化還是局部優(yōu)化,都是以容許應(yīng)力法為基礎(chǔ)建立起來的。隨著現(xiàn)代設(shè)計理論的發(fā)展,即由傳統(tǒng)的容許應(yīng)力設(shè)計法到基于可靠度理論的半概率設(shè)計法、近似概率設(shè)計法、全概率設(shè)計法等的發(fā)展，工程師認(rèn)識到結(jié)構(gòu)優(yōu)化時不能忽略各種因素以及設(shè)計理論的不確

2、定性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化找到了新的發(fā)展契機(jī)，朝著基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方向前進(jìn)?；诳煽慷鹊慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計發(fā)展一個好的設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)使結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)以最經(jīng)濟(jì)的途徑來滿足其功能要求。結(jié)構(gòu)安全的含義從概率意義上理解才更符合實際，人們基于這一思想尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)解的合理方法，就是基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是結(jié)構(gòu)可靠度分析和優(yōu)化設(shè)計兩種技術(shù)的綜合。事實上,由于優(yōu)化和可靠度概念的本質(zhì)聯(lián)系,基于可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計幾乎和可靠度的概念同時出現(xiàn)。早在19246年,Forsell就開始了基于可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究。其

3、發(fā)展過程可分為兩個階段:以元件可靠度或以各失效模式的可靠度為約束條件的優(yōu)化設(shè)計方法和以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率為約束條件(目標(biāo)函數(shù))的優(yōu)化設(shè)計方法?；诳煽慷鹊慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計特點(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)多樣性；(2)結(jié)構(gòu)約束多重性；(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計不確定性。基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平劃分基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平，可以根據(jù)設(shè)計變量的特性分為四種：其一、設(shè)計變量為截而尺寸，即截而優(yōu)化；其二、設(shè)計變量為截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸即形狀優(yōu)化；其三、設(shè)計變量為結(jié)構(gòu)特性參數(shù)、截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸，即結(jié)構(gòu)優(yōu)化；其四、設(shè)計變量為材

4、料參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性參數(shù)、截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸，即總體優(yōu)化?；诳煽慷鹊臉蛄航Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，一方面其在結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入概率論和數(shù)理統(tǒng)計原理，充分考慮設(shè)計參數(shù)的隨機(jī)性和材料、施工質(zhì)量的不確定性，使人們有可能利用可靠度或是失效概率，定量、科學(xué)地描述結(jié)構(gòu)的安全可靠程度；另一方面，考慮以最低的費用消耗來達(dá)到規(guī)范所要求的技術(shù)指標(biāo)，從而達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計重點研究方向6(1)對符合橋梁結(jié)構(gòu)特點并實用可行的優(yōu)化模型的研究。對橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的邏輯功能關(guān)系的研究。在結(jié)構(gòu)體系可靠度理論中，較多較成熟的研究

5、是關(guān)于“串聯(lián)系統(tǒng)”的，因而，將橋梁結(jié)構(gòu)劃分為若干具有串聯(lián)關(guān)系的單元（單元既可以是單個構(gòu)件也可以是組合構(gòu)件，并且這種組合可能出現(xiàn)并聯(lián)、混合關(guān)系）可以簡化問題，對橋梁可靠度優(yōu)化設(shè)計具有十分重大的意義。(2)對單元失效之間和失效模式之間的相關(guān)性問題研究。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中十分關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)就是關(guān)于可靠度的計算。這就需要合理的考慮單元（構(gòu)件）失效之間的相關(guān)性和失效模式之間的相關(guān)性，從而避免重大誤差的出現(xiàn)。研究對橋梁結(jié)構(gòu)起控制作用的失效模式，以便在抓住主要矛盾的同時又簡化問題。對橋梁結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）造價和可靠度之間的函數(shù)關(guān)系表

6、達(dá)式的研究，以及研究結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）失效損失值的估計方法。(3)對適用于橋梁結(jié)構(gòu)可靠度分析和計算方法的研究。主要包括對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的可靠度計算。橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中對控制參數(shù)的選擇，通常應(yīng)該滿足如下要求：其一，具有高度的綜合性質(zhì)，能充分代表結(jié)構(gòu)對構(gòu)建的要求；其二，借助這些參數(shù)可以建立各構(gòu)件之間的橫向約束關(guān)系；6其三，這些參數(shù)之間要有明確的關(guān)系。在設(shè)計中，通常作為設(shè)計變量的是那些對結(jié)構(gòu)起著重要作用、會直接影響結(jié)構(gòu)性能的參數(shù)。而將那些變化范圍不大、根據(jù)構(gòu)造要求或是局部性的設(shè)計考慮能滿足要求的參數(shù)作為預(yù)定參數(shù)來考慮，

7、從而減少在設(shè)計、計算及編制程序過程中的工作量。雖然橋梁結(jié)構(gòu)是由單個的構(gòu)建組成的，但是在橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)該從整體上考慮，以達(dá)到顧全大局優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。但同時也需注意，單個橋梁構(gòu)件的參數(shù)選取如果不當(dāng)，也會影響整個橋梁的總體使用功能?；诳煽慷鹊臉蛄航Y(jié)構(gòu)優(yōu)化模型在優(yōu)化設(shè)計的解決過程中最重要的一個步驟就是數(shù)學(xué)模型表示出優(yōu)化設(shè)計問題。建立一個優(yōu)化設(shè)計模型。主要包含定義設(shè)計變量、確定目標(biāo)函數(shù)和構(gòu)造約束函數(shù)這三個要素。設(shè)計變量包括構(gòu)件材料的力學(xué)特性、構(gòu)件尺寸、描述結(jié)構(gòu)幾何布置的參數(shù)和在設(shè)計過程中能夠定量處理的各種量，

8、它們的改變過程標(biāo)志著設(shè)計方案的改變。而目標(biāo)函數(shù)又可以稱之為效益函數(shù)、費用函數(shù)，設(shè)計方案的優(yōu)化過程就是找到這個函數(shù)的最小值，一個設(shè)計方案是否具有優(yōu)越性就是以其作為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行衡量的。設(shè)計必須滿足的條件就是約束函數(shù)，一般是由設(shè)計規(guī)范或是規(guī)程規(guī)定或是設(shè)計者的特殊要求。約束函數(shù)可以是對一些變量的直接限制，也可以是這些變量無法直接表示的函數(shù)關(guān)系。6結(jié)構(gòu)可靠性模型有隨機(jī)變量可靠性模型、半隨機(jī)過程可靠