基于可靠度理论的大跨屋盖结构抗风优化方法

发布时间：2020-05-31 09:43

【摘要】：针对大跨屋盖结构的风敏感性,以及自振频率低且分布密集等特点,本文从概率的角度应用可靠度理论考虑不确定性因素对风致响应的影响,建立了一套适用于大跨屋盖结构的基于可靠度理论的抗风优化设计方法。在优化设计中以双层柱面网壳结构为优化对象,采用最优准则法(Optimality Criteria,简称OC法)为优化算法,以结构总质量为目标函数,并考虑了竖向位移、拉应力强度和压杆稳定三类可靠性约束条件,通过调整杆件截面尺寸,达到既满足结构抗风安全性能的可靠性要求又实现结构总重最小化的目的。主要包含以下内容:(1)根据风工程中不确定性来源的分类,选取平均风速、结构阻尼比和峰值因子作为随机变量,分别用于考虑风场、结构自身特性、结构与风场的相互作用中的不确定性。采用谐波激励法(Harmonic Excitation Method,简称HEM法)计算大跨屋盖结构的风致响应。合理选取试验点,通过基于多项式的响应面法(Response Surface Method,简称RSM法)构造关于随机变量的显式结构功能函数,解决了因大跨屋盖结构的功能函数为隐式而难以进行可靠性分析的问题,并计算了双层柱面网壳结构在风荷载下的失效概率。(2)为了避免功能函数非线性程度较高时改进的一次二阶矩法(Advanced First Order Second Moment,简称AFOSM法)可能出现的不收敛情况,以及蒙特卡洛法计算量大的问题,采用逆可靠度方法对确定性抗风优化后的双层柱面网壳结构进行可靠性评估。通过一次逆可靠度算法求得考虑不确定性因素后的风致响应,直接通过风致响应与规范限值的比较来评估结构是否满足可靠性要求。结果表明,确定性抗风优化后的双层柱面网壳结构不满足可靠性要求。(3)对双层柱面网壳结构进行基于可靠度理论的抗风优化设计,采用序列优化与可靠度评定方法(Sequential Optimization and Reliability Assessment Method,简称SORA法)将可靠性评估环节与确定性优化环节分离以提高优化效率,仅经过三个循环周期便达到了收敛。结果表明,确定性抗风优化后的结构总重比优化前减少了30.2%,而可靠性抗风优化后的结构总重比优化前减少了15.2%,说明考虑不确定性时,结构总重比确定性优化增加了15.1%,表明了在抗风优化中考虑不确定性因素的必要性。(4)通过四种考虑不同可靠性约束组合的设计方案对比得知,压杆稳定可靠性约束条件对设计变量的约束能力最强。仅将压杆稳定约束考虑为可靠性约束,其他约束采用确定性形式,不但可保证优化设计后的结构满足长细比要求且在位移、应力强度以及压杆稳定性能上满足可靠性要求,而且可在可靠性评估环节上减少约三分之二的计算量。
【图文】：

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第一章绪论题背景及意义灾是全球范围内影响最大的自然灾害之一，它破坏威力大、发生频繁、持点对人类生活及社会有着重大影响。在我国，特别是沿海地区，台风发生于地震，根据中央气象台编制的《台风年鉴》，在 1949~2000 年间，共有陆广东，每年平均登陆 3.5 次[1]，，最高可达 7 次，如图 1-1 所示。除此之料表明，风灾造成的损失位居各种自然灾害之首[2]。德国对 1961 年以后害进行数据统计后，发现风灾害发生的次数占据所有灾害发生次数总量的发的破坏量占全部损失的 40.5%；我国在 90 年代前 5 年每年因风灾造成达到 100 亿元以上，仅 1994 年的 9415 号台风就导致了浙江省高达 177．损失，大面积建筑受到不同程度的破坏，包括机场屋盖被吹坏等，因而引者和工程师对风工程的高度重视[3]。

大跨屋盖

基于可靠度理论的大跨屋盖结构抗风优化方法计的步骤一般是先进行设计再校核是否满足规范要求，这会使得结构设计过于保守，从而造成了材料的浪费[7]，而优化设计则是在一定约束条件下寻找最优设计方案（在保证结构安全的前提下寻找最节约材料的设计方案），可以达到保证安全性且节省材料的目的，因此有必要对大跨度屋盖结构进行抗风优化研究。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU352.2

【参考文献】