一种大型复杂建筑结构抗震可靠性分析方法

计算复杂结构的抗震可靠度需要进行大量仿真分析因而计算成本较高,使用代理模型拟合功能函数可以提高计算效率,但如何在提高工程结构可靠性分析效率的同时保证计算精度是一个值得研究的问题。提出一种基于Kriging模型的可靠性分析方法,其以较少次功能函数的计算建立Kriging代理模型,通过加点采样来提高功能函数代理模型的精度,结合Monte Carlo模拟得到失效概率的近似值。分析了2个数值算例,结果表明该方法是高效的和准确的。将其应用于巨-子型有控结构的抗震可靠度计算中,其中考虑了结构和地震作用的随机性,分析结果表明该方法是一种适用于复杂建筑结构可靠性分析的有效方法。     

利用双参数地基模型修正反应位移法弹簧

为得到一种模型简单、计算精度高,且能更好反映土-结构相互作用的地下结构抗震设计方法,根据双参数地基模型的原理,用比传统单参数模型更加接近土体性质的双参数模型简化土体,并根据受力和变形特性对双参数计算模型进行简化,最终得到能考虑土体间相互作用的修正反应位移法.修正方法计算模型与传统反应位移法相比,仅仅是法向弹簧的基床系数进行了一定的修正,仍然是一种模型简单的计算方法.建立数值模型进行分析,以动力时程计算结果为基准,并与传统反应位移法作对比验证修正方法的正确性.结果表明,相比传统采用离散弹簧模拟土体的反应位移法,修正方法的内力及变形误差能减小一半左右,由此得到修正方法是一种模型简单且计算精度较高的设计方法,能够应用到地下结构抗震设计中.     

基于改进Kriging代理模型的土质边坡稳定可靠度分析方法

提高土质边坡稳定可靠度计算的精度和效率对工程设计具有重要的意义,为此提出了基于改进Kriging代理模型的土质边坡稳定可靠度分析方法。首先采用基于模拟退火的粒子群算法优化Kriging模型相关参数,并以一典型算例验证了该模型的良好函数拟合能力。接着将改进的Kriging模型作为边坡极限状态函数的代理,通过拉丁超立方抽样获得样本点,并由有限差分强度折减法计算样本点对应的响应值,利用基于熵理论的学习函数逐步更新代理模型,直至达到精度要求,进而基于该模型通过蒙特卡洛模拟评估边坡失效概率。最后,以一双层土质边坡问题为例,研究了所提方法的有效性。结果表明:所提方法不仅能够逐步提高计算精度,且极大地降低了计算量,为复杂边坡稳定可靠度问题提供了一种高效的评估方法。     

海洋环境下CFRP加固梁的时变可靠度分析

建立了海洋环境下CFRP加固梁的时变抗力表达式,对影响抗力的相关变量做了统计分析,并根据Monte Carlo-JC法和Monte Carlo法分别编制了计算程序。通过将抗力简化为各时段的随机变量,Monte Carlo-JC法先用Monte Carlo法抽样得到各时段抗力样本值,进而获得抗力统计参数,然后用JC法计算构件的时变可靠度。结果表明,未加固梁的可靠度在开始几年变化不大,第5年后开始迅速下降;在第15年用CFRP加固后,可靠度大幅提高,到第30年仍具备较好的安全性。以Monte Carlo法的计算结果作为精确解,通过对比,证明上述采用的Monte Carlo-JC法是一种高效且偏安全的可靠度计算方法。     

全局自适应拟Monte Carlo技术在数字期权中的运用

运用优化分层Monte Carlo模拟和比例分层Monte Carlo模拟两种方法计算数字期权的Δ值,结果表明优化分层Monte Carlo模拟计算的效果优于比例分层Monte Carlo模拟。针对优化分层Monte Carlo不能有效地配置模拟样本点资源以及计算速度较慢的缺点,采用全局自适应拟Monte Carlo模拟方法计算数字期权的Δ值,并对优化分层Monte Carlo模拟方法和全局自适应拟Monte Carlo模拟方法的计算结果进行比较。结果表明,在期权定价方面,全局自适应拟Monte Carlo模拟方法比优化分层Monte Carlo的计算精度和效率更高、计算方差和误差更小。     

基于随机有限元-一次二阶矩法的汽轮机叶片可靠度计算

针对汽轮机叶片在工作中诸多参数的不确定性,通过建立叶片的力学模型,将随机有限元和一次二阶矩法相结合,对其进行了可靠度计算,并将随机有限元法的计算结果与解析法和 Monte Carlo 法进行了比较,证明了随机有限元法的正确性。对叶片的可靠度分析表明:当不能用解析法得到载荷响应,且载荷响应的概率密度函数无法得到时,采用随机有限元— 一次二阶矩法对结构进行可靠性分析是一种便捷方法。     

供水管网地震漏损蒙特卡洛模拟分析

为研究供水管网在不同地震烈度下的漏损情况和水力特性,基于管道地震破坏评估模型和概率分析方法,对不同地震烈度下管线的破坏概率和渗漏状态进行了计算分析,引入折减系数对管段抗震可靠度分析方法进行改进,并与传统计算方法比较,验证了其合理性。发展了Monte Carlo模拟技术在供水管网流分析方面的应用,并考虑带渗漏和爆管两种出流方式。编制程序对一大型管网进行了模拟分析,给出了震后带漏损情况下管网的漏失率和破坏情况,结果与实际地震灾害情况相符。     

考虑土体参数不确定性的供水管道地震响应分析

埋地管道周围土体性质沿管道纵向存在不确定性,直接影响到埋地管道的地震响应规律和抗震性能。为此,基于设计反应谱合成不同抗震设防烈度下的人工地震动,采用简化弹性地基梁模型,分析地震行波作用下的管道接口动力响应。考虑因安装环境差异、管道老化等因素引起的球墨铸铁管道接口强度的折减,分析土体重度、内摩擦角、黏聚力和土弹簧屈服位移4个不确定性参数对埋地球墨铸铁供水管道地震响应的影响规律,并对不同地震烈度、不同薄弱接口抗拉强度折减系数土参数不确定性规律进行总结归纳。算例分析表明:与确定性参数模型计算结果相比,4个不确定性参数对接口峰值动力响应的影响程度依次为黏聚力、内摩擦角、土体重度、土弹簧屈服位移,同时考虑4个不确定性参数的模型对结果影响最大,最大接口张开量的变异系数可高达9.54%；考虑土体参数不确定性的均值与确定性工况基本一致,最不利值为确定性工况的1.09~1.31倍；管道局部接口抗拉强度的折减对管道接口位移的响应影响显著。基于计算结果给出了不同地震动强度下接口薄弱系数与接口最大张开量的预测公式。     

UPVC与球墨铸铁管线柔性接口有限元分析

目的验证利用实体单元模型对UPVC与球墨铸铁管线接口进行抗震性能分析的正确性．方法对采用橡胶圈连接（柔性接口）的球墨铸铁与UPVC管线,在有水与无水的情况下,进行模拟拉拔试验,通过模拟计算结果和试验结果对比分析,比较UPVC与球墨铸铁管线接口的抗震性能．结果管径相同时,球墨铸铁管线比UPVC管线的抗震性能好;管内有水情况下,构件接头处的管线与橡胶圈之间的摩擦力增大,因而接口反力变大,有利于提高管线接口的抗震性能．结论有限元模拟结果与试验结果基本一致,说明利用实体模型的数值模拟方法进行管线接口的抗震性能分析是正确的．     

考虑管土分离的基坑开挖引起邻近地下管线位移分析

在城市建设中,深基坑开挖会对邻近既有地下管线产生较大威胁。目前,基于有限元数值模拟和传统弹性地基梁模型分析方法无法考虑由于管线与土体之间刚度和变形的差异性而造成的管土相互分离现象,使得对于基坑开挖引起管线变形的预测偏于不安全。基于Pasternak弹性地基梁理论,引入管土相互分离计算模型,推导了基坑开挖引起的邻近管线变形计算解析解。参数分析结果表明,管线最大位移随管土分离段长度的增大而增大,且当管线抗弯刚度较小时,土体剪切作用对管线变形影响较大。通过理论计算结果和有限元数值模拟结果及现场实测数据的对比,验证了分析模型的适用性。     

地震灾害下埋地管道的有限元分析

管道运输是输送油气等重要物资的主要手段,而地震对埋地管道的破坏是难以修复的。首先,基于非线性动力学理论,运用ANSYS有限元软件建立了管道?土体模型;然后,建立管道与土体之间的非线性接触模型,通过对有限元模型施加载荷,得到了埋地管道的静力分析结果;最后,对埋地管道施加不同的地震波并进行了比较。结果表明,管道的上部和下部在地震波的影响下产生了较大的位移;随着输入的地震波逐渐加大,管道下部的位移减小,但仍大于管道两侧的位移。由此可知,发生地震时管道的上部和下部受到的影响较大。     

地下管道的震害预测模型及随机可靠性分析

地下管线在地震作用下的变形受到多种复杂因素的影响,具有明显的随机性,影响对其可靠性分析时相关参数的取值.考虑地震作用效应和管道抗力的随机特性,建立了埋地管道单元的概率预测模型,比较了管道随机变量采用不同的概率分布模型对管道抗震可靠性影响的差异,建议管道的允许变形和实际变形分别采用正态分布和极值Ⅰ型分布进行计算.     

地下供水管线震害分析与铸铁管接口抗拉实验研究

目的通过对埋地球墨铸铁管线柔性接口抗拉静载试验研究,分析管线接口力学性能,确定在地震作用下管线接口抗拉拔强度.方法对采用胶圈连接的柔性接口球墨铸铁管线,在不覆土的情况下,分别进行了两种管径、注水、不注水的静载拉拔试验.结果得出管线柔性接口轴向拉力与接口相应位移关系曲线,分析管线接口抗拉拔即抗震的影响因素,确定抗震性能.结论球墨铸铁管线接口抗震性能与管径有关,管径越大,其抗震性能越好.球墨铸铁管线接口抗震性能与管内水压有关,注水管线比不注水管线抗震性能要好.     

地表爆炸作用下钢筋混凝土管道裂缝扩展机制

为了研究地表爆炸作用下埋地管道的安全性,针对城区内常见的浅埋承插式钢筋混凝土管道,设计并实施全尺寸埋地管道地面爆炸现场试验. 结合全耦合数值模拟手段及分离式钢筋混凝土建模方法,基于混凝土smeared crack模型,分析地表爆炸作用下承插式钢筋混凝土管道结构体系的动力响应特征及管道裂缝扩展机制. 研究结果表明,地表爆炸作用下,管道内壁开裂以斜向裂缝和环向裂缝为主. 斜向裂缝均出现在管道的承插接口处. 当爆源位于管道承插接口上方和管身中部正上方时,距爆源最近的管道承插接口处均产生明显的斜向裂缝. 承插接口是承插式钢筋混凝土管道体系抗爆的薄弱部位.     

基于Kerr地基模型单井降水邻近管线变形计算方法

为了研究单井降水对邻近管线的影响，基于Kerr地基模型结合两阶段法提出了一种单井降水引起邻近管线竖向变形的计算方法。在第一阶段采用有效应力原理与Dupuit假定计算出降水引起邻近管线受到的附加应力，第二阶段将管线视作搁置在三参数Kerr地基上Euler-Bernoulli梁，以此模拟管线与土的相互作用进而推导出管线的竖向位移。通过与原位降水试验及Winkler模型的结果进行对比，验证了所提方法的准确性，并进一步分析了土体弹性模量、渗透系数、管-井间距以及水位降深变化对管线竖向位移的影响。分析结果表明：所采用的Kerr地基模型考虑了土体变形的连续性，相比Winkler地基模型更具优越性；土体渗透系数及管-井间距对管线变形影响较小，而土体弹性模量与降水井内水位降深影响较大；土体弹性模量减小、水位降深增大均导致管线变形明显增大，且易引起管线位移超过允许值，应针对相应因素采取防控措施。     

跨越管线抗震研究现状与展望

管线是能源等气、液态介质输送的主要形式,跨越管线是跨越河、沟、渠或障碍物等的重要手段。目前,对地下管线的地震反应研究较多,而对部分管段埋地部分管段悬空的管线研究较少,本文主要从管线模型、地震载荷分析、动力学方程及其解的方法与地震响应、架空管线震害预测等几方面对跨越管线的抗震研究现状进行介绍与展望。     

Submarine Pipeline Lateral Global Buckling and Buckling Failure Critical State Discussion

深海高温管线水平向整体屈曲破坏临界状态分析

洪兆徽, 刘润

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072）

创新点说明：

1） 在分析国内外已有土体对水平向运动管线的约束力模型的基础上,通过室内模型试验,改进和修正了土体约束力计算方法,建立了随水平向位移变化的动态土体约束力模型;

2）在有限元分析中引入动态土体阻力模型,基于更为真实的管土相互作用接触本构上对管线的整体屈曲和破坏进行了分析;

3）研究了管线的水平向整体屈曲和破坏极限,探究了不同形式破坏下的差异。

关键词：深海管线;水平向整体屈曲;管土相互作用分析;数值模拟研究;后屈曲临界状态

     

基于有限元方法的悬空管道稳定性分析

自然灾害中的土体塌陷严重威胁埋地管道的稳定性。为了研究埋地管道在悬空塌陷区的稳定性,基于有限元方法,研究了壁厚、外径不同的埋地弯管在悬空状态下的位移、应变和应力;采用特征值屈曲理论,研究了一定条件下埋地弯管在土体塌陷时所能承受的极限长度。结果表明,减小管道在土体中的埋深、增大管道外径以及壁厚,可以有效降低管道在土体塌陷过程中的位移,管道的应力和应变均发生在塌陷区的中心和两侧固支端的位置;管道外径、壁厚的提高,可以在一定程度上抑制局部应力过高;埋地弯管在采空区的极限长度约为87 m,并且增大管道外径和壁厚可增强埋地弯管在土体塌陷过程中的抗屈曲能力。     

地震作用下埋地管线轴线随机反应

利用随机振动理论,导出了埋地管线在大空间地面运动过程中的动力反应.在建立管线模型时,接头简化为刚性,管线简化为弹性地基梁.实例计算表明,对于轴向振动,埋地管线的各阶固有频率均十分接近,计算应力时需考虑较多的振型.管线中部的位移、应力不随管线长度变化.地震动的空间相关性对管线随机振动影响很大,应慎重选取地震地面运动的功率谱模式.