考虑失效模式和验证模式相关性的桥梁结构体系可靠度分析

摘要

在役桥梁结构在长期服役过程中经历了大量的车辆荷载及环境荷载，通过对桥梁结构进行健康监测，可以得到结构的荷载效应信息(应力、应变、挠度等)。而桥梁结构健康监测系统在长期的运营过程中，积累了大量的健康监测信息，怎样利用这些监测信息对结构体系的时变可靠度进行合理的修正和预测分析已成为桥梁健康监测领域的瓶颈问题之一。本文主要基于历史和实时监测的荷载效应信息，采用Copula理论和贝叶斯动态模型(BDMs)理论，对结构体系的时变可靠度修正和预测分析进行了系统的研究，主要研究内容如下：
　　(1)针对具有多个相关失效模式的二元结构体系和多元结构体系，采用贝叶斯Copula建模方法，选出最优Copula函数构造混合Copula函数，得到串联体系、并联体系、串-并联体系以及并-串联体系时不变可靠度的Copula函数表达式，通过算例分析表明：考虑失效模式相关性计算所得的结构体系失效概率比不考虑失效模式相关性所得的体系失效概率偏大，说明不考虑失效模式相关性的体系可靠度计算结果偏于保守。
　　(2)基于历史荷载效应信息，对结构构件的抗力概率模型进行修正分析；基于实时监测的荷载效应信息，采用组合BDMs对结构构件的荷载效应进行预测分析；基于修正的抗力信息和预测的荷载效应信息，采用一次二阶矩方法(FOSM)对桥梁构件的可靠度进行修正预测分析，进而实现结构体系可靠度的修正预测分析。通过实桥分析表明：基于实测信息，预测模型修正之后所得的可靠指标均比修正之前预测的可靠指标大，说明修正之前预测模型所得的可靠指标偏于保守。
　　(3)考虑到由于共同输入时变随机变量引起的输出时变变量之间存在着时变非线性相关性，引入贝叶斯动态模型(BDMs)，建立了输出效应的预测模型以及输出效应之间的时变相关系数模型。结合 Gaussian Copula理论，建立了Gaussian Copula-BDMs模型，该模型可以考虑时变输出变量之间的时变非线性相关性，因而能够更合理地对结构的时变可靠度进行分析。通过实桥分析表明：基于Gaussian Copula-BDMs模型预测得到的时变可靠指标均比不考虑构件失效模式时变相关性所得的值偏小，从而说明体系可靠度分析考虑失效模式相关性的必要性。
　　(4)基于采集的日常荷载效应信息，定义了构件的时变验证荷载效应；基于验证荷载效应信息，建立了构件的时变验证模式及对应的时变功能函数；基于实时监测信息，建立了贝叶斯动态模型(BDMs)对构件荷载效应进行预测分析。考虑到结构构件的失效模式、结构构件的时变失效模式与时变验证模式之间存在时变近似线性相关性，基于构件失效模式和验证模式对应的时变功能函数以及时变近似线性相关系数，采用条件概率法和Copula理论，对结构体系的可靠度进行了合理的修正和预测分析。通过实桥分析表明：考虑构件失效模式和验证模式相关性预测得到的可靠指标比不考虑构件失效模式和验证模式相关性预测得到的值偏大，验证了考虑构件失效模式和验证模式相关性的合理性和必要性。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 桥梁结构体系可靠度的研究现状与问题分析

1.3 桥梁结构时变可靠度的研究现状与问题分析

1.4 桥梁结构可靠度修正及预测的研究现状与问题分析

1.5 基于Copula理论的结构可靠度研究现状

1.6 本文的课题来源、主要研究内容及技术路线

第2章 基于混合Copula模型的结构体系可靠度分析

2.1 引言

2.2 结构体系联合失效概率的传统表达式

2.3 混合Copula函数及其建模

2.4 结构体系联合失效概率的混合Copula模型表达式

2.5 算例分析：简支空心板桥的体系可靠度分析

2.6 本章小结

第3章 基于随机验证荷载效应和监测数据的桥梁结构时变可靠度修正与预测分析

3.1 引言

3.2 基于历史荷载效应的桥梁构件抗力概率模型修正

3.3 随机荷载效应的贝叶斯动态模型(BDMs)及其概率递推

3.4 桥梁结构构件可靠度的修正与预测分析

3.5 不考虑失效模式相关性的结构体系可靠度分析

3.6 算例分析1：五跨连续钢板组合梁桥

3.7 算例分析2：伊通河桥

3.8 本章小结

第4章 考虑失效模式相关性的桥梁结构体系时变可靠度预测分析

4.1 引言

4.2 Gaussian Copula理论

4.3Gaussian Copula-BDMs模型

4.4Gaussian Copula-BDMs模型的建立

4.5 考虑失效模式相关性的结构体系可靠度预测分析

4.6 算例分析

4.7 本章小结

第5章 考虑失效模式与验证模式相关性的桥梁结构体系时变可靠度修正与预测分析

5.1 引言

5.2 桥梁构件的验证荷载效应

5.3 基于BDMs的桥梁结构荷载效应概率预测分析

5.4 基于验证荷载效应的桥梁结构可靠度修正分析

5.5 算例分析

5.6 本章小结

结论与展望

主要结论

主要创新点

研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

声明

致谢

个人简历