基于多线性支持向量机的样本点正确分类与复杂失效方程稳步模拟

为克服一般响应面方法重构复杂隐式失效方程所需样本数量较多、精度较差的不足,提出了一种基于多线性支持向量机的结构失效方程模拟方法。该方法的显著特点是应用了样本点正确分类技术,因而其求解精度随着样本点数量的增多而稳步趋近于真实失效方程。其主要求解过程为,(1)结合均匀设计方法,生成均匀的紧邻极限状态曲面的失效和可靠样本点。(2)依据样本点向量模和样本点向量间夹角余弦值将总体空间划分成多个子空间,确保每个子空间内的样本点能由一个线性支持向量机完全分开。(3)采用一种基于扩充样本点对的迭代算法不断更新样本点集合,从而逐步修正模拟的多个线性失效方程。算例分析表明,无论失效方程为强非线性函数还是多个失效模式组成的分段函数,该方法的计算精度与效率均较为稳定。这为具有复杂失效方程结构的可靠度分析提供了有益参考。     

基于贝叶斯支持向量回归机的自适应可靠度分析方法

进行复杂结构可靠度分析时,由于涉及隐式功能函数和耗时的数值计算,减少结构模型的调用次数在提高分析效率方面显得尤为重要。为此,本文基于贝叶斯支持向量回归机,提出了一种高效的自适应可靠度分析方法。该方法利用贝叶斯支持向量机提供的概率估计信息(均值和方差)构建学习函数,同时通过引入样本间的距离测度防止选取与现有样本过于临近的冗余点,进而能快速有效地选取极限状态曲面附近具有代表性的样本点,以提高代理模型的构建速度和预测精度。此外,在学习过程中引入了有效抽样域策略,有针对性地选取对失效概率估计误差贡献大的点,从而进一步提升结构可靠度分析的计算效率。最后,通过数值算例验证了本文方法对结构可靠度分析的适用性和有效性。     

基于支持向量机替代模型的可靠性分析

建立了基于支持向量机回归算法和分类算法的替代模型可靠性分析方法,与蒙特卡罗法结合,采用拉丁超立方抽样技术,进行隐式极限状态函数的可靠度计算。讨论了相关参数对支持向量机模型性能的影响,并通过遗传算法进行参数优化,为支持向量机模型的参数选择提供了依据。研究了不同训练样本数量对支持向量机模型预测值精度的影响,进一步证实了支持...     

基于SVM的结构可靠度分析响应面方法

响应面法是解决隐式极限状态方程结构可靠度分析问题比较理想的方法,其关键问题是响应面函数的重构。根据响应面方法经验点集的小样本特点,利用支持向量机(SVM)对小样本数据良好的学习和泛化能力,用SVM重构结构响应面方程,建立了基于SVM的隐式极限状态方程结构可靠度分析的响应面方法。在此基础上,文中提出了改进SVM响应面方法,改进的方法充分利用每次有限元计算成果,大幅减少了有限元计算次数。算例表明本文方法具有很好的计算精度和计算效率。     

基于缩减样本窗口的响应面重构方法

具有隐式功能函数的复杂结构可靠度分析常采用响应面方法。对于功能函数非线性程度较高的结构可靠度分析的响应面迭代重构问题,由于一般响应面方法样本窗口过大,导致迭代分析精度难以提高。本文提出了响应面重构中样本窗口的确定原则,并建立了结构可靠度分析的缩减窗口序列响应面重构方法。多个数值试验表明：该方法迭代收敛迅速,计算精度较高...     

有理多项式技术有工程结构可靠度分析中的应用

给出了在相关空间中改进JC方法计算结构可靠指标的迭代格式,并采用有理多项式技术计算功能函数的偏导数,以模拟实际工程中常见的功能函数不能明确的可靠度计算问题。因此,功能函数无论是线性或非线性,显式或隐式,该方法都简单且适用。数值结果表明本文方法具有较好的效率和精度。     

基于主动学习Kriging模型和子集模拟的可靠度分析

工程结构的功能函数大多数具有隐式非线性程度高的特点,且失效概率较小,需要复杂的有限元分析计算。针对工程实际中大量存在的小失效概率问题,本文提出了基于主动学习Kriging模型和子集模拟方法相结合的可靠度分析方法——AK-SS。AK-SS方法有子集模拟求解小失效概率和主动学习的Kriging模型代替真实功能函数的优势。该方法首先采用Kriging模型代替真实功能函数,通过主动学习方法逐步扩充实验设计点,逐步改善Kriging模型的精度;然后利用子集模拟方法的基本思路,通过引入合理的中间失效事件计算小失效概率。结果表明,AK-SS方法在保证结果精度的同时减少了功能函数的评估次数,对于工程实际中具有隐式功能函数的小失效概率计算问题具有较强的应用前景。     

非概率可靠指标和可靠度定义的比较研究

首先对几种主要的非概率可靠指标、可靠度进行了整理介绍;然后针对区间和椭球两个基本模型,对非概率可靠指标和可靠度的定义、几何意义以及计算公式进行了系统的比较分析。结果表明:线性情况下,区间可靠指标对结构功能函数具有不唯一性,椭球可靠指标与结构功能函数一一对应。因此,基于均值和离差之比定义的非概率可靠指标不适用于区间模型用来衡量结构的可靠程度。本文还将区间可靠指标与可靠度、椭球可靠指标与可靠度进行了比较,并将非概率可靠度与服从均匀分布、正态分布的概率可靠度以及服从三角形分布的非精确概率可靠度进行了比较,结果表明:区间模型相对于其他模型较为保守,椭球可靠度与概率可靠度和三角形分布下的非精确概率可靠度相接近。     

基于主动学习Kriging模型的可靠性分析

本文采用Kriging模型代替结构真实功能函数,引入主动学习函数,序列选择最佳样本点,在每次迭代中加入最佳样本点更新Kriging模型。与直接的蒙特卡洛方法相比,主动学习Kriging模型仅需要少量的结构分析就能够得到精度较高的可靠度结果,适用于实际工程具有隐式功能函数的结构可靠性分析。本文通过三个数学算例,从最佳样本点的分布情况、功能函数的拟合程度及可靠度计算结果出发对四种学习函数进行对比研究,最后对具有隐式功能函数的悬臂板进行可靠度分析。结果表明,主动学习函数的引入,合理选择了Kriging模型所需的样本,提高了计算效率,同时,学习函数的选择对结构可靠性分析结果也存在影响。     

基于LCF-Kriging模型的结构多失效模式可靠度计算

针对多失效模式下结构体系可靠度计算中的代理模型构建成本与计算精度如何权衡的问题,本文以减小体系失效概率预测方差为出发点,推导出最大贡献函数（LCF-Largest Contribution Function）来识别对体系失效概率方差影响较大的样本。LCF函数可减少对体系失效概率方差影响较小区域内样本数量,进而提高代理模型的计算效率;通过置信水平和允许相对误差建立LCF函数的学习停止条件,能够保证已有样本信息不浪费。本文选取能够对多个功能函数联合构建的多输出Kriging模型作为代理模型,基于LCF-Kriging模型并结合MCS对体系可靠度进行计算,功能函数的相关性可通过各失效模式的逻辑关系予以考虑。数值算例表明,在适当的学习停止条件下,对于串联、并联和串并混联的结构体系可靠度评估,本文方法均能在计算精度和计算效率之间达到满意平衡。     

基于首超破坏机制的大跨斜拉桥抖振动力可靠性分析

分别采用泊松分布和马尔可夫过程，给出了在一次强风作用下以及在设计基准期内桥梁结构某一特定截面或节点的抖振动力可靠性分析方法。然后，考虑斜拉桥的结构特点及其承受风荷栽的具体情况，确定了以斜拉桥的主梁系统为研究对象的结构体系抖振动力可靠性分析模型。在此基础上，采用串联失效模式，建立了斜拉桥主梁系统抖振动力可靠性分析过程。本文采用有限元法分析结构的空气静力响应。为了快速、准确地计算结构的抖振响应，考虑气弹力与抖振力的联合作用以及多模态耦合效应，采用有限元法和虚拟激励法相结合分析结构的抖振响应。最后，以某大跨斜拉桥为工程背景，对其主梁系统进行了基于刚度要求的抖振动力可靠性分析。     

大气环境下的钢筋混凝土桥梁时变可靠度分析

为了探究钢筋混凝土桥梁抗力退化对桥梁可靠性能的影响,综合考虑一般大气环境下混凝土强度、钢筋强度、混凝土与钢筋黏结性能的降低,建立普通钢筋混凝土桥梁的抗力退化时变模型,分析规范车辆荷载作用的桥梁时变可靠度。研究结果表明,(1)一般大气环境下,桥梁抗力随着服役时间的增加而减小,其中钢筋强度退化对桥梁抗力的影响最大,其次是钢筋与混凝土黏结性能降低,而混凝土强度退化对桥梁抗力的影响相对较小; (2)桥梁可靠指标随着服役时间的增加而减小,密集行车占比越大,桥梁承载能力失效的概率就越大;非平稳车载作用下的桥梁可靠指标小于平稳车载,桥梁需要维修补强的时间比平稳车载提前; (3)多梁式简支梁桥在建造时应该提高边梁的安全储备,在管养时可以采取限载措施进行干预。     

斜拉桥合理成桥状态确定的序列二次规划法

本文首先介绍斜拉桥合理成桥状态的概念和现有的斜拉桥索力优化方法。然后基于序列二次规划(SQP)算法，提出了一种用于确定斜拉桥成桥合理状态的实用方法，序列二次规划法。该方法通过建立斜拉桥索力优化的非线性规划模型，以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数，以各斜拉索的索力为设计变量，结构的应力和索力为约束条件，并计人大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响，采用强次可行序列二次规划法进行优化求解，确定斜拉桥成桥合理状态的索力。运用该方法和空间非线性有限元分析程序分析了某斜拉桥的合理成桥状态，计算结果表明该方法简单、有效。     

基于刚度相似原理的斜拉桥模型设计方法

模型试验是测定结构性能进行科学研究的重要手段之一,目前关于斜拉桥模型设计方法的系统研究还很少。本文提出了斜拉桥模型设计的总体思路,对结构静动力模型的相似关系进行了推导,并完全按照相似关系设计了一座三跨PC斜拉桥的理想模型桥,将其与实桥有限元数值模拟及原型成桥现场静动力测试结果进行比较分析。结果表明,对于斜拉桥这种组合体系结构,当存在两种弹性模量相似比时,采用刚度相似法处理相似关系是合理的。最后,阐述了实际中制作斜拉桥模型时应考虑的问题,为斜拉桥模型的设计制作提供指导。     

大跨度斜拉桥非线性振动模型与理论研究进展

斜拉桥的非线性动力学问题一直都是力学、结构和桥梁领域的研究热点.随着新材料(如碳纤维增强聚合物索)和新施工工艺的发展,斜拉桥的跨越能力不断得到提高,从而在桥梁建设中更具有竞争力.然而,斜拉桥跨度的增大和新材料的应用使结构变得更轻和更柔,使结构的非线性振动问题比以往更为突出,可能危及桥梁安全.基于课题组近年来对斜拉桥非线性动力学的研究,围绕大跨度斜拉桥的非线性建模理论及动力学问题,较为详细地评述近十年来国内外的研究进展情况.主要从斜拉索非线性动力学模型、梁的非线性动力学模型、索-梁组合结构的非线性动力学模型、斜拉桥整体非线性动力学模型与理论、以及斜拉桥的非线性振动实验等几个方面对斜拉桥非线性建模方法、力学模型、数学模型、求解方法及相应研究成果进行评述和讨论.研究结果表明,斜拉桥由于多柔性索和大跨度梁的耦合问题,以及环境载荷的复杂性,导致其具有丰富的非线性动力学行为.同时由于高维非线性系统求解方法的欠缺,整体斜拉桥非线性动力学行为又相当复杂,深入研究面临很大困难.最后,基于未来斜拉桥的发展趋势和可能面临的突出问题,对斜拉桥非线性振动问题今后的发展方向进行了探讨和展望.      

安装固定气动翼板的大跨桥梁抖振分析

建立了安装固定气动翼板的大跨桥梁多模态耦合抖振分析框架，推演了作用在整个桥梁-气动翼板系统上的抖振力和自激力的显式表达式，考虑了多模态耦合效应．基于有限元法，作用在主梁-气动翼板系统上的抖振力转化为节点力，进一步得到作用在整个桥梁上的抖振力并导出了其功率谱密度矩阵；作用在主梁．气动翼板系统上的气弹自激力转化为节点力，并将其表达为气弹刚度矩阵和气弹阻尼矩阵．通过组集得到系统的运动方程，然后运用虚拟激励法在频域计算系统的抖振响应．以某大跨斜拉桥为例进行研究，结果表明：在主梁下方安装-对固定气动翼板后，主梁的扭转角位移、角加速度以及侧向加速度响应能够得到有效控制。     

青洲斜拉桥的基准动力有限元模型

讨论了斜拉桥有限元动力分析模型,给出了基于环境振动试验结果建立大跨度斜拉桥基准有限元模型的步骤;讨论了桥面初始平衡构型、几何非线性、桥面板、混凝土桥面板与钢梁的剪力连接和端部纵向约束对模型的影响。经通车前现场环境振动试验结果验证的青洲闽江斜拉桥三维有限元模型,反映了桥梁在运营前的真实动力行为,可作为该桥各种复杂响应分析和长期健康监测、使用状态评估的基准。     

基于确定性计算响应面的复杂工程结构不确定性建模研究

由于复杂工程结构具有不确定性参数较多和非线性较强等特点,本文研究了如何用确定性计算响应面方法建立其响应特征和不同自变量之间的高精度模型,以两个典型非线性显示函数和一个含有多个不确定参数的螺栓结构为例,采用高阶幂多项式和最小二乘支持向量机两种方法建立了响应面模型,阐述了用支持向量机建立响应面模型的一般步骤。与高阶幂多项式...     

Fatigue crack growth model for assessing reliability of box-girders for cable-stayed bridge combining SHMS with strain data

Enhancement of the computer algorithm developed for the Runyang cable-stayed bridge (RYCB) in China is made by incorporating the fatigue crack growth analysis in contrast to the SN curve approach. Strain data obtained from the structural health monitoring system (SHMS) and finite element calculations are used. This provides the application of a deterministic method in addition to the probabilistic approach with the added feature of crack growth. The choice of selecting the two-parameter fatigue crack growth criterion was based on the definition of reliability index β such that the new results can be compared with those using the SN curves. A gradual drop of the reliability index β with time with an upper limit was obtained for the crack growth model in contrast to the linear time relation for the SN curve model that had no upper limit. This difference is significant and reveals the importance for selecting the fatigue failure criterion. Deterministic and probabilistic crack growth models are used to assess the differences. The results are based on the box-girder component strain history data of the Runyang Cable-stayed Bridge (RYCB) in China, stress history recorded by structural health monitoring system (SHMS) is analyzed using the monitored stress amplitude, mean stress and stress ratio. Finite element calculations are used to supplement data at locations not accessible for measurements. Additional improvement with reference to damage accumulation and the physical meaning of the reliability index will be studies in relation to the fatigue damage of box-girder of long cable-stayed bridges.     

Identification of horseshoes chaos in a cable-stayed bridge subjected to randomly moving loads

In this paper, the dynamic response of cable-stayed bridge loaded by a train of moving forces with stochastic velocity is investigated. The cable-stayed bridge is modelled by Rayleigh beam with linear elastic supports. The stochastic Melnikov method is derived and the mean-square criterion is used to determine the effects of stochastic velocity and cables number on the threshold condition for the inhibition of smale horseshoes chaos in the system. The results indicate that the intensity of the random component of the loads velocity can be contributed to the enlargement of the possible chaotic domain of the system, and/or increases the chances to have a regular behavior of the system. On the other hand, the presence of cables in cable-stayed bridges system increases it degree of safety and paradoxically can be contributed to its destabilization. Numerical simulations of the governing equations are carried out to confirm the analytical prediction. The effect of loads number on the system response is also investigated.