基于可靠度大跨度桥梁结构优化设计

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1、基于可靠度大跨度桥梁结构优化设计　　摘要：阐述了大跨度桥梁结构优化设计的发展，对基于可靠度的大跨径桥梁结构优化设计作了论述，最后对未来的优化设计研究方向进行了展望。关键词：桥梁结构大跨度可靠度优化设计中图分类号：K928.78文献标识码：A文章编号：现有的大跨度桥梁结构优化理论,不论是整体优化还是局部优化,都是以容许应力法为基础建立起来的。随着现代设计理论的发展,即由传统的容许应力设计法到基于可靠度理论的半概率设计法、近似概率设计法、全概率设计法等的发展，工程师认识到结构优化时不能忽略各种因素以及设计理论的不确

2、定性，结构优化找到了新的发展契机，朝着基于可靠度的结构优化设计方向前进。基于可靠度的结构优化设计发展一个好的设计方案应当使结构在设计基准期内以最经济的途径来满足其功能要求。结构安全的含义从概率意义上理解才更符合实际，人们基于这一思想寻求结构最优解的合理方法，就是基于可靠度的结构优化方法。基于可靠度的结构优化方法是结构可靠度分析和优化设计两种技术的综合。事实上,由于优化和可靠度概念的本质联系,基于可靠度结构优化设计几乎和可靠度的概念同时出现。早在19246年,Forsell就开始了基于可靠度结构优化设计的研究。其

3、发展过程可分为两个阶段:以元件可靠度或以各失效模式的可靠度为约束条件的优化设计方法和以结构系统的失效概率为约束条件(目标函数)的优化设计方法。基于可靠度的结构优化设计特点(1)结构设计目标多样性；(2)结构约束多重性；(3)结构设计不确定性。基于可靠度的结构优化水平划分基于可靠度的桥梁结构优化水平，可以根据设计变量的特性分为四种：其一、设计变量为截而尺寸，即截而优化；其二、设计变量为截而尺寸和描述形状的几何尺寸即形状优化；其三、设计变量为结构特性参数、截而尺寸和描述形状的几何尺寸，即结构优化；其四、设计变量为材

4、料参数、结构特性参数、截而尺寸和描述形状的几何尺寸，即总体优化。基于可靠度的桥梁结构优化设计，一方面其在结构设计中引入概率论和数理统计原理，充分考虑设计参数的随机性和材料、施工质量的不确定性，使人们有可能利用可靠度或是失效概率，定量、科学地描述结构的安全可靠程度；另一方面，考虑以最低的费用消耗来达到规范所要求的技术指标，从而达到最佳经济效益。基于可靠度的桥梁结构优化设计重点研究方向6(1)对符合桥梁结构特点并实用可行的优化模型的研究。对桥梁结构各构件的逻辑功能关系的研究。在结构体系可靠度理论中，较多较成熟的研究

5、是关于“串联系统”的，因而，将桥梁结构划分为若干具有串联关系的单元（单元既可以是单个构件也可以是组合构件，并且这种组合可能出现并联、混合关系）可以简化问题，对桥梁可靠度优化设计具有十分重大的意义。(2)对单元失效之间和失效模式之间的相关性问题研究。在结构优化设计中十分关键的一个环节就是关于可靠度的计算。这就需要合理的考虑单元（构件）失效之间的相关性和失效模式之间的相关性，从而避免重大误差的出现。研究对桥梁结构起控制作用的失效模式，以便在抓住主要矛盾的同时又简化问题。对桥梁结构（构件）造价和可靠度之间的函数关系表

6、达式的研究，以及研究结构（构件）失效损失值的估计方法。(3)对适用于桥梁结构可靠度分析和计算方法的研究。主要包括对结构构件和结构体系的可靠度计算。桥梁结构优化设计中对控制参数的选择，通常应该满足如下要求：其一，具有高度的综合性质，能充分代表结构对构建的要求；其二，借助这些参数可以建立各构件之间的横向约束关系；6其三，这些参数之间要有明确的关系。在设计中，通常作为设计变量的是那些对结构起着重要作用、会直接影响结构性能的参数。而将那些变化范围不大、根据构造要求或是局部性的设计考虑能满足要求的参数作为预定参数来考虑，

7、从而减少在设计、计算及编制程序过程中的工作量。虽然桥梁结构是由单个的构建组成的，但是在桥梁结构的优化设计中，应该从整体上考虑，以达到顾全大局优化结构的目的。但同时也需注意，单个桥梁构件的参数选取如果不当，也会影响整个桥梁的总体使用功能。基于可靠度的桥梁结构优化模型在优化设计的解决过程中最重要的一个步骤就是数学模型表示出优化设计问题。建立一个优化设计模型。主要包含定义设计变量、确定目标函数和构造约束函数这三个要素。设计变量包括构件材料的力学特性、构件尺寸、描述结构几何布置的参数和在设计过程中能够定量处理的各种量，

8、它们的改变过程标志着设计方案的改变。而目标函数又可以称之为效益函数、费用函数，设计方案的优化过程就是找到这个函数的最小值，一个设计方案是否具有优越性就是以其作为标准来进行衡量的。设计必须满足的条件就是约束函数，一般是由设计规范或是规程规定或是设计者的特殊要求。约束函数可以是对一些变量的直接限制，也可以是这些变量无法直接表示的函数关系。6结构可靠性模型有随机变量可靠性模型、半随机过程可靠