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基于极限分析理论的挡土墙结构可靠度分析

更新时间:2009-03-28

挡土墙普遍存在于各种路基建筑物。目前分析挡土墙结构稳定性的方法还依然停留在安全系数法。该方法简便实用,但该方法没有考虑计算参数的不确定性,因而与现场实际并不符合[1]。可靠性分析即考虑了参数的均值对结构稳定性的影响,也考虑了参数的离散性对结构稳定性的影响,已经被众多科研工作者和现场技术人员所认同。因此本文的主要目的是运用结构可靠度理论,综合分析参数的均值和参数的离散性同时对挡土墙结构的稳定性影响。影响可靠度计算精度的因素主要是功能函数的建立和计算方法的选取两个方面。在功能函数建立方面,一般是采用库仑土压力理论进行计算,但存在不足。而塑性极限分析方法被认为理论推导严谨,工程计算方便,因此更加科学合理。目前,有关结构可靠度计算方法,主要包括Monte Carlo法,随机有限元法[2],响应面法[3],矩法(包括一次二阶矩法[4]、一次三阶矩法[5]、二次二阶矩法[6]、二次四阶矩法[7]等)4类。如果采用矩法计算,精度比较低,存在一定的误差。随机有限元、响应面法和最优化方法一般对于多失效模式下的计算存在困难。Monte Carlo法在目前可靠度计算中,被认为是一种相对精确的方法[8],当抽样次数达到100万次可基本认为是精确解,并且该方法可以适应于多失效模式下可靠度模型的计算。

由此,本文运用极限分析上限方法和蒙特卡洛法所计算的挡土墙结构可靠度值比传统模型和传统方法所获得的值更加科学、准确、可靠。

1 基于上限定理的挡土墙可靠性模型的建立

1.1 基于极限分析上限定理的土压力计算

文献[9]根据重力式挡土墙的破坏机理,构建了重力式挡土墙计算分析模型,如图1所示,本文以该模型为例进行分析计算。

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图1 挡土墙计算模型

图1中挡土墙的破坏形式包括向外的位移和倾覆。因此,根据位移和倾覆,计算在挡土墙作用下被挡土体达到主动极限平衡状态时的土压力,挡土墙计算模型对应的速度矢量关系见图2。

  

图2 挡土墙计算模型速度矢量图

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(1)

 

(2)

根据极限分析基本理论分析过程,首先建立挡土墙能量耗散方程,进一步求解主动土压力。具体过程为:

(1)挡土墙外功率的计算

(1)墙身不发生沿墙基滑动破坏的功能函数为:

由滑动楔形体自重引起的外功率

 

(3)

由墙的移动引起的外功率

根据图2中挡土墙计算模型速度矢量关系可知:

1.2.1 对照组 按照大便失禁常规护理开展干预,尚未出现皮损者给予常规清水清洗,不提供标准预防性皮肤保护服务,失禁严重者给予薄膜类敷料或皮肤保护膜。

Eacos δ·(-sin α+tan δcos α)V0

(4)

(2)挡土墙内能耗散率的计算

由墙背的滑动摩擦引起的耗散率

 

(5)

由土沿面的黏聚力引起的耗散率

 

(6)

G(X)=(g1(X),g2(X))T

 

(7)

化简式(7)可得

(8)

式中:γ为土体重度;H为挡土墙高度;α为挡土墙墙背倾角;φ为土体内摩擦角;δ为土对挡土墙墙背的摩擦角。

1.2 挡土墙稳定性功能函数的建立

根据挡土墙结构滑动破坏形式和倾覆破坏形式,可将两种破坏形式的稳定性功能函数表示为:

Z1=g1(FR,FS)=FR-FS

(9)

Z2=g2(MR,MS)=MR-MS

(10)

Z2=g2(MR,MS)=MR-MS=G·ZG+Ey·Zx-Ex·Zy

自动驾驶在早些年前开始便得到了人们空前的关注,也能够在今日得以空前发展。它带给社会的不只是技术,也不仅是资金,更是全球性人工智能的发展,更是人们价值观的一种提升,更是道德沦理的一种上升。所以技术是工程师提供,技术背后的一切体验都将赋予于人们,这从某种程度上讲,这场技术性的革命是人类历史发展历程上一次跨纪元的成功。

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根据图1所示的重力式挡土墙计算模型,功能函数可具体表示为:

4.God bless you and your family at Thanksgiving and always!

Z1=g1(FR,FS)=FR-FS=μ(G+Ey)-Ex

(11)

(2)墙身不发生绕墙趾倾覆破坏的功能函数为:

式中:FS为滑动力;FR为抗滑力;MS为倾覆力矩;MR为抗倾覆力矩。

(12)

式中:μ为土对挡土墙基底的摩擦系数;ExEy分别为在x,y方向上土压力;ZGZxZy分别是GExEy对墙趾的力臂。

其中,Ex=Easin(α-δ),Ey=Eacos(α-δ)。

1.3 多失效模式下挡土墙结构体系可靠性模型

挡土墙的可靠性模型可表示为[10]

甲基二磺隆是由德国拜耳作物科学公司研制开发的乙酰乳酸合成酶抑制类除草剂,杂草通过根和叶吸收后,在植株体内传导,使杂草停止生长后枯死,其具有残效期短、广谱、高效、无残留药害、对环境友好等优点[11]。双氟磺草胺是由美国陶氏农业科学公司开发的三唑并嘧啶磺酰胺类除草剂,是一种典型的乙酰乳酸合成酶抑制剂[12]。该药剂为苗后茎叶处理的广谱除草剂,主要用于防除小麦田阔叶杂草,其施药期长,冬前至早春均可,且适宜与其他除草剂、杀菌剂、植调剂等混用[13]。为了明确1%甲基二磺隆·双氟磺草胺可分散油悬浮剂对小麦田杂草的防除效果、使用剂量及对小麦的安全性,进行相关的田间药效试验。

R=P(G>0)=fG(G)dG

(13)

(3)由上限定理知外力的总功率等于内能耗散率得

该系统虽然简单,但已经具备了新闻发布系统的基本功能。由于本人的能力和时间限制,在系统设计与制作过程中仍然存在诸多不足之处,如界面设计、系统功能、实用性等,都有待进一步完善。

(14)

式中:

其他参数:α=92.5°, θ=54°,H=6.5 m,β=20.5°,ZG=1.42 m,Zx=1.86 m,Zy=1.65 m。

“教科研+”有利于提升教师的专业素养.随着《中国学生发展核心素养》的提出,有一部分专家学者开始尝试研究教师发展的核心素养,他们大多都提到了教师的“教科研能力”是其专业发展的核心素养之一.新时代的教师必须掌握一定的教科研能力,才能够应对新时代对教师这一职业的最新要求,没有教师的发展核心素养,就不会有学生的发展核心素养.

g1(X),g2(X)分别为挡土墙滑动破坏模式和倾覆破坏模式对应的功能函数;G(X)为挡土墙体系挡土墙状态函数,表示挡土墙结构体系的状态,

 

(15)

重力式挡土墙的倾覆失稳或滑动失稳任一情况发生时都将导致结构破坏。因此,该结构体系为串联结构体系。

2 挡土墙结构体系可靠度计算程序流程图

计算挡土墙结构串联体系可靠性时,由于计算过程的复杂性,而利用Matlab软件进行编程计算高效可靠,故通过Matlab软件进行编程计算具体流程如下:

  

图3 挡土墙串联结构体系可靠度计算程序流程图

3 工程实例

以中国浙江省丽水市330国道一类似如图1所示的重力式挡土墙为例,通过现场试验获得各参数及其统计特征,如表1所示。

 

1 随机变量统计参数及其分布特征

  

变量名称平均值标准差概率分布φ/(°)363.6正态分布δ/(°)153正态分布μ0.50.1正态分布γ/(kN·m-3)18.50.925正态分布c/(kN·m-2)11.53.45正态分布

X=[μ,γ,c,δ,φ]T为包含μ,γ,c,δ,φ不确定参数的随机向量;

按上述方法进行编程计算结果见表2。

 

2 可靠度计算结果比较

  

可靠度本文模型传统模型单一模式多失效模式单一模式多失效模式(滑动)0.971993—0.968833—(倾翻)0.995565—0.992712—(体系)0.9676820.9788120.9617720.971276

结果分析:

1)挡土墙单一失效模式下的可靠度计算值小于多失效模式相关下的可靠度值,说明单一失效模式下的可靠度值由于没有考虑参数的相关性而过于保守;

为全面推进团体标准的应用,中国林产工业协会依据国家质检总局、国标委和民政部共同颁布的《团体标准管理办法》,正式发布了《中国林产工业协会团体标准认定管理办法》和《中国林产工业协会认定管理委员会“无醛人造板及其制品”认定管理规则》。

2)本文采用的是土压力上限值建立的可靠性计算模型,比实际土压力要大,所以该可靠度值应该比实际可靠度要小,即文中计算的可靠度值是该结构的可靠度下限值;

3)本文计算的下限值比传统模式计算值要大,说明本文计算的下限值更加接近真实值,而传统模式下计算的值离真实值较远,证明本文模型更加科学准确。

4 结论

(1)本文建立的基于极限分析上限定理的挡土墙结构稳定性可靠度分析模型,避免了采用等效内摩擦角方法估计土压力而带来的模型计算误差。

最重要的是,当前行业的整体氛围尤为浮躁,炒概念者居多,踏实做产品的居少。所以,当前是最坏的时代,但对真正沉下心来打磨自身产品的企业而言,这却是最好的时代。

(2)利用Monte Carlo法在Matlab环境下计算挡土墙多失效模式下串联系统的结构可靠度,充分考虑了两破坏模式的相关性,避免了单一不相关可靠性模式计算结果过于保守的缺点,使计算结果更加科学、可靠。

(3)本文所建立的挡土墙结构稳定性可靠度模型计算的可靠度值是该结构可靠度的一个下限值,该值小于或者等于真实值,但比传统模型计算的值要大,证明该模型更加科学,该下限值可作为评价结构是否稳定的重要指标。

参考文献

[1] 杜永峰,余钰,李慧. 重力式挡土墙稳定性的结构体系可靠度分析[J].岩土工程学报,2008,30(3):349-353.

[2] 陈虹,刘先斌. 随机有限元法及其工程应用[M]. 成都:西南交通大学出版社,1993.

[3] Bucher C G,Bourgund U. A fast and efficient response surface approach for structural reliability problems[J]. Structural Safety,1990,7(1):57-66.

[4] Karamchandani A,Cornell A C. Sensitivity estimation within first and second order reliability methods[J].Structural Safety,1992(11):95-107.

[5] Tichy M. First-order three-moment reliability method[J]. Structural Safety,1994(16):189-200.

[6] Hohenbichle M,Rackwitz R. Improvement of second-order reliability estimates by importance sampling[J]. Journal of Engineering Mechanics,ASCE,1994,120(1):2195-2203.

[7] 赵国藩,金伟良,贡金鑫. 结构可靠度理论[M] .北京:中国建筑工业出版社,2000.

[8] 张道兵,杨小礼,朱川曲. 基于可靠度理论与Matlab的隧道衬砌结构设计与分析[J]. 采矿与安全工程学报,2011,28(2):323-327.

[9] Chen W F. Limit Analysis and Soil Plasticity [M] .Elsevier Scientific Publishing Company, 1975.

[10] 卢昊,张义民,黄贤振,等.多失效模式典型结构体系可靠性稳健设计方法研究[J].工程力学,2011,28(8):226-231.

 
王国科,徐子良,管晓平,潘翔
《桂林航天工业学院学报》2018年第01期文献

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