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Markov假定在桥梁可靠度分析中的应用

【摘要】:由此可得到基于Markov过程的动力可靠度表达式:通过上述分析可以发现,不同界限跨越假定下的动力可靠度计算公式具有相同的表达形式,差别主要表现在单位时间内响应值跨越界限的期望不同。上述内容主要基于首超破坏准则建立了结构动力响应首超可靠度的数学模型,分别基于位移跨越次数的Possion分布和Markov给出了考虑车辆运行状态的动力可靠度表达式。

当界限值b与结构响应值相比不太大时,计算结果会有一定误差,且计算结果偏低。上述误差主要来源于Possion假设,当结构响应为宽过程时结构响应与界限的交叉次数不是独立的,所以Possion假定并不成立。事实上,宽过程的波形接近于振幅缓变的正弦波,所以当上次循环中发生跨越界限事件后,则下次循环中发生跨越事件的概率较高,也就是说结构响应与界限交叉次数是成群出现的。Vanmarcke[40]认为在这种情况下应采用Markov过程对界限跨越次数进行描述,给出了基于Markov过程的期望跨越率为:

式中,q为带宽参数,表示为谱密度的形状系数,当q接近0时,响应X(t)为窄带过程,而当0.35<q<1时,X(t)为宽带过程;λ为谱距参数。由此可得到基于Markov过程的动力可靠度表达式:

通过上述分析可以发现,不同界限跨越假定下的动力可靠度计算公式具有相同的表达形式,差别主要表现在单位时间内响应值跨越界限的期望不同。下面以单侧界限为例,结构响应X(t)在[0,T]时间内的动力可靠度可采用统一的表达式:

式中,为结构响应在单位时间内正向跨越界限b的次数。不同的跨越假定得出的均不相同,为表述方便,假定结构响应X(t)为零均值的正态平稳随机过程,则Possion和Markov假定的表达式分别为:

式中,为Possion假定的界限跨越率;为Markov假定的界限跨越率为界限包络的均方根值。从式中可以看出,无论何种假定,只要响应是正态平稳随机过程,其界限跨越率均与时间无关。当b趋于无穷大时,上式的结果均趋于零。为了对比两种假定下界限跨越率的比例,引入参数η和β,其表达式分别为:

式中,q是谱带宽因子。当响应为理想窄带过程时,q=0,β=0;当响应为理想宽带过程-白噪声时,q=1,可将两种假定的界限跨越率比值表示为:

式中,若响应X(t)是窄带过程,则有当η>2时,其值小于1,这表明了Possion假定给出的动力可靠度是个保守值。

上述内容主要基于首超破坏准则建立了结构动力响应首超可靠度的数学模型,分别基于位移跨越次数的Possion分布和Markov给出了考虑车辆运行状态的动力可靠度表达式。