结构可靠度分析:方法与程序

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《结构可靠度分析:方法与程序》是一本结构可靠度分析方法的专著,《结构可靠度分析:方法与程序》系统介绍了结构可靠度分析的基本概念和主要方法。首先简要介绍了结构随机可靠度的基本概念以明确可靠度分析的目的和意义;之后对结构可靠度分析的几种重要方法进行了详细的阐述,包括一次二阶矩方法、二次二阶矩方法、二次四阶矩方法、渐近积分方法、响应面方法、Monte Carlo方法,还研究了结构体系可靠度分析方法、基于人工神经网络的结构可靠度分析方法;最后对结构模糊随机可靠度分析方法作了阐述。
结构可靠度分析—方法与程序 Structural Reliability analysis Methods and Procedures 张明著 锛学出版 北京 内容简介 作为一本结构可靠度分析方法的专著,本书系统介绍了结构可靠度分 析的基本概念和主要方法。首先简要介绍了结构随机可靠度的基本概念以 明确可靠度分析的目的和意义;之后对结构可靠度分析的几种重要方法进 行了详细的阐述,包括一次二阶矩方法、二次二阶矩方法、二次四阶矩方 法、渐近积分方法、响应面方法、 Monte Carlo方法,还研究了结构体系可 靠度分析方法、基于人工神经网络的结构可靠度分析方法;最后对结构模 糊随机可靠度分析方法作了阐述。每章介绍一类方法,每节介绍其中一个 相对独立的方法,对于每一个方法均给出了典型的例题和用 MATLAB软 件编写的计算机程序。附录按照字母顺序列出了本书程序中所采用的标识 符和 MATLAB函数,以方便读者阅读本书和使用书中的程序。 兼顾可靠度方法理论和方法实施,理论和实践并举,是本书的重要特 色,也使本书具有很强的实用性。本书可供科技工作者、大专院校教师、 研究生和高年级本科生使用,也可供工程技术人员参考使用。 图书在版编目GP数据 结构可靠度分析:方法与程序= Structural Reliability Analysis: Methods and Procedures张明著.一北京:科学出版社,200 ISBN978-7-03-023525-1 Ⅰ.结…Ⅱ.张…Ⅲ.工程结构-结构可靠性-分析Ⅳ.TU312 中国版本图书馆CP数据核字(2008)第187001号 贲任編辑:沈建/责任校对:李奕萱 责任印制:赵博/封面设计:耕者设计工作室 斜学出腹出版 北京东黄城根北街16号 邮政编码:1007 http://www.sciencep.com 斯瞥即副厂印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 2009年1月第版开本:B5(720×1000 2009年1月第一次印刷印张:15314 印数:1-3000 字数:306000 定价:45.00元 如有印装质量问题,我社负责调换〈新蕾》 序 工程结构的安全性是工程设计中的重大问题。结构工程的建造耗资巨大,一旦 失效不仅会造成结构本身和人民生命财产的巨大损失,还往往产生难以估量的次 生灾害和附加损失。众所周知的1959年法国 Malpasset拱坝失事以及1963年意 大利 Vajont水库岩坡的大规模滑坡造成的严重后果,让我们在跨越了近半个世纪 后仍然心有余悸;我国的彩虹桥垮塌事件在建设史上成为一件沉痛的事件,所造成 的后果让人触目惊心,给人们造成的心灵伤害也久久难以平复。 进入21世纪,我国经济继续持续高速发展,工程建设事业正处于蓬勃发展时 期。因而,如何吸取历史教训,确保工程建设的安全性,在工程的安全与经济之间 选择一个最优的平衡点,是工程界面临的重要问题和挑战。 工程结构在设计、施工、使用过程中具有种种影响结构安全、适用、耐久的不 确定性因素。这些不确定性使我们在判断结构是否可靠时,不能用一个简单的“是” 或“否”就能衡量,而必须采用以概率形式为基础的可靠度指标来表达。在这样一 个背景下,结构可靠度的理论与方法便应运而生。在某种程度上来说,结构可靠度 是工程结构设计的基础。我国的《工程结构可靠度设计统一标准》(GB5015392) 涵盖房屋建筑、铁路、公路、港口、水利水电等土木工程各领域,这一标准以及上 述各部门据此编制的设计统一标准和规范,就是以概率理论为基础、以可靠度指标 为中心内容进行编写的。 工程实践表明,尽管目前工程结构中的可靠性理论并不是很完善,但由于它比 较合理地考虑了工程结构中存在的随机性,并统一地表达成广大工程技术人员容 易接受的分项系数形式,因而在工程结构设计中具有越来越重要的地位,其发展对 保证工程结构的安全性与经济性具有重要意义。 该书系统地介绍了结构可靠度的分析方法。当今比较成熟的结构可靠度计算 方法在书中都有所反映。在内容安排上,该书详细阐述了各种结构可靠度的计算 方法,包括常规方法如一次二阶矩方法、 Monte carlo方法,并介绍了一些新的分 析方法如基于人工神经网络的结构可靠度计算方法和模糊随机可靠度分析方法等。 从组织结构上来说,该书理论与计算程序并行,在阐述理论和方法的同时,首次尝 试给出全部算法的计算程序。在写作特色方面,该书力求阐述清楚书中出现的每一 个概念、理论,并期望对读者有所启发。 该书作者张明在清华大学从事可靠度教学多年,在教学中不断探索、精益求 精,总结了多年的教学经验和研究成果,完成了该书的写作。这是他近几年辛勤工 序 作的概括,也是他对目前我国可靠度研究工作的一个较全面的总结和认识。 作者要我为此书写几句话,就是希望让读者们知道这本书的作用和意义。这本 书写作全面而具体,既可作为结构可靠度的教材来学习,又可以作为一本结构可靠 度设计的实用的参考书,读者可以从中查阅找寻所需的知识和方法,甚至可运用书 中的程序于工程结构可靠度的分析与设计。相信读者在学习的过程中,会不断地收 获意外的惊喜。 张仅 教授,中国科学院院士 前言 本书基于这样一个理念:希望比较全面地给出目前结构可靠度的计算方法,并 给出每一种算法的计算程序,既能从理论上清晰阐述,又能在应用上方便理解。如 果能够给研究者些许帮助和启发,对于工程界有些许参考价值,将是作者无限的欣 慰。本书的书名—“结构可靠度分析—方法与程序”,是对这一理念的最好 诠释。 结构可靠度理论是为了解决工程结构设计、施工和使用中存在的不确定性问 题而发展起来的,在结构分析和设计中起着重要作用。结构可靠度分析是结构可靠 度理论的重要组成部分,又是应用可靠度理论进行结构设计的必要环节。 结构可靠度分析方法可以看作一个完整的系统,在可靠度理论中占有特殊重 要的地位。方法的实现既需要借助一般的计算方法,又在很多地方体现出其自身的 特点。本书主要围绕结构可靠度分析的内容,对结构可靠度分析方法作一专门的介 绍。书中讲述的方法较多,但主要是围绕着结构可靠度分析的解析法和模拟法展 开。 结构可靠度分析方法不仅是一个纯粹的理论问题,更重要的是将其应用于解 决实际问题。将可靠度分析的理论方法变为计算机程序实现,正是理论向实际迈出 的一步。本书的显蓍特点就是对于每一种分析方法,均提供了说明算法的源程序 作者从开始尝试用计算机程序求解结构可靠度问题,到最终肯定计算机求解这 手段,书中的程序都是经过反复改进得到的,而计算机程序带来的功效也超越了作 者最初的期许。作者还欣喜地发现,计算机求解和结构可靠度的基本理论是能够互 补的。如果能够恰当地应用,计算结果不但可以很好地阐明理论,还有助于以富有 意义的方式进行思考、分析和推理;而反过来,对于理论很好地理解有助于计算机 程序的优化改进 结构可靠度分析及其方法无疑是结构可靠度理论的重点和难点。作者希望通 过本书的阐述,使读者能够顺利克服或者绕开方法中存在的困难,把主要精力集中 在可靠度理论的本身。读者甚至不必理解方法中间过多的细节,将书中程序直接当 作“黑箱”工具来用,将本书作为案头常备的工具书。如果读者在学习可靠度分析 方法时,能够很好地运用书中结构清晰、阅读性强的可靠度分析程序,对可靠度理 论产生新的认识,有一种“知难行易”之感,那么这也是作者想要达到的效果之 本书的内容是基于以上的思考和初衷进行安排的。书中在做了必要的基础知 识、计算平台和符号约定等的交代之后,首先介绍了结构可靠度理论的基本框架以 a Iy 前言 引出结构可靠度分析问题,接着分章节详细讲述了结构可靠度的一次二阶矩方法 二次二阶矩方法、二次四阶矩方法、渐近积分方法、响应面方法、 Monte carlo方 法、结构体系的可靠度分析方法、基于人工神经网络的结构可靠度分析方法和结构 模糊随机可靠度分析方法。在每章的内容中,都附有具有代表性的例题以及解决问 题的计算机程序。 需要说明的是,结构可靠度分析计算方法很多,本书选取的都是比较成熟的和 经过检验效果比较好的方法。 作者多年来一直承担“结构可靠度分析与设计”课程的教学任务,并因此独自 获得2006年清华大学教学成果二等奖。作者也直接或间接地应用可靠度理论于专 业研究领域。本书就是作者对多年来的教学和研究生涯的一个归纳和总结。作者希 冀在本书中与大家分享在自己教学科研中的经验与成果。 本书也汇集了众多专家学者的研究成果,有的文献出处无法在参考文献里 一列出,作者在此表示感谢和歉意。 张楚汉院士对作者十分关心,在百忙之中为本书作序,使作者深受感动和鼓 舞。作者向他表示由衷的感谢和敬意。 清华大学水利水电工程系的李仲奎、李庆斌、金峰、杨强、马吉明、段云岭、刘 天云等教授,都就本书内容和相关研究与作者进行过深入的讨论。清华大学吴清高 硕士在随机边界元法研究方面,孙思奥硕士在基于人工神经网络的结构可靠度计 算方面中,做了出色的工作。在本书付梓之际,作者对他们表示衷心的感谢。 感谢作者所在单位清华大学水利水电工程系河川枢纽研究所的领导和同事。他 们在本书的写作修改过程中给与了作者莫大帮助,他们的支持是作者完成本书的 坚强后盾 感谢作者家人在本书写作期间给予作者的理解和支持。 本书承蒙国家自然科学基金雅砻江水电开发联合研究基金项目(50539090),以 及清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室部分资金资助出版,特此致 谢。 美国 Math Works③公司为本书的写作提供了最新的产品 MATLAB③R2008a,在 此表示衷心的感谢。 由于作者水平有限,书中不足之处在所难免,恳请读者批评指正。 张明 2008年8月于清华园 目录 序 前言 第1章导言 11背景知识 12关于程序… 112 t曹 13内容安排 睡面 14记法规定∴…… 第2章结构随机可靠度的基本概念 21基本随机变量 22结构的极限状态 778 23结构的可靠概率和失效概率 曹中售 10 24结构的可靠指标 25可靠指标与安全系数 +·············-·······+····+····+++·+·“···+:··+· 15 26可靠指标与分项安全系数 ….16 第3章结构可靠度的一次二阶矩方法 19 31中心点法 ·::::·::·::·a::·:.:4 32设计验算点法 22 33验算点法:JC法 26 34验算点法:映射变换法 3.5验算点法:实用分析法……… 36相关变量情形: Rosenblat变换 37 37相关变量情形:正交变换 ∴44 38相关变量情形:广义随机空间 53 39相关变量情形: Nataf变换… 61 第4章结构可靠度的二次二阶矩方法 …;68 41 breitung方法…;…………………………68 42 Laplace渐近方法… 第5章结构可靠度的二次四阶矩方法 ·,曹·鲁曹曾量雪曹 89 51最大熵方法 V1. 日录 52最佳平方逼近法… ·:·····:.·:·:4手 97 第6章结构可靠度的渐近积分方法 ……105 61一次渐近积分方法 ∴…105 62二次渐近积分方法… 第7章结构可靠度分析的响应面方法 :·:“::=:::;晋 115 71响应面方法 ;#;#: 115 72利用向量投影取样点的响应面法 122 第8章结构体系可靠度的分析方法 ………130 81结构体系及其可靠度 .;.::·.···:, ……130 82结构体系失效概率的计算… ……133 83串联体系和并联体系的失效概率的计算 136 第9章结构可靠度的 Monte carlo模拟 143 91随机抽样 143 9.2结构可靠度的直接 Monte carlo模拟 ∴∴……∴………144 9.3结构可靠度 Monte carlo模拟的重要抽样法 ∴…148 94用重要抽样法更新一次和二次可靠度 157 9.5渐近重要抽样法 …162 96方向抽样法 ……··174 第10章基于人工神经网络的结构可靠度分析方法 曹鲁 181 101人工神经网络方法… 181 102基于神经网络的 Monte carlo方法 186 10.3基于神经网络的一次二阶矩方法 19 104基于神经网络的二次二阶矩方法 194 第11章结构模糊随机可靠度的分析方法 201 11I模糊集合论的基本知识 201 112结构的模糊随机可靠度 204 113结构体系的模糊随机可靠度 208 参考文献 由糖 215 附录A多元正态分布函数的计算 219 附录B按字母顺序列出的程序中的标识符 233 附录C按字母顺序列出的程序中的 MATLAB函数参考 235 索引∴ 241

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