CN109684715A - 一种含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含不确定参数复合保温免拆模板的可靠性计算方法，包括：定义复合保温免拆模板功能函数；通过力学性能试验和生产检测数据获取所需复合保温免拆模板参数，并将所获取参数中不确定参数分为两类：可获得概率分布的不确定参数，以及仅能获得分布区间的不确定参数；针对两类不确定参数分别采用随机参数模型和有界不确定参数模型进行模拟；依据两类不确定参数模型和定义的功能函数计算复合保温免拆模板可靠性。相较传统方法，本发明方法可同时考虑含不同类型不确定参数复合保温免拆模板的可靠性，不仅更接近于实际，也为基于可靠性的复合保温免拆模板设计、优化奠定了基础。

Description

一种含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法
技术领域
本发明涉及一种含不确定参数的复合保温免拆模板的可靠性计算方法，特别的涉及含两类不确定参数模型的复合保温免拆模板的可靠性计算。
背景技术
复合保温免拆模板在混凝土浇筑过程中可当模板使用，在浇筑成型后与结构紧密结合作为结构外保温系统而无需拆卸，兼具模板和保温系统功能，与传统模板和保温工程施工方法相比，具有劳动消耗小，施工工期短，建筑垃圾少，满足绿色施工和节能环保要求等特点，能有效避免传统保温方式所存在的质量安全问题，实现了保温与建筑结构同寿命，被广泛运用于混凝土结构施工领域。由于建筑结构在施工和使用过程中直接牵涉到人民群众生命财产的安全，因此无论建筑结构整体还是局部构件都需要具有较高的可靠性。但是复合保温免拆模板总是受到如材料组成、生产条件、自身特性、外部荷载和环境等多种因素的影响和制约，不可避免地包含有各种不确定因素，这些因素给工程人员对复合保温免拆模板可靠性的预测带来了一定的难度，特别是在实际的复合保温免拆模板中由于多种因素的影响和有限的试验、生产数据的限制，其含有的不确定参数往往需要不同类型的不确定参数模型模拟，例如可确定其服从某种分布的不确定参数需采用随机参数模型模拟、仅知其分布范围的不确定参数应采用有界不确定参数模型模拟。但在已有的可靠性计算方法中大多数只考虑了含单一类型不确定参数模型的结构或构件，而不适用于实际工程中含不同类型不确定参数模型的复合保温免拆模板的可靠性计算。因此，在合理构建复合保温免拆模板不确定参数模型的基础上，发展工程适用的复合保温免拆模板可靠性预测和量化理论和方法，具有较大的理论和工程实际意义。
发明内容
本发明是为弥补上述现有技术所存在的不足，提供一种含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法，用于计算含两类不确定参数模型的复合保温免拆模板的可靠性，为复合保温免拆模板实际安全运用及进一步基于可靠性的设计、优化奠定了基础。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法的特点是包括如下步骤：
步骤1：定义复合保温免拆模板功能函数S(Z)；
步骤2：通过复合保温免拆模板力学性能试验和生产检测数据获取功能函数中所需复合保温免拆模板参数，并将所获取参数中不确定参数分为两类：分别是具有足够力学性能试验和生产检测数据可获得概率分布的不确定参数，以及力学性能试验和生产检测数据相对缺乏仅能获得分布区间的不确定参数；
步骤3：针对所述两类不确定参数分别采用随机参数模型和有界不确定参数模型进行模拟，获得两类不确定参数模型；其中能够获得概率分布的不确定参数采用随机参数模型进行模拟，能够获得分布区间的不确定参数采用有界不确定参数模型进行模拟；
步骤4：依据所述两类不确定参数模型和复合保温免拆模板功能函数S(Z)计算获得含不确定参数复合保温免拆模板可靠性。
本发明含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法的特点也在于：所述复合保温免拆模板为三层复合结构，分别为玻璃纤维增强水泥层、保温层和水泥基聚合物改性砂浆层，所述玻璃纤维增强水泥层与结构混凝土相接，所述水泥基聚合物改性砂浆层中压入有耐碱网格布，中间保温层中设有肋板；所述复合保温免拆模板在混凝土结构浇筑过程中作为模板，在浇筑成型后与结构结合作为结构外保温系统而无需拆卸。
本发明含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法的特点也在于：所述复合保温免拆模板功能函数S(Z)为描述复合保温免拆模板工作状态的函数，当功能函数S(Z)≥0时，复合保温免拆模板处于满足安全性、耐久性和适用性要求的工作状态，Z表示不确定参数向量；以所述复合保温免拆模板的安全性、耐久性和适用性共同表征复合保温免拆模板可靠性，所述可靠性是以可靠度为指标进行预测和度量，所述可靠度是指在规定的时间内复合保温免拆模板完成功能函数S(Z)所规定功能的概率。
本发明含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法的特点也在于：
对于不确定参数向量Z中的随机参数Xr，基于所述力学性能试验和生产检测数据采用概率分布拟合优度检验的方法确认随机参数Xr的概率密度函数fr，r＝1、2、…、l，l为随机参数数量，所述随机参数是采用随机参数模型模拟的复合保温免拆模板不确定参数；
对于不确定参数向量Z中的有界不确定参数Yu，采用非统计度量方法对力学性能试验和生产检测数据进行分析，得到有界不确定参数分布区间 为有界不确定参数下界，为有界不确定参数上界，u＝1、2、…、m，m为有界不确定参数数量，所述有界不确定参数为采用有界不确定参数模型模拟的复合保温免拆模板不确定参数；所述非统计度量方法为灰度理论方法或信息熵理论方法。
本发明含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法的特点也在于：按如下步骤计算所述复合保温免拆模板可靠度，以预测和度量所述复合保温免拆模板的可靠性：
步骤a：在复合保温免拆模板不确定参数分布空间内，由式(1)采用智能算法优化求取可靠度PS所在分布区间
其中，
P()表示概率；
Y为有界不确定参数组成的参数向量，Y＝[Y1，Y2，……，Ym]T；
YL为有界不确定参数下界组成的参数向量，
YR为由有界不确定参数上界组成的参数向量，
为可靠度所在分布区间的下界；为可靠度所在分布区间的上界；
s.t.为缩写，其表示“在…条件下”；
步骤b：定义保证度n，n的取值区间为[0％，100％]，由式(2)计算获得可靠度Pn，
以保证度为n的可靠度Pn作为含不确定参数复合保温免拆模板的可靠度。
本发明含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法的特点也在于：所述步骤a中基于各随机参数概率密度函数采用蒙特卡罗法或概率密度演化法求取可靠度Ps；所述智能算法为神经网络算法、遗传算法、鱼群算法、蚁群算法或粒子群算法。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明方法以力学性能试验和积累的实际生产数据为依据，采用概率分布的拟合优度检验和非统计度量方法合理构建了实际复合保温免拆模板所含不确定参数的参数模型，并在此基础上结合功能函数提出了一种含不确定参数复合保温免拆模板可靠性计算方法，相较于现有常用可靠性计算方法仅能考虑单一类型不确定参数，本文所述方法适用于计算含两类不确定参数模型的复合保温免拆模板的可靠性，更接近于工程实际，不仅拓展了可靠性理论在实际工程中的运用范围，也为复合保温免拆模板进一步基于可靠性的设计、优化及实际安全运用奠定了基础。
附图说明
图1为本发明中复合保温免拆模板结构示意图；
图2为本发明中复合保温免拆模板在均布荷载q作用下受力简图；
图3为本发明中复合保温免拆模板高度h概率密度曲线及概率密度演化法中所用概率代表点；图中虚线为概率密度曲线，实心点为在概率密度曲线上选取的21个概率代表点；
图4a为本发明中可靠度下界遗传算法优化求解过程示意图；
图4b为本发明中可靠度上界遗传算法优化求解过程示意图；
图5a为本发明中可靠度下界概率密度曲线；图中实线为复合保温免拆模板挠度概率密度曲线，竖向虚线为容许挠度限值L/80
图5b为本发明中可靠度上界概率密度曲线；图中实线为复合保温免拆模板挠度概率密度曲线，竖向虚线为容许挠度限值L/80
图中标号：1玻璃纤维增强水泥层，2保温层，3水泥基聚合物改性砂浆层，4肋板，5耐碱网格布，6复合保温免拆模板。
具体实施方式
图1所示为本实施例中待分析复合保温免拆模板6，其为三层复合结构，分别为玻璃纤维增强水泥层1、保温层2和水泥基聚合物改性砂浆层3，玻璃纤维增强水泥层1与结构混凝土相接，水泥基聚合物改性砂浆层3中压入有耐碱网格布5，中间保温层2中设有肋板4，以增大截面刚度和提高复合保温免拆模板承载力；复合保温免拆模板6在混凝土结构浇筑过程中作为模板，在浇筑成型后与结构结合作为结构外保温系统而无需拆卸，兼具模板和保温系统功能。
按如下步骤针对含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性进行计算：
步骤1：定义复合保温免拆模板功能函数S(Z)。
步骤2：通过复合保温免拆模板力学性能试验和生产检测数据获取功能函数中所需复合保温免拆模板参数，并将所获取参数中不确定参数分为两类：分别是具有足够力学性能试验和生产检测数据可获得概率分布的不确定参数，以及力学性能试验和生产检测数据相对缺乏仅能获得分布区间的不确定参数。
步骤3：针对所述两类不确定参数分别采用随机参数模型和有界不确定参数模型进行模拟，获得两类不确定参数模型；其中能够获得概率分布的不确定参数采用随机参数模型进行模拟，能够获得分布区间的不确定参数采用有界不确定参数模型进行模拟。
步骤4：依据所述两类不确定参数模型和复合保温免拆模板功能函数S(Z)计算获得含不确定参数复合保温免拆模板可靠性。
复合保温免拆模板功能函数S(Z)为描述复合保温免拆模板工作状态的函数，当功能函数S(Z)≥0时，复合保温免拆模板处于满足安全性、耐久性和适用性要求的工作状态，Z表示不确定参数向量；以所述复合保温免拆模板的安全性、耐久性和适用性共同表征复合保温免拆模板可靠性，可靠性是以可靠度为指标进行预测和度量，可靠度是指在规定的时间内复合保温免拆模板完成功能函数S(Z)所规定功能的概率。
对于不确定参数向量Z中的随机参数Xr，基于力学性能试验和生产检测数据采用概率分布拟合优度检验的方法确认随机参数Xr的概率密度函数fr，r＝1、2、…、l，l为随机参数数量，所述随机参数是采用随机参数模型模拟的复合保温免拆模板不确定参数。
对于不确定参数向量Z中的有界不确定参数Yu，采用非统计度量方法对力学性能试验和生产检测数据进行分析，得到有界不确定参数分布区间 为有界不确定参数下界，为有界不确定参数上界，u＝1、2、…、m，m为有界不确定参数数量，所述有界不确定参数为采用有界不确定参数模型模拟的复合保温免拆模板不确定参数；所述非统计度量方法为灰度理论方法或信息熵理论方法。
本实施例中，按如下步骤计算复合保温免拆模板可靠度，以预测和度量所述复合保温免拆模板的可靠性：
步骤a：在复合保温免拆模板不确定参数分布空间内，由式(1)采用智能算法优化求取可靠度PS所在分布区间
其中，
P()表示概率；
Y为有界不确定参数组成的参数向量，Y＝[Y1，Y2，……，Ym]T；
YL为有界不确定参数下界组成的参数向量，
YR为由有界不确定参数上界组成的参数向量，
为可靠度所在分布区间的下界；为可靠度所在分布区间的上界；
s.t.为缩写，其表示“在…条件下”；
本实施例中基于各随机参数概率密度函数采用蒙特卡罗法或概率密度演化法求取可靠度Ps；智能算法为神经网络算法、遗传算法、鱼群算法、蚁群算法或粒子群算法。
步骤b：定义保证度n，n的取值区间为[0％，100％]，由式(2)计算获得可靠度Pn，
以保证度为n的可靠度Pn作为含不确定参数复合保温免拆模板的可靠度。
为了验证本发明对工程实际的适用性，针对图1所示复合保温免拆模板6在如图2所示均布荷载q＝3kN/m作用下的可靠性按如下过程进行计算：
综合实际工程中复合保温免拆模板6可能发生的失效模式，选定复合保温免拆模板6功能函数为由式(5)所示的挠度功能函数：
S＝[v]-v (5)
其中，[v]为复合保温免拆模板的容许挠度，综合复合保温免拆模板挠度试验结果和规范限值将[v]取值为L/80，其中L为计算跨度，在图2中L＝b，b为复合保温免拆模板6长度；v为复合保温免拆模板在外荷载作用下的最大计算挠度，针对图2所示，其中E为复合保温免拆模板6弹性模量，I为复合保温免拆模板6计算挠度处截面对中和轴的惯性矩，a为复合保温免拆模板6宽度，h为复合保温免拆模板6高度。
根据已积累的生产检测数据，复合保温免拆模板6长b和宽a变异性较小，可认为其为确定性参数b＝1200mm、宽a＝600mm；对于复合保温免拆模板6高度h已积累大量生产检测数据，可采用随机参数模型模拟，通过概率分布的拟合优度检验得其概率密度函数为服从正态分布，其中均值μ1＝70mm，标准差σ1＝7mm，概率密度曲线如图3所示；对于复合保温免拆模板6弹性模量E根据有限的力学性能试验数据采用有界不确定参数模拟，通过灰度理论得其分布区间为[450，500]MPa。
依据复合保温免拆模板6高度h的随机参数模型和弹性模量E的有界不确定参数模型结合式(5)所示功能函数S通过仿真计算获得复合保温免拆模板6的可靠性，仿真过程如下：
采用如表1所示遗传算法针对式(6)优化求取可靠度Ps所在分布区间
其中，可靠度PS采用概率密度演化方法求取，选取21个概率代表点进行计算，概率代表点在随机参数高度h概率密度曲线上的分布如图3中实心点所示；可靠度PS所在分布区间优化求解过程如图4a和图4b中实线所示，计算结果为在可靠度上、下边界处通过概率密度演化方法计算其概率密度曲线如图5a和图5b中实线所示，图中竖向虚线为容许挠度限值，竖向虚线左边为可靠区域。
根据式相应具有100％、95％、90％保证度的复合保温免拆模板的可靠度分别为P100％＝85.79％、P95％＝86.15％、P90％＝86.52％。在实际工程中可选取具有95％保证度的可靠度P95％＝86.15％作为复合保温免拆模板的可靠度。
采用蒙特卡罗法计算10万次可得分别具有100％、95％、90％保证度的复合保温免拆模板的可靠度为P100％＝86.25％、P95％＝86.56％、P90％＝86.87％与本发明所述方法求取结果差异较小，证明了本发明所述方法的有效性和精确性。
表1
本实施例完成了含不确定参数复合保温免拆模板的可靠性预测及具有相应保证度的可靠度计算，可以同时考虑复合保温免拆模板中不同类型不确定参数的存在。本发明方法计算简捷且便于理解、方便工程运用，计算精度与蒙特卡罗法差异较小，为工程中含多种不同类型不确定参数的复合保温免拆模板基于可靠性的设计、优化分析及实际安全运用奠定了基础。

Claims (6)

1.一种含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法，其特征是所述方法包括如下步骤：
步骤1：定义复合保温免拆模板功能函数S(Z)；
步骤2：通过复合保温免拆模板力学性能试验和生产检测数据获取功能函数中所需复合保温免拆模板参数，并将所获取参数中不确定参数分为两类：分别是具有足够力学性能试验和生产检测数据可获得概率分布的不确定参数，以及力学性能试验和生产检测数据相对缺乏仅能获得分布区间的不确定参数；
步骤3：针对所述两类不确定参数分别采用随机参数模型和有界不确定参数模型进行模拟，获得两类不确定参数模型；其中能够获得概率分布的不确定参数采用随机参数模型进行模拟，能够获得分布区间的不确定参数采用有界不确定参数模型进行模拟；
步骤4：依据所述两类不确定参数模型和复合保温免拆模板功能函数S(Z)计算获得含不确定参数复合保温免拆模板可靠性。
2.根据权利要求1所述的含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法，所述复合保温免拆模板为三层复合结构，分别为玻璃纤维增强水泥层(1)、保温层(2)和水泥基聚合物改性砂浆层(3)，所述玻璃纤维增强水泥层(1)与结构混凝土相接，所述水泥基聚合物改性砂浆层(3)中压入有耐碱网格布(5)，中间保温层(2)中设有肋板(4)；所述复合保温免拆模板在混凝土结构浇筑过程中作为模板，在浇筑成型后与结构结合作为结构外保温系统而无需拆卸。
3.根据权利要求1所述的含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法，其特征是：所述复合保温免拆模板功能函数S(Z)为描述复合保温免拆模板工作状态的函数，当功能函数S(Z)≥0时，复合保温免拆模板处于满足安全性、耐久性和适用性要求的工作状态，Z表示不确定参数向量；以所述复合保温免拆模板的安全性、耐久性和适用性共同表征复合保温免拆模板可靠性，所述可靠性是以可靠度为指标进行预测和度量，所述可靠度是指在规定的时间内复合保温免拆模板完成功能函数S(Z)所规定功能的概率。
4.根据权利要求1所述的含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法，其特征是：
对于不确定参数向量Z中的随机参数Xr，基于所述力学性能试验和生产检测数据采用概率分布拟合优度检验的方法确认随机参数Xr的概率密度函数fr，r＝1、2、…、l，l为随机参数数量，所述随机参数是采用随机参数模型模拟的复合保温免拆模板不确定参数；
对于不确定参数向量Z中的有界不确定参数Yu，采用非统计度量方法对力学性能试验和生产检测数据进行分析，得到有界不确定参数分布区间 为有界不确定参数下界，为有界不确定参数上界，u＝1、2、…、m，m为有界不确定参数数量，所述有界不确定参数为采用有界不确定参数模型模拟的复合保温免拆模板不确定参数；所述非统计度量方法为灰度理论方法或信息熵理论方法。
5.根据权利要求4所述的含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法，其特征是：按如下步骤计算所述复合保温免拆模板可靠度，以预测和度量所述复合保温免拆模板的可靠性：
步骤a：在复合保温免拆模板不确定参数分布空间内，由式(1)采用智能算法优化求取可靠度PS所在分布区间
其中，
P()表示概率；
Y为有界不确定参数组成的参数向量，Y＝[Y1，Y2，……，Ym]T；
YL为有界不确定参数下界组成的参数向量，
YR为由有界不确定参数上界组成的参数向量，
为可靠度所在分布区间的下界；为可靠度所在分布区间的上界；
s.t.为缩写，其表示“在…条件下”；
步骤b：定义保证度n，n的取值区间为[0％，100％]，由式(2)计算获得可靠度Pn，
以保证度为n的可靠度Pn作为含不确定参数复合保温免拆模板的可靠度。
6.根据权利要求5所述的含不确定参数的复合保温免拆模板可靠性计算方法，其特征在于，所述步骤a中基于各随机参数概率密度函数采用蒙特卡罗法或概率密度演化法求取可靠度Ps；所述智能算法为神经网络算法、遗传算法、鱼群算法、蚁群算法或粒子群算法。
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Address before: 233000 South Side of Zhanggongshan Road, Donghai Avenue, Bengbu City, Anhui Province

Patentee before: ANHUI WATER RESOURCES DEVELOPMENT Co.,Ltd.