徐珂 : 建筑结构设计 建筑结构 一个普通结构工程师的建筑结构设计博客

结构鲁棒性

      鲁棒性(robustness)就是系统的健壮性,它是在异常和危险情况下系统生存的关键。所谓“鲁棒性”,是指控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持某些性能的特性。根据对性能的不同定义,可分为稳定鲁棒性和性能鲁棒性。

       鲁棒性原是统计学中的一个专门术语,20世纪70年代初开始在控制理论的研究中流行起来,用以表征控制系统对特性或参数摄动的不敏感性。在实际问题中,系统特性或参数的摄动常常是不可避免的。产生摄动的原因主要有两个方面,一个是由于量测的不精确使特性或参数的实际值会偏离它的设计值(标称值),另一个是系统运行过程中受环境因素的影响而引起特性或参数的缓慢漂移。因此,鲁棒性已成为控制理论中的一个重要的研究课题,也是一切类型的控制系统的设计中所必须考虑的一个基本问题。对鲁棒性的研究主要限于线性定常控制系统,所涉及的领域包括稳定性、无静差性、适应控制等。鲁棒性问题与控制系统的相对稳定性(频率域内表征控制系统稳定性裕量的一种性能指标)和不变性原理(自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论)有着密切的联系,内模原理(把外部作用信号的动力学模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理)的建立则对鲁棒性问题的研究起了重要的推动作用。当系统中存在模型摄动或随机干扰等不确定性因素时能保持其满意功能品质的控制理论和方法称为鲁棒控制。早期的鲁棒控制主要研究单劻路系统频率特性的某些特征,或基于小摄动分析上的灵敏度问题。现代鲁棒控制则着重研究控制系统中非微有界摄动下的分析与设计的理论和方法。

       结构鲁棒性要求结构在突发损伤情况下,不致引起与此损伤不相称的破坏。目前我国土木工程结构教育和各种工程结构设计规范的主要内容,对结构安全性的计算都是着落后于结构构件计算,虽然结构构件的安全性与整体结构的安全性有一定的联系,但结构构件的安全性不等于整体结构的安全性,所有结构构件安全性相同的结构,其整体结构的安全性不一定相同。一个结构工程师的设计水平,往往体现在他对整体结构安全性的把握。工程结构的鲁棒性就是研究整体结构安全性,使结构工程师在保证结构构件安全性的前提下,更多的关注整体结构的安全性

        Robustness的中文含义是:强壮的、健全的、坚固的、耐用的。结构的鲁棒性是指整体结构抵御意外事件的能力,事实上结构的安全性往往是在意外事件情况下才能体现出来。意外事件是指在工程结构使用阶段可能出现,但其量值,作用形式和作用位置难以估计的非正常荷载和作用(如极罕遇地震,飞机撞击,恐怖爆炸袭击,重大人为失误等)。对于意外事件,在工程结构的设计阶段通常无法进行细致全面和深入的分析,并给予充分保证。工程结构在意外事件发生时和发生后,应能保持整体稳定性,不应发生与其原因不相称的倒塌或连续破坏,造成重大的生命和财产损失。

       鲁棒性与安全性既有联系,又有区别。两者都是关心的工程结构安全问题,但鲁棒性是以避免工程整体结构的终极垮塌为目标,是无法接受的安全性上限。而安全性通常是以结构(构件)的最大承载力为目标,即按所谓的"承载力极限状态"来考虑的安全性,结构达到最大承载力(极限状态)并不意味着结构的垮塌,安全性是针对正常使用荷载和作用来考虑的,而鲁棒性是针对意外荷载和作用来考虑的。

       以构件破坏定义鲁棒性,结构中任一个构件的破坏即认为是结构破坏,符合这种破坏定义的结构,其鲁棒性小,即整体结构的鲁棒性取决于结构中(首先破坏的)关键构件的鲁棒性,要提高这类结构的鲁棒性,必需提高关键构件的鲁棒性,或增加关键构件的安全储备。

       以结构的最大承载力定义鲁棒性。对于超静定结构,一个构件达到最大承载力,并不意味着整体结构达到最大承载力。如果先破坏的构件具有足够的延性,则整体结构的承载力在第一个构件破坏后仍然可以继续增加,但整体结构的刚度会有所降低,直至结构中有足够多的构件达到破坏,结构才达到最大承载力。这意味着在达到结构最大承载力以前,那些达到承载力构件的延性对结构的鲁棒性具有重要意义。

       目前结构设计的鲁棒性表现不足体现在以下几个因素:
       1、 我们获得的经验、数据、方式都是以前工程的积累,这些既提供了解决问题的捷径,同时又为我们创新埋下包袱;
       2、 我们的设计往往建立在许多假定条件上,而这些条件不足以提供更可靠的能力;
       3、 我们的设计需要施工来实现,施工中的许多情况并没有在设计时予以考虑;

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发布: 徐珂建筑结构设计 分类: 结构设计摘录 评论: 1 浏览: 442
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