Towards multiple hazard resilient bridges: a methodology for modeling frequent and infrequent time-varying loads Part I, Comprehensive reliability and partial failure probabilities

The current AASHTO load and resistance factor design (LRFD) guidelines are formulated based on bridge reliability,which interprets traditional design safety factors into more rigorously deduced factors based on the theory of probability.This is a major advancement in bridge design specifications.However,LRFD is only calibrated for dead and live loads.In cases when extreme loads are significant,they need to be individually assessed.Combining regular loads with extreme loads has been a major challenge,mainly because the extreme loads are time variables and cannot be directly combined with time invariant loads to formulate the probability of structural failure.To overcome these difficulties,this paper suggests a methodology of comprehensive reliability,by introducing the concept of partial failure probability to separate the loads so that each individual load combination under a certain condition can be approximated as time invariant.Based on these conditions,the extreme loads (also referred to as multiple hazard or MH loads) can be broken down into single effects.In Part Ⅱ of this paper,a further breakdown of these conditional occurrence probabilities into pure conditions is discussed by using a live truck and earthquake loads on a bridge as an example.There are three major steps in establishing load factors from MH load distributions:(1) formulate the failure probabilities;(2) normalize various load distributions;and (3) establish design limit state equations.This paper describes the formulation of the failure probabilities of single and combined loads.     

西安白鹿塬北缘黄土边坡稳定的可靠度分析

在西安白鹿塬北缘实测了14个黄土自然边坡断面,建立了地质模型,通过采样测试并收集已有的测试资料,获得了各时代黄土地层的物理力学参数,将Morgenstern-Price法稳定性计算公式作为极限状态方程,分别采用Monte-Carlo法和Duncan法进行了边坡稳定的可靠度分析。结果表明:采用Monte-Carlo法和Duncan法得到的14个边坡稳定系数分别为1.11～1.41和1.09～1.33,显示这些边坡处于基本稳定—稳定状态;采用上述两种方法得到的边坡可靠指标分别为0.56～1.79和0.39～1.60,得到的失效概率分别为3.4%～29.0%和5.5%～34.8%,并且共有75%的边坡失效概率大于10%,失效可能性较大。统计结果表明:白鹿塬区边坡的坡高和坡度存在负相关性。低而陡的边坡潜在最危险滑面剪出口较高,失效概率较小;坡高达到50m及以上时,边坡高而缓,剪出口较低,失效概率较大,其中河流下切深,有N2泥岩出露的极高边坡,稳定性最差。Duncan法求解的稳定系数略小于Monte-Carlo法求得的结果,而前者求解的失效概率略大于后者,两种方法计算结果较为接近。由于Duncan法理论简单,计算量小,更宜于在实际工程中应用。     

基于模糊分类的UBGM(1,1)-Markov模型在露天矿边坡沉降预测中的应用

针对UBGM(1,1)-Markov模型中存在2个邻近值可能被归属到不同状态,导致预测值产生偏差的问题,结合模糊分类理论,构建基于模糊分类的无偏灰色-马尔科夫模型(unbiased gray-Markov model based on fuzzy classification, FC-UBGM(1,1)-Markov)。首先对UBGM(1,1)模型进行残差修正,然后将修正后拟合值的相对残差序列作为Markov链进行区间划分,再结合模糊分类的隶属度函数,计算相对残差的模糊向量,根据隶属度确定其所属的状态。实际算例表明,该模型比传统UBGM(1,1)-Markov模型的预测效果更好。     

基于Bootstrap方法的岩土体参数联合分布模型识别

小样本容量岩土体参数最优联合概率分布模型的识别是一个富有挑战性的问题。基于Bootstrap提出了小样本容量岩土体参数最优边缘分布函数和最优Copula函数识别方法。简要介绍了岩土体参数联合概率分布函数构造的Copula方法,采用AIC准则识别最优的边缘分布函数和Copula函数。将识别结果表示为不同备选边缘分布函数和Copula函数为最优边缘分布和最优Copula的权重系数集合,以基桩荷载-位移双曲线参数试验数据为例证明了所提方法的有效性。结果表明：基于小样本容量岩土体参数试验数据估计的样本均值、标准差和相关系数具有较大的离散性,这种离散性进一步导致了统计量AIC值存在较大变异性。提出的基于Bootstrap的最优边缘分布函数和最优Copula函数识别方法不仅可以有效地考虑统计量AIC值的变异性,而且能够综合地反映不同备选边缘分布函数和Copula函数为最优边缘分布和最优Copula函数的概率,为小样本容量岩土体参数最优边缘分布函数和最优Copula函数的识别提供了一条有效的途径。     

基于SRTM DEM的地形起伏度对天水市黄土滑坡的影响分析

以天水市辖区30 m分辨率的SRTM DEM数据为基础,首先利用GIS空间分析模块中邻域统计分析法,依次选取2×2、3×3、4×4、…、28×28、29×29、30×30共29个矩形邻域分析窗口,运用均值变点分析法进行最佳计算单元的计算分析。结果表明：12×12的网格大小（12.96×10⁴ m²）为曲线突变的拐点,作为曲线由陡变缓的阈值,确定12×12的网格大小（12.96×10⁴ m²）为研究区地形起伏度计算的最佳单元,生成研究区地形起伏度分级图。进而采用确定性系数法（CF）、证据权法、信息量法和条件概率法对研究区发育的黄土滑坡灾害与地形起伏度之间的相关关系进行了定量分析。研究结果表明,区内地形起伏度影响因子层中地形起伏度60~120 m的分级因子层为黄土滑坡灾害的易发因子层,而其中60~90 m区间的值最大,为黄土滑坡灾害的优势因子区间,对滑坡的响应最敏感。     

鲁西南聊考断裂带地震危险性评价与活动性分布

利用1970年以来沿聊考断裂带及周边50 km范围内的地震数据,结合历史强震与现今地震活动背景,分别运用最大似然法和最小二乘法对研究区进行b值计算,圈出高应力累积区,并借助时间相依的地震潜势概率评估方法以及地震活动性分布,得出以下结论：1）南段的范县、清丰、濮阳以及鄄城地区的b值维持在0.6～07之间,属于高应力积累区;2）未来50 a内南段危险性较高,100 a内整条断裂发生M5.0～6.0地震的可能性较大;3）地震活动主要集中在115.2°～115.6°E、34.9°～36°N区域内,且自2000年后地震活动性变强。     

Crest-height distribution of nonlinear random waves

The wave crest is an important factor for the design of both fixed and floating marine structures. Wave crest height is a dominant parameter in assessing the likelihood of wave-in-deck impact and resultant severe damage. Many empirical and theoretical distribution functions for wave crest heights have been proposed, but there is a lack of agreement between them. It is of significance to develop a better new nonlinear wave crest height distribution model. The progress in the research of wave crest heights is reviewed in this paper. Based on Stokes’ wave theory, an approximate nonlinear wave crest-height distribution formula with simple parameters is derived. Two sets of measured data are presented and compared with various theoretical distributions of wave crests obtained from nonlinear wave models and analysis of the comparison is given in detail. The new crest-height distribution model agrees well with observations. Also, the new theoretical distribution is more accurate than the other methods cited in this paper and has a greater range of applications.     

基于Markov模型的安宁市土地利用预测

根据安宁市2003～2009年土地利用更新调查数据,利用Markov模型以3年为间隔预测安宁市2012～2021年内的土地利用结构变化。结果表明:2012～2021年安宁市的耕地、园地、林地等农用地大量转变为建设用地;为了保障基本社会生活需求,耕地和园地的农作物生产用地向建设用地转变较少,林地向建设用地转变较多。     

极限蓄水位下洞坪水库大沟湾滑坡稳定性预测

滑坡灾害具有很强的空间变异性和随机性,应作非线性动态系统考虑。利用传递系数法,反演出极限蓄水位时大沟湾滑坡在不同安全系数下临界状态的剪切强度参数关系,对试验得到的剪切强度参数进行分析,结合工程地质类比法,由统计方法得到滑带土剪切强度参数的分布规律,并生成随机剪切参数。假设Mohr-Coulomb准则在滑坡体自重应力范围内服从线性分布,由试验参数在? -? 坐标内的分布曲线,结合天然状况下滑坡体正应力范围得到c-? 包络多边形,由此考虑剪切参数相关性,筛选出有效的随机剪切参数。通过Monte Carlo模拟,统计有效样本与反演得到的不同安全系数条件下极限平衡c-? 关系曲线的位置分布关系,得到不同安全系数滑坡的破坏概率。对极限蓄水位条件洞坪水库大沟湾滑坡稳定状况进行预测,结果表明,滑坡届时处于极高风险状态,稳定性很差。结合蓄水过程中两次对滑坡体实地考察得到的滑坡体变形特征表明,研究结果吻合。     

随机动力系统最优控制准则研究

根据线性二次最优控制理论,给出了系统随机最优控制的控制律一般形式。从目标控制量的物理意义出发,提出了基于系统概率密度演化分析的最优控制准则,建立了递阶层次的演化过程控制准则类。以线性单自由度体系随机地震反应最优控制为例,分析了各控制准则类的权矩阵参数优化结果,并根据最优控制律进行了系统随机最优控制研究。结果表明,本文提出的系统随机最优控制的控制律确定方法可以对系统性态进行有效的控制。