系统所具有的在不改变初始稳定构造的情况下抵抗变化的能力。源于统计学与控制理论,表征系统抵抗干扰维持功能的能力。在土木工程语境中 特指"结构对局部损伤的不敏感性"工程结构在遭遇局部损伤或极端事件时,仍能保持整体稳定性和功能完整性的能力,其核心目标是避免结构因局部失效引发连锁反应导致整体垮塌。这一概念与传统的构件安全性设计相辅相成,但更强调系统层面的抗灾能力和冗余设计。
整体安全性优先
吕大刚、宋鹏彦
基于偶然事件、局部损伤、不成比例破坏、失效后果,将鲁棒性定义为偶然事件对结构造成局部损伤的条件下,结构体系具有不发生整体失效后果与局部损伤原因不成比例破坏的一种能力
美国抗连续性倒塌设计规范(GSA2003)
在冲击、火灾、爆炸等导致结构发生局部损伤后,结构或构件利用其韧性和强度来抵抗过早破坏能力或者抵御脆性破坏的能力
英国结构安全常设委员会(SCOSS)
建筑结构抵御不成比例倒塌的能力
结构鲁棒性隶属于结构韧性(Resilience)体系的四维架构之一:
①可靠性:常规荷载下的性能保障;
②冗余性:多路径传力系统容错能力;
③鲁棒性:局部损伤下的功能维持;
④可恢复性:灾后快速修复能力。
冗余结构(如连续钢桁梁)通过多荷载路径分散风险,鲁棒性较强
结构鲁棒性定量分析方法有两类:基于结构属性的方法和基于结构性能的方法
鲁棒性设计的荷载
①常规荷载(设计基准期)、
②极端荷载(船撞/爆炸等可预见事件)、
③意外荷载(施工失误/恐怖袭击等突发风险)。
设计需预设结构在极端事件(如地震、船撞)下的极限状态,通过冗余传力路径和延性构造抵御连锁破坏。然而尽管采用多重防护措施,结构仍存在与风险等级匹配的失效概率,需在安全储备与经济成本间寻求最优平衡。
工程实践中的关键措施
设计阶段:采用高冗余度的结构形式(如超静定体系),增设关键构件的保护措施(如防爆层);
材料选择:优先使用延性材料(如钢结构)以延缓破坏进程;
分析方法:通过应变能指标量化损伤后的性能退化,评估鲁棒性与可靠性的关联
midas NFX提供了广泛的材料定义和载荷施加选项,适合于复杂结构的分析。在模型建立过程中,可通过软件自带的建模工具或导入已有的几何模型,并进行适当的网格划分。网格类型和尺寸的选择应确保计算精度和效率,常用的网格类型包括四边形网格(六面体)和三角形网格(四面体)。
材料定义是另一个关键步骤,需要输入材料的力学性能参数。这一步骤对于后续的应力、应变分析至关重要。通过合理的材料定义,可以更准确地模拟实际结构的行为。
通过计算结构各部分的应变能分布,可以有效地评估结构的鲁棒性、冗余度与可靠性,为工程设计和安全评估提供科学依据。
鲁棒性
通过对比不同损伤情景下的应变能分布,可以评估结构的鲁棒性。关键构件(如支撑、节点)的应变能变化是评估的重点
冗余度
应变能分布还可以用来识别结构的关键路径和冗余路径。失效路径的应变能变化分析有助于评估冗余度的影响
可靠性
结合应变能分布,可以建立结构失效概率模型。使用Monte Carlo等统计技术可以计算结构的可靠性指标,从而评估结构的整体可靠性
基于应变能指标的分析方法提供了一种有效的手段来评估和优化结构的鲁棒性、冗余度和可靠性。通过对应变能的计算和分析,可以更好地理解结构在外力作用下的行为,从而在设计阶段采取措施提高结构的安全性和经济性。此外,这种分析方法还可以应用于结构损伤识别和健康监测中,为维护和加固提供科学依据