基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法，包括：1)，获取路面设计输入参数的变异性统计特征；2)，根据所获取的路面设计输入参数的变异性统计特征，产生符合经典分布模型的随机数；3)，判断产生的随机数是否符合指定区间范围，筛选符合范围的随机数，直到符合步骤1)中指定统计特征的参数截断分布模型；4)，建立路面结构疲劳指标与累计当量轴次的极限状态方程Z；5)，根据步骤3)和4)判断结构功能函数的状态；6)，设定循环次数N，重复步骤2)

【技术实现步骤摘要】
基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法


[0001]本专利技术涉及路面结构疲劳可靠度评价领域，特别涉及一种基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法。

技术介绍

[0002]由于路面结构力学响应表达式含有不易显式化和求偏导的无穷贝塞尔积分函数，所以路面结构可靠度的计算通常以蒙特卡洛法等数值模拟为主。自2017年9月《公路沥青路面设计规范》(JTG D50
‑
2017)实施以前，路面结构验算和可靠度分析主要围绕弯沉和层底拉应力指标开展计算。而2017年9月的《公路沥青路面设计规范》(JTG D50
‑
2017)废除了弯沉等验算指标，并修改了路面结构验算指标，包括沥青混合料层疲劳、无机结合料层疲劳和路基顶面容许压应变等指标。自《公路沥青路面设计规范》(JTG D50
‑
2017)实施以来：杨聪利根据基层疲劳指标设计了沥青路面结构可靠度软件框架,该框架仍在完善中，还不能完整计算路面结构的可靠度。付宇选取了沥青路面基层疲劳和永久变形两个指标开发了沥青路面可靠度计算程序。已有研究主要围绕沥青路面个别指标的可靠度开展分析，且主要围绕弯沉和层底拉应力等可靠度指标，现行规范下路面疲劳可靠度的研究整体较少；已有可靠度计算模型中，常假设路面交通、结构和材料等随机变量服从正态分布等无界的理论分布，未考虑随机变量在现实生产制造中的实际有界性，这与实际工程的误差分析存在较大出入。由于部分随机变量出现无穷大或负值等情况，其可靠度计算常与工程实际不符。
[0003]此外，永久性沥青路面结构的力学行为特性不同于普通沥青路面结构，沥青混合料层的最大拉应变位置通常在面层上部位置。现有研究中，关于永久性沥青路面结构面层、基层和路基的可靠度评价方法及程序还未见报道。
[0004]因此，有必要设计一种能够适用于永久性沥青路面结构施工前的工程设计指标变异性影响准确评价和完工后的疲劳可靠度准确评估的计算分析方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提出一种基于永久性路面结构设计参数施工变异性和范围的面层和基层疲劳、路基压应变的可靠度评价方法，包括产生指定分布和范围的随机数、各影响疲劳可靠性因素的敏感性分析，为永久性沥青路面结构施工前的工程设计指标变异性影响评价和完工后的疲劳可靠度评估提供支撑。
[0006]上述专利技术目的是通过如下所述的技术方案实现的。
[0007]本专利技术公开了一种基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤1)，获取路面结构设计输入参数的变异性统计特征，包括：均值、方差、分布类型、上限和下限；
[0009]步骤2)，根据步骤1)中所获取的路面结构设计输入参数的变异性统计特征，结合数理统计中经典的随机参数分布模型，结合蒙特卡洛抽样原理产生符合经典的随机参数分
布模型的随机数；
[0010]步骤3)，根据步骤1)中路面结构设计输入参数的上限和下限的变异性统计特征，基于概率等效原则和逆变换法产生符合指定区间范围的随机数，若随机数不符合区间范围则重新产生随机数，直到产生符合指定区间的随机数，从而得到符合步骤1)中指定的分布类型、上限和下限的统计特征的参数截断分布模型；
[0011]步骤4)，基于步骤1)中的路面结构设计参数和交通量水平，分别建立路面结构面层、基层和路基的疲劳验算指标Ri(i＝1、2、3)与交通量累计当量轴次Si(i＝1、2、3)的极限状态方程Zi＝Ri
‑
Si(i＝1、2、3)；
[0012]步骤5)，根据步骤3)和4)判断结构功能函数Zi的状态，如果Zi≥0则判断结构可靠，如果Zi＜0则判定结构不可靠；
[0013]步骤6)，设定循环次数N，重复步骤2)
‑
步骤5)，统计Zi≥0的次数P，以及Zi＜0的次数q；
[0014]步骤7)，基于步骤6)，绘制p/(p+q)的可靠度收敛曲线，其中N＝p+q，通过绘制的可靠度收敛曲线判断可靠度计算过程的收敛性，若可靠度收敛曲线波动较大，需要调整循环次数N，直到可靠度收敛曲线呈平滑、稳定状态；
[0015]步骤8)，基于步骤6)和步骤7)，将循环次数N的最后一次计算值p/N作为路面结构各层的可靠度fi(i＝1、2、3),将循环次数N的最后一次计算值q/N作为路面结构各层的失效概率p
fi
(i＝1、2、3)，其中路面结构面层、基层和路基的可靠度与失效概率的关系为fi＝1
‑
p
fi
＝1
‑
q/N(i＝1、2、3),则路面结构的可靠度
[0016]进一步的，在步骤1)中，针对施工后的永久路面结构，采集路面结构的全线或部分代表段的路面设计输入参数；针对施工前的永久路面结构，拟定路面设计输入参数；所述路面设计输入参数基于路面结构设计参数和交通参数进行获取，其中路面结构设计参数包括路面结构层厚度和模量，所述交通参数包括交通荷载水平和交通量。
[0017]进一步的，在步骤2)和3)中，路面结构极限状态函数Zi(x)是含有路面结构设计参数和交通量参数的n维随机变量x＝x1,x2....,x
n
，其失效区域为F＝{x:Zi(x)≤0}，若x
i
(i＝1,...,n)相互独立并且服从均值为μ
i
标准差为σ
i
的截断正态和对数正态分布，a和b分别为随机变量截断下界和截断上界，基于概率等效原则的截断分布x
i
的概率密度函数和累积分布函数如下式(1)、(2)所示：
[0018][0019][0020]为正则化常数，使得x
i
的累积分布函数在区间[a，b]的累积概率为1；式中，f、F、分别为随机变量服从均值为μ
i
、标
准差为σ
i
的母分布的概率密度函数、累积分布函数、均值和方差。
[0021]进一步的，在步骤3)中，逆变换法以正态分布确定截断分布的随机数的产生，设d为0
‑
1服从均匀分布的随机数(0≤d≤1)，则：
[0022][0023][0024][0025]直到(a≤x≤b)
[0026]进一步的，路面结构至少包括面层、基层和路基。
[0027]进一步的，在步骤4)中，分别建立面层、基层和路基的结构疲劳指标与累计当量轴次的极限状态方程，面层、基层和路基的极限状态方程分别为：Z1、Z2、Z3；
[0028]当考虑面层的结构疲劳时，极限状态功能函数为：
[0029][0030]式中，β为目标可靠指标；K
a
季节性冻土地区调整系数；K
b
疲劳加载模式系数；E
a
沥青混合料20℃时的动态压缩模量(MPa)；VFA沥青混合料的沥青饱和度(％)；K
T1
温度调整系数；N
e
设计使用年限本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，获取路面结构设计输入参数的变异性统计特征，包括：均值、方差、分布类型、上限和下限；步骤2)，根据步骤1)中所获取的路面结构设计输入参数的变异性统计特征，结合数理统计中经典的随机参数分布模型，结合蒙特卡洛抽样原理产生符合经典的随机参数分布模型的随机数；步骤3)，根据步骤1)中路面结构设计输入参数的上限和下限的变异性统计特征，结合步骤2)中经典随机参数分布模型，基于概率等效原则和逆变换法产生符合指定区间范围的随机数，若随机数不符合区间范围则重新产生随机数，直到产生符合指定区间的随机数，从而得到符合步骤1)中指定的分布类型、上限和下限的统计特征的参数截断分布模型；步骤4)，基于步骤1)中的路面结构设计输入参数和交通量水平，分别建立路面结构面层、基层和路基的疲劳验算指标Ri(i＝1、2、3)与交通量累计当量轴次Si(i＝1、2、3)的极限状态方程Zi＝Ri
‑
Si(i＝1、2、3)；步骤5)，根据步骤3)和4)判断结构功能函数Zi的状态，如果Zi≥0，则判断结构可靠，如果Zi＜0则判定结构不可靠；步骤6)，设定循环次数N，重复步骤2)
‑
步骤5)，统计Zi≥0的次数P，以及Zi＜0的次数q；步骤7)，基于步骤6)，绘制p/(p+q)的可靠度收敛曲线，其中N＝p+q，通过绘制的可靠度收敛曲线判断可靠度计算过程的收敛性，若可靠度收敛曲线波动较大，需要调整循环次数N，直到可靠度收敛曲线呈平滑、稳定状态；步骤8)，基于步骤6)和步骤7)，将循环次数N的最后一次计算值p/N作为路面结构各层的可靠度f
i
(i＝1、2、3)，将循环次数N的最后一次计算值q/N作为路面结构各层的失效概率p
fi
(i＝1、2、3)，其中路面结构面层、基层和路基的可靠度与失效概率的关系为f1＝1
‑
p
fi
＝1
‑
q/N(i＝1、2、3)，则路面结构的可靠度2.根据权利要求1所述的基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法，其特征在于，在步骤1)中，针对施工后的永久路面结构，采集路面工程项目全线或部分代表段的路面设计输入参数；针对施工前的永久路面结构，拟定路面设计输入参数；所述路面设计输入参数基于路面结构设计参数和交通参数进行获取，其中路面结构设计参数包括路面结构层厚度和模量，所述交通参数包括交通荷载水平和交通量预测相关参数。3.根据权利要求2所述的基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法，其特征在于，在步骤4)中，路面结构极限状态函数Zi(x)是含有路面结构设计参数和交通量参数的n维随机变量x＝x1，x2....，x
n
，其失效区域为F＝{x：Zi(x)≤0}，若x
i
(i＝1，...，n)相互独立并且服从均值为μ
i
标准差为σ
i
的截断正态和对数正态分布，a和b分别为随机变量截断下界和截断上界，基于概率等效原则的截断分布x
i
的概率密度函数和累积分布函数如下式(1)、(2)所示：
为正则化常数，使得x
i
的累积分布函数在区间[a，b]的累积概率为1；式中，f、F、分别为随机变量服从均值为μ
i
、标准差为σ
i
的母分布的概率密度函数、累积分布函数、均值和方差。4.根据权利要求2所述的基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法，其特征在于：在步骤3)中，逆变换法以正态分布设计产生截断分布的随机数，设d为0
‑
1服从均匀分布的随机数(0≤d≤1)，则：布的随机数(0≤d≤1)，则：布的随机数(0≤d≤1)，则：直到(a≤x≤b)。5.根据权利要求2所述的基于参数有界性分布的永久路面结构疲劳可靠度评价方法，其特征在于，在步骤4)中，分别建立面层、基层和路基结构疲劳指标与累计当量轴次的极限状态方程，面层、基层和路基的极限状态方程分别为：Z1、Z2、Z3；当考虑面层的结构疲劳时，极限状态功能函数为：式中，β为目标可靠指标；K
a
季节性冻土地区调整系数；K
b
疲劳加载模式系数；E
a
沥青混合料20℃时的动态压缩模量(MPa)；VFA沥青混合料的沥青饱和度(％)；K
T1
温度调整系数；N
e
设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数(次)，ε
a
沥青混合料层层底拉应变，根据弹性层状体系理论计算，ε
a
＝
‑
53.687+225.743X4+161.835X8+0.154X11+0.0000001299X5＊X5
‑
386.763X6＊X6
‑
174.685X8＊X8
‑
0.000141X11＊X11
‑
0.0000001241X1＊X5+0.0000001747X1＊X9
‑
1992.189X2＊X4+1126.921X2＊X10+0.002268X3＊X8
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦旻，张权，何兆益，张庆余，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：