基于貝葉斯方法的多種木材連接方式的載荷-滑移力學性能參數識別
《Reliability Engineering & System Safety》:Bayesian parameter identification of load-slip mechanical properties for multi-type timber connections
【字體:
大
中
小
】
時間:2026年02月27日
來源:Reliability Engineering & System Safety 11
編輯推薦:
本研究采用貝葉斯推斷方法,對膠合木-鋼螺栓、輕質木釘接及木-混凝土三種連接件的荷載-滑移曲線進行參數識別與不確定性量化,評估五類力學模型適用性。結果表明三參數模型能有效描述連接件力學行為,為木結構設計提供可靠參數,顯著降低參數離散性,提升結構安全性與可靠性。
Jixing Cao|Hengguang Yu|Zhiqi Wang|Hongmei Zhang
浙江大學土木工程與建筑學院,中國杭州310058
摘要
連接件對木材結構的力學性能至關重要,但其參數難以準確量化且存在諸多不確定性。本研究采用貝葉斯推斷方法來識別木材連接件中的模型參數,并評估最合適的力學模型。收集了三種類型木材連接件的荷載-滑移數據,包括膠合層壓木材-鋼螺栓連接件、輕型木材結構釘接連接件和木材-混凝土連接件,作為數據庫。選擇了五種力學模型來描述荷載-滑移行為。通過對荷載-滑移曲線應用貝葉斯擬合程序來估計模型參數。先驗分布假設為均勻分布,后驗分布通過更新實驗數據獲得。結果表明,三參數模型能夠有效描述荷載-滑移行為。本研究為木材結構設計提供了可靠的參數,為解決現有的參數分散性和不確定性問題奠定了堅實的理論基礎。這項工作將提高木材結構應用的安全性和可靠性。
引言
由于木材對環境的友好性和美觀性,木材結構在現代建筑中已成為可持續施工的重要選擇[1,2]。為了充分利用木材的優勢,實踐中通常使用各種類型的連接件。選擇了三種常見的連接類型來代表不同的力學行為:膠合層壓木材-鋼螺栓連接件、輕型木材結構釘接連接件和木材-混凝土連接件。這些連接件非常重要,因為螺栓接頭通常表現出明顯的屈服平臺,釘接連接件控制輕型框架系統的抗剪能力,而木材-混凝土復合材料涉及具有高度不同性質的材料的相互作用。這類結構的力學性能和安全性在很大程度上取決于連接件的性能[3,4],這促使了對木材連接系統進行了廣泛的研究。
在膠合層壓木材-鋼螺栓連接領域,Johansen[5]首次提出了螺栓接頭的屈服強度理論,即歐洲屈服模型(EYM),該理論隨后通過大量的實驗和分析工作得到了驗證和擴展。McLain[6]、Soltis等人[7,8]以及Sawata[9,10]通過嚴格的承載測試和理論分析證實了EYM的可靠性和適用性。基于對螺栓接頭力學的理解,Dorn[11]進一步闡明了復雜的荷載-位移響應,系統地考慮了木材密度、螺栓細長比、摩擦、幾何形狀和加固等因素。與工程木材的螺栓連接發展并行,對輕型木材結構的研究也廣泛描述了釘接連接件的性能,這對它們的廣泛應用至關重要。Aune等人[12]通過實驗比較了北歐標準NT Build 133和美國標準ASTM D761對側向抗力的影響,并推導出了釘接連接件的承載能力公式。Dolan等人[13]對釘接接頭進行了單調和循環加載測試,并在重復加載下開發了承載模型。Steve等人[14]比較了不同濕度條件下光滑圓釘和金屬涂層鋼釘在住宅木材結構中的承載能力。R.E. Kalkert等人[15]和S. Fonseca等人[16]對釘接面板試件進行了單調和循環測試,發現材料屬性顯著影響單調性能,而紋理方向主要影響循環性能。在兩種加載情況下,沿紋理方向加載的連接件表現優于垂直于紋理方向加載的連接件。Scott等人[17]研究了低循環加載下木材腐朽對OSB面板的釘接連接件的影響。除了木材-木材或木材-鋼系統之外,大量研究工作還集中在新型木材-混凝土連接件上,以利用兩種材料的互補性能。在開發的多種系統中[[18],[19],[20]],榫釘型和缺口型連接件仍然占主導地位。一項包含96種復合接頭配置的實驗研究探討了斜向自攻螺絲如何影響失效模式、剛度和承載能力[21]。另外,還分析了螺栓木材-混凝土連接件的循環性能,重點研究了其失效機制和滯后響應,并對其循環荷載-位移行為進行了數值建模[22]。另一系列實驗研究了帶缺口和不帶缺口的連接件,對比了它們的失效特性、滑移剛度和極限強度[23]。在后續工作中,通過參數變化設計了具有凹槽的延性連接件,并通過推出測試量化了其剪切能力[24]。
以往的實驗研究主要集中在力學性能上,通常使用力學模型來預測荷載-滑移關系,但準確識別模型參數仍然具有挑戰性[[25],[26],[27]]。一種常見的方法是在實驗數據和模型預測之間進行最小二乘擬合[28,29]。然而,傳統擬合方法(如最小二乘法)的一個共同局限性是無法量化與識別參數相關的不確定性,這對于基于可靠性的設計至關重要。為了解決這個問題,本研究采用貝葉斯方法不僅從實驗數據中識別模型參數,還嚴格量化了它們的不確定性[30,31]。貝葉斯推斷通過計算基于輸入和觀測值的條件后驗概率密度函數(PDF)來估計參數。作為一種基于概率的估計方法,它可以自然地考慮建模不確定性,因此吸引了大量研究興趣。Liu等人[32]利用貝葉斯推斷基于多網格墻測試識別滯后模型參數,并通過后驗分析探討了參數之間的關系。Green[33]開發了一種新的模擬退火變體,用于貝葉斯系統識別非線性動態系統。其他研究人員應用貝葉斯濾波算法進行參數識別[[34],[35],[36],[37]]。Muto等人[38]使用過渡馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法進行了貝葉斯更新和模型類別選擇,用于滯后結構模型。本文提出了將貝葉斯推斷應用于系統量化關鍵木材連接件荷載-滑移模型參數不確定性的創新方法。盡管存在力學模型,但準確識別其參數并量化相關不確定性仍然是一個挑戰。為了為此領域做出貢獻,本研究采用貝葉斯方法系統地識別三種關鍵木材連接類型的模型參數并量化其不確定性。這種概率框架提供了必要的數據,以解決參數分散性問題,從而提高了木材連接設計的可靠性,超越了確定性方法。
本文的其余部分結構如下:第2節介紹了三種類型木材連接的實驗細節;第3節介紹了用于擬合的五種力學模型;第4節概述了方法和理論背景;第5節描述了研究程序和結果;第6節給出了一些結論。
節選內容
多種木材連接件測試數據集
本研究中使用的實驗數據來自已發表的研究,涵蓋了三種木材連接件變體:膠合層壓木材-鋼螺栓連接件[39]、輕型木材結構釘接連接件[40]和木材-混凝土連接件[41,42]。所有木材部件均采用云杉-松木-冷杉(SPF)木材制成,測量密度為457.63 kg/m3。每種連接類型中與木材配對的對應材料如下:Q235鋼板
用于荷載-滑移曲線表征的力學模型
木材連接的荷載-滑移曲線通常觀察到五個階段:(1) 初始固結階段,特征是連接件就位和低載荷下的非線性滑移;(2) 彈性階段,由于木材和緊固件的彈性變形,載荷與滑移近似線性增加;(3) 屈服階段,標志著永久變形(如木材壓碎或緊固件屈服)的開始,導致剛度降低;(4) 載荷平臺階段,這是一個區域
貝葉斯模型更新框架
準確表征連接件的荷載-滑移行為對于預測木材結構力學模型的性能至關重要。木材的自然變異性和連接件的非線性行為給參數量化帶來了重大挑戰。貝葉斯方法作為先進的統計推斷工具,通過整合先驗知識和觀測數據,提供了一種系統的方法來識別參數和量化不確定性
貝葉斯參數更新過程
采用貝葉斯方法來識別控制木材連接件荷載-滑移行為的參數。通過將實驗數據與先驗分布相結合,貝葉斯方法能夠量化參數不確定性并提高模型估計的準確性。
從木材連接件荷載-滑移測試中獲得了十個實驗數據集,每個數據集包含力和位移觀測值。對于數據預處理,需要提取峰值載荷及其對應的位移
結論
本研究采用貝葉斯方法量化了三種木材連接類型(膠合層壓木材-鋼螺栓連接、輕型木材結構釘接連接和木材-混凝土連接)的荷載-滑移參數不確定性。實驗數據被整合到貝葉斯推斷框架中,結合先驗知識和測量結果,通過馬爾可夫鏈蒙特卡洛(MCMC)采樣更新后驗參數分布。得出以下結論:
(1) 在評估的五種力學模型中
CRediT作者貢獻聲明
Jixing Cao:撰寫 - 審稿與編輯、方法論、概念構思、資金獲取。Hengguang Yu:撰寫 - 審稿與編輯、可視化、軟件、形式分析、數據管理。Zhiqi Wang:數據管理、形式分析、軟件。Hongmei Zhang:資源管理、形式分析、驗證。
CRediT作者貢獻聲明
Jixing Cao:撰寫 – 審稿與編輯、方法論、資金獲取、概念構思。Hengguang Yu:撰寫 – 審稿與編輯、可視化、軟件、形式分析、數據管理。Zhiqi Wang:軟件、形式分析、數據管理。Hongmei Zhang:驗證、資源管理、形式分析。
生物通微信公眾號
生物通新浪微博
今日動態 |
人才市場 |
新技術專欄 |
中國科學人 |
云展臺 |
BioHot |
云講堂直播 |
會展中心 |
特價專欄 |
技術快訊 |
免費試用
版權所有 生物通
Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved
聯系信箱:
粵ICP備09063491號