Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Kanda, Jun (EDT)/ Takada, Tsuyoshi (EDT)/ Furuta, Hitoshi (EDT)

出品人:

页数:632

译者:

出版时间:2007-8

价格:$ 629.41

装帧:

isbn号码:9780415452113

丛书系列:

图书标签:

Civil Engineering
Statistics
Probability
Structural Engineering
Geotechnical Engineering
Water Resources Engineering
Transportation Engineering
Reliability Analysis
Risk Assessment
Data Analysis

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具体描述

Over the last decade, much attention has been paid to engineering risks associated with calamities such as the Indian Ocean tsunami, hurricanes in the US, terrorist attacks, and the sudden collapse of engineered structures. Future events are largely unpredictable, but statistics and probabilistic approaches provide powerful tools for managing risks. In this work, particular focus is placed on applications of probability theory and statistics in all aspects of civil engineering and related fields, including aerospace engineering, earthquake engineering, environmental engineering, nuclear engineering, transportation, and wind engineering.

结构工程中的不确定性与决策：基于概率论与数理统计的现代方法本书旨在为土木与结构工程师提供一个全面、深入的视角，探讨如何在工程实践中系统地处理和量化不确定性。传统的设计和分析方法往往依赖于固定的、理想化的参数假设，但这与现实世界中材料特性、荷载变化、环境因素以及制造公差所固有的内在随机性相去甚远。本书的核心目标是弥合这种理论与现实之间的鸿沟，介绍一系列先进的统计学和概率论工具，使工程师能够进行更安全、更经济、更可靠的设计。第一部分：不确定性的量化与概率基础本部分奠定了处理工程随机性的数学基础。我们首先超越了简单的描述性统计，深入探讨随机变量的特性及其在工程系统中的应用。随机变量与概率分布的精选：重点讨论在土木工程中最为常见的概率分布，包括正态分布、对数正态分布、威布尔分布（尤其在材料强度和寿命预测中）以及泊松分布（用于事件频率分析）。详细讲解了如何根据实际数据拟合这些分布，并评估拟合优度。随机过程导论：鉴于许多工程问题涉及随时间变化的现象（如交通流量、风荷载、地震激励），本书引入了随机过程的概念。着重介绍马尔可夫链和布朗运动在建模时间依赖性系统中的应用，例如钢结构腐蚀过程的演变。不确定性传播（UCM）：详细阐述如何将输入参数（如材料强度、几何尺寸）的固有不确定性，通过结构响应函数（如应力、挠度）传播至最终输出结果。本书将重点介绍蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）的原理、高效实现方法以及其在复杂非线性系统中的应用，并与更快速的一阶二阶矩方法（FORM/SORM）进行对比。第二部分：可靠性理论与极限状态分析可靠性分析是现代结构工程设计的基石。本部分将概率论转化为可操作的工程指标。基本可靠性指标：深入剖析可靠性指标 ($eta$) 的概念，它是衡量结构抵抗失效能力的关键参数。详细解释了极限状态函数（Limit State Function, LSF）的构建，以及如何利用转移概率和密度函数来计算失效概率 ($P_f$)。一阶可靠性方法（FORM）的实践应用：介绍如何通过HL-RF（Hasofer-Lind-Rackwitz-Fiessler）算法，将随机变量转换到标准正态空间，从而精确求解最可能失效点（Most Probable Failure Point, MPFP），并计算出相应的 $eta$ 值。随机有限元分析（S-FEM）：讨论如何将材料属性、边界条件等视为随机场，并将其集成到有限元模型中。本书侧重于离散化技术和随机场生成方法（如Karhunen-Loève展开）在处理空间相关性随机输入时的有效性，以获得更真实的应力场和位移场的概率分布。荷载与抗力模型校准：介绍基于统计数据的荷载因子和抗力因子校准方法。采用贝叶斯推断（Bayesian Inference）框架，利用实测数据和专家知识来迭代更新和优化设计规范中的分项系数，确保设计结果满足预定的可靠性目标。第三部分：面向决策的先进统计技术本部分关注如何利用统计信息指导工程决策，尤其是在资源优化和风险评估方面。回归分析在工程预测中的应用：除了标准的最小二乘法，本书重点探讨了鲁棒回归（Robust Regression）技术，用于处理带有异常值或异方差性的工程测量数据（例如，传感器监测数据）。展示如何利用多元回归模型预测结构健康指标或剩余寿命。贝叶斯网络与结构健康监测（SHM）：介绍贝叶斯网络（Bayesian Networks, BN）作为一种强大的工具，用于整合异构信息源（如历史数据、专家意见、实时传感器读数）来评估结构损伤的概率。详细阐述BN在故障诊断和状态评估中的推理过程。寿命分析与加速测试：针对基础设施的长期性能评估，本书深入探讨了生存分析（Survival Analysis）技术。介绍Kaplan-Meier估计器和Cox比例风险模型，用于分析构件的失效时间分布，并讨论如何利用加速寿命试验（ALT）的数据外推到正常使用条件下的设计寿命。风险成本优化：将概率风险评估（PRA）与经济学原理相结合。建立风险成本函数，量化因结构失效（直接损失）和过度设计（间接成本）带来的经济影响。目标是通过优化 $eta$ 值，实现总预期成本（维护、失效损失与初始投资之和）的最小化，指导最优的维护和设计决策。本书的特点与目标读者：本书的叙述风格严谨而不失工程直觉，侧重于方法论的推导、算法的实现步骤以及在真实工程案例中的应用实例。它避免了过度纯粹的数学推导，而是将复杂的统计工具转化为工程师可直接应用的分析框架。目标读者包括：研究生和高年级本科生，主修结构工程、岩土工程或工程力学专业。结构设计院、工程咨询公司的中高级工程师，需要掌握超越传统设计规范的先进可靠性工具。从事基础设施寿命预测、风险管理和结构健康监测的研究人员。通过对这些先进统计和概率方法的掌握，读者将能够超越规范中的经验系数，建立起基于科学量化风险的、具有明确可靠性保证的工程设计体系。