可靠度7

nullnull第10章 结构概率可靠度设计法 几何学设计法 容许应力设计法 荷载系数设计法 极限状态设计法 结构设计首先要保证结构的安全性，其次是保证结构适用性、耐久性和偶然作用下的整体稳定性。为实现这个目的，就要对结构进行合理的设计。10.1 结构设计的目标null第10章 结构概率可靠度设计法设计要求 结构设计总的要求是：结构的抗力R应大于或等于结构的综合荷载效应S。 R≥S 由于实际中抗力和荷载效应均为随机变量，因此上式并不能绝对满足，而只能在一定概率意义下满足，即： P{R≥S}=ps 结构设计要求：在一定的可靠度ps或失效概率pf条件下，进行结构设计，使得结构的抗力大于或等于结构的综合荷载效应。10.1 结构设计的目标null第10章 结构概率可靠度设计法目标可靠度 结构设计的目标可靠度的大小对结构的设计结果影响较大。 如果目标可靠度定的很高，则结构会设计的很强，使造价加大；反之，则结构会设计的很弱，使人产生不安全感。确立目标可靠度需考虑的因素： 1. 公众心理； 2. 结构重要性； 3. 结构破坏性质； 4. 社会经济承受力。10.1 结构设计的目标 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示设计所预期达到的结构可靠度。null第10章 结构概率可靠度设计法10.1 结构设计的目标考虑公众心理，当危险率为每年10-5或更小时，一般人都不再考虑其危险性；对工程结构，认为年失效概率：小于1×10-4为比较安全；小于1×10-5为安全；小于1×10-6为很安全。在设计基准期50年内，失效概率分别小于5×10-3 、 5×10-4 、5×10-5时，认为结构较安全、安全和很安全，相应的可靠指标约在2.5~4.0之间。公众心理null第10章 结构概率可靠度设计法10.1 结构设计的目标结构重要性： 对于重要结构（如核电站、国家级广播电视发射塔），设计目标可靠度应定得高些；对于次要结构（如临时仓库、车棚等，设计目标可靠度可定的低些。 实际应用中常以一般结构的设计目标可靠度为基准，对于重要结构使其失效概率减小一个数量级，而对于次要结构增加一个数量级。结构破坏性质： 对于脆性结构（如砌体、砖混结构），破坏前几乎毫无征兆，其破坏造成的后果比延性结构（如钢结构）要严重。因此前者的设计目标可靠度应较高。社会经济承受力： 经济越发达，公众对可靠性的要求越高，因而目标可靠度也定的越高。null第10章 结构概率可靠度设计法10.1 结构设计的目标确定目标可靠度的方法 如何选择结构的最优失效概率或设计可靠指标是关系到社会、政治、经济、生命财产等一系列方面的重要问题。目前一般采用类比法或校准法来确定设计可靠指标。类比法或协商给定法：是参照人们在日常活动中所经历的各种风险或危险率，确定一个为公众所能接受的失效概率即可靠指标。校准法：就是通过对现行设计规范安全度的校核（反演计算），找出隐含于现行规范中的可靠指标，再经过综合分析和调整，据以制定今后设计（规范）采用的目标可靠指标。null第10章 结构概率可靠度设计法规范与科学技术的结论本身并不能等同起来。同一个时期，世界上可以同时存在几十种结构设计规范，根据它们设计建筑物，一般来讲都是安全的。 规范的制定，不仅与科学技术发展有关，还与一个国家特定时期特定的技术经济条件和国家方针政策、社会心理等因素有关。加拿大的林德曾经说：“规范无非是有代表性的专家对结构的一种权衡”。要求设计者遵循一种规范，就是规定他们必须按照统一的一套算法作设计，按照规定的步骤来设计。 规范体系本身也是需要“设计”的，修改规范的最重要之处就在于规定恰当的可靠度水平，同时在每一个具体的步骤中贯彻它。。规范修订所导致的安全度水平的变化若大于10%，就常常会大得使实际工作者们恐慌，从而拒绝接受”。因此人们认为编写新规范可以看成是对旧规范的一种“校准”。10.1 结构设计的目标null第10章 结构概率可靠度设计法 我国老规范在可靠度方面存在着不少缺陷，如果用统一的可靠指标来进行分析，就会发现其中最主要的问题是各本规范以及同一本规范中各个结构构件，甚至同一种构件在不同条件下可靠度水平都不一致。 修改规范，就需要采用校准法来分析原有规范的可靠度水平，同时根据本国的实际经济和科技情况确定新规范的目标可靠度水平（可靠指标），这个指标应当更为合理，但是又不能偏离原规范太远。亦即在引入许多新观念和方法的同时，对老规范也必须具有很大程度的继承性。10.1 结构设计的目标null第10章 结构概率可靠度设计法 校准法实质上充分考虑了工程建设常年积累的实践经验，继承了规范中暗含的结构设计可靠度水准，所以从总体上来讲它是合理的，并且也是为绝大部分人所接受的，是一种切实可行的确定设计可靠指标的方法。我国、美国、加拿大和欧洲的一些国家都采用此法。 我国现行规范规定的结构构件设计可靠指标，就是通过对老规范中的14种具有代表性的结构构件，进行所谓校准并经适当调整而制定的。10.1 结构设计的目标null第10章 结构概率可靠度设计法校准法举例：老规范的强度表达式一般可归结为10.1 结构设计的目标null第10章 结构概率可靠度设计法在校核时，要考虑活载效应与恒载效应的比值＝SQK/SGK不同的情况，这是因为两种荷载的变异性不同，当变化时，将发生变化。所以在校核时，可以仅以荷载效应比为参变量，而不管Sk和RK具体取值。10.1 结构设计的目标null第10章 结构概率可靠度设计法承受恒载和楼面活荷载的钢筋混凝土轴心受压短柱，已知恒载效应NG为正态分布，活载效应NL为极值Ⅰ型分布，截面承载能力（抗力）R为对数正态分布，统计参数分别为KG=NG/NGK＝1.06， δNG＝0.07， KL=NL /NLK ＝0.7， δNL＝0.29，KR=R/RK＝1.33，δR＝0.17。试求当=2时，与老规范轴心受压构件的安全系数K=1.55相对应的可靠指标值。例：10.1 结构设计的目标(1)设NGk＝5，因＝2，故NLk＝10。(2)根据老规范的表达式有： K(NGk＋NLK）＝1.55（5+10)＝23.25(3)列出极限状态方程：R-NG-NL=0,由此可 求出抗力标准值RK= K(NGk＋NLK)=23.25〔解〕null第10章 结构概率可靠度设计法(4)求极限状态方程中各随机变量的统计参数： R＝KRRK=1.33×23.25＝30.92 R= RδR＝30.92×0.17＝5.26 NG＝KGNGK=1.06×5＝5.3 NG＝NGδNG＝5.3×0.07=0.37 NL＝KLNLK=0.7×10=7.0 NL＝NLδNL＝7×0.29=2.0310.1 结构设计的目标(5)按第三章验算点法，可求得 ＝3.61， 相应的Pf＝1.53×10－4 (计算过程从略）；null第10章 结构概率可靠度设计法如果用中心点法，可近似求得： 10.1 结构设计的目标对于的其它常用值和其它荷载组合的情况，均可按同样的方法求出相应的值。最后将所求得的这些值，经加权平均及综合分析调整，即可定出新规范的钢筋混凝土轴心受压短柱的设计可靠指标K值。null第10章 结构概率可靠度设计法 10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法（1）检验设计是否满足可靠性要求： 如果建立了结构或结构构件的功能函数，并且已知荷载效应及抗力的概率分布及平均值和变异系数，则可计算结构或结构构件的可靠指标。（2）进行结构设计： 如果已知目标可靠度指标，以及荷载效应、抗力的概率分布、平均值和变异系数，则可计算抗力平均值，进而确定结构或其构件的抗力标准值，从而对结构或构件进行设计。 可靠指标的应用：10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法10.2 结构概率可靠度的直接设计法确定钢拉杆截面面积，使其可靠指标达到3.2。 已知拉力N，拉杆截面面积A和屈服强度f均为对数正态分布，统计参数分别为N＝120kN,δN＝0.11， f ＝21.5kN/cm2， δf＝0.08，A＝?，δA＝0.05。例：因拉杆抗力R=Af，当A、f均为对数正态变量时，R也为对数正态变量，其统计参数为：〔解〕 R＝f A ＝ 21.5A变异系数为：代入对数正态分布的可靠指标计算式(9-24)，解得：null第10章 结构概率可靠度设计法实际上，计算过程一般比上述过程复杂： 结构的荷载效应常为两个或两个以上荷载效应的组合，且荷载效应不一定为正态或对数正态分布，另外结构的极限状态方程也很可能为非线性形式。在这种情况下，需采用验算点法按迭代的方式进行计算。 当进行结构设计时，问题转化为已知结构可靠指标，求结构抗力参数，即抗力的变异系数及平均值。 一般假设结构的抗力服从对数正态分布，其变异系数是一定的，可预先确定，结构设计主要求解量变为结构抗力平均值参数，然后根据状态方程确定截面尺寸。 实用计算中采用按验算点法编制的框图：10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法10.2 结构概率可靠度的直接设计法已知:β，Si(i=1,……n)的分布类型及统计参数Si,σSi，R服从对数正态分布，统计参数δR，极限状态方程g(SQ1……SQn，R)=0假定初值：SQi=SQi0（可取μSQi) R*=R0*(可取∑ μSQi) 对于非正态荷载效应变量，根据初值按公式(9-71),(9-73)求出SQi′、σSQi′、δR ′以代替SQi、σSQi； δR按 （9-66）、g(.)=0求出SQi*、R1*验证否是求出抗力值null第10章 结构概率可靠度设计法承受恒载和楼面活荷载的钢筋混凝土轴心受压短柱，已知恒载产生的轴向力NG为正态分布，活载产生的轴向力NL为极值Ⅰ型分布，截面承载能力（抗力）R为对数正态分布，统计参数分别为NG＝636kN， δNG＝0.07， NL＝840kN， δNL＝0.29，δR＝0.17，极限状态方程为 Z＝g(R, NG, NL)=R－NG－NL＝0， 试求目标可靠指标=3.7时的截面抗力平均值R 。例〔解〕恒载效应的标准差NG＝636*0.07＝44.52kN，活载效应的标准差　NL＝840*0.29=243.6kN。10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法NL为极值Ⅰ型分布,当量正态处理如下:10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法与第一次假定的初值相比相差很大，所以必须进行第二次迭代，取:10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法若再已知统计参数kR，即可求出标准值 RK= R/kR 然后就可以进行截面估算和配筋设计了。10.2 结构概率可靠度的直接设计法null第10章 结构概率可靠度设计法按直接设计法设计可使设计的结构严格具有预先设定的目标可靠度，但计算过程繁琐，计算工作量大，不太适宜实际工程结构采用。因此，除了比较重要的工程，一般均可采用可靠度间接设计法。 间接可靠度设计法的思想是：采用工程师易理解、接受和应用的设计表达式，使其具有的可靠度水平和设计目标可靠度尽量一致。10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式10.3.1 单一系数设计表达式 如果结构功能函数为线性形式，则可采用如下结构设计式 k0μs≤μR k0 ---常数，习惯称为安全系数 采用上述表达式时，须确定k0 ，使该设计式具有的可靠度水平为规定的目标可靠指标。 null第10章 结构概率可靠度设计法若R和S不同时为正态分布或对数正态分布，需采用结构可靠度分析的验算点法确定k0 。10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式一般结构δR、δS小于0.3，则简化后null第10章 结构概率可靠度设计法当R、S均为正态分布：当R、S均为对数正态分布：当R、S不同时为正态或对数正态分布时，需采用结构可靠度分析的验算点法确定k0。10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法 在工程设计当中，习惯上采用结构功能函数中各变量的设计值，表达式变成 均值和标准值间有下列比例关系： 10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法 从公众心理上考虑，荷载效应标准值一般取大于均值的数，结构抗力的标准值一般取小于均值的数，即所以有：10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法 安全系数与变异系数及可靠度指标有关，由于变异系数随着设计条件的变化而在一个较大的范围内变化，所以安全系数也将随设计条件的变化而变动。这将给实际应用带来不便。10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法10.3.2 分项系数设计表达式设计表达式的一般形式：10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式方法：将单一系数表达式中的安全系数分解成荷载分项系数和抗力分项系数，当荷载效应由多个荷载引起时，各个荷载都采用各自的分项系数。优点：能对影响结构可靠度的各种因素分别进行研究。不同的荷载效应，可根据荷载的变异性质，采用不同的荷载分项系数。结构抗力分项系数可根据结构材料的工作性能不同，采用不同的数值。null第10章 结构概率可靠度设计法功能函数为Z＝g(X1,X2,…,Xn)=0则，分项系数设计准则为：10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式分项系数的确定：由验算点法，可得满足可靠度分析的验算点：则，各分项系数如下：null第10章 结构概率可靠度设计法10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式由例题10-3 （1）若不同设计荷载变量所占的比重不同，则严格按照验算点确定的分项系数将不同； （2）预先设定各荷载分项系数，然后按可靠度要求计算确定结构抗力分项系数，受不同荷载变量间比值的大小影响较小； （3）单一系数设计表达式的安全系数值受不同荷载变量间比值的大小影响较大； （4）设计变量的分布类型，对分项系数值的大小有一定影响；null第10章 结构概率可靠度设计法10.3.4 规范设计表达式10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式各国结构设计规范确定的设计表达式，都经历了从单一系数表达式向分项系数表达式的演变。国际上通常采用的设计表达式：式中：γ0 ——结构重要性系数； SQ1K——第一个可变荷载标准值效应，该效应大于 其他任何第i个可变荷载标准值效应； ψci——第i个可变荷载的组合值系数。null第10章 结构概率可靠度设计法10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式10.3.4 我国建筑结构设计表达式1.应考虑的最不利组合： 我国《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50153-2008)规定，建筑结构设计时，对两种极限状态，考虑相应结构效应的最不利组合：（P27-31） 承载能力极限状态：对持久设计状况和短暂设计状况，应采用作用的基本组合；对偶然设计状况，应采用作用的偶然组合；对地震设计状况，应采用作用的地震组合。 正常使用极限状态：可根据不同情况采用作用的标准组合（不可逆）、频遇值组合（可逆）或准永久组合（当长期效应是决定因素时）。null第10章 结构概率可靠度设计法2.承载能力极限状态设计表达式10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式对于承载能力极限状态，按下式进行结构设计：《标准》对承载能力表达式中的作用组合规定(P27)： 1 作用组合应为可能同时出现的作用的组合； 2 每个作用组合中应包括一个主导可变作用或一个偶然作 用或一个地震作用； 3 当结构中永久作用位置的变异，对静力平衡或类似的极 限状态设计结果很敏感时，该永久作用的有利部分和不 利部分应分别作为单个作用； 4 当一种作用产生的集中效应非相关时，对产生有利效应 的作用，其分项系数的取值应予降低； 5 对不同的设计状况应采用不同的作用组合。 null第10章 结构概率可靠度设计法10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法承载能力极限状态，基本组合的效应设计值：10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法3.正常使用极限状态设计表达式对于正常使用极限状态，按下式进行结构设计：标准组合：频遇组合：准永久组合：10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式null第10章 结构概率可靠度设计法小复习1）永久荷载：p=1, =T, 则FT=Fi(x);2）持久荷载：可根据荷载保持基本不变的平均时间来确定 ; ●如对于建筑楼面活荷载，调查统计表明一般约10年变动一次，若 T=50，则可取r=5。 ●很多情况下持久荷载 p=1,且一般可由统计资料确定Fi(x);3）短时荷载：为利用模型的简便性，人为假定 值，Fi(x) 按时段内出现的短时荷载的最大统计值确定; ●如对于风载，为便于统计可取为1年，此时按1年内风载的最大统 计值确定，而p=1；当 T=50年，则r=50。 第7章可变荷载用平稳二项随机过程模拟：null第10章 结构概率可靠度设计法一、恒载二、建筑楼面活荷载1．办公楼楼面活荷载2．住宅楼楼面活荷载三、风荷载四、雪荷载——Fi(x)为正态分布Fi(x) 为极值 I 型分布常用荷载的统计分析结果：第7章null第10章 结构概率可靠度设计法荷载的各种代表值 在结构设计基准期内，各种荷载的最大值QT一般为随机变量，但在结构设计规范中，为实际设计方便，仍然采用荷载的具体数值，这些确定的荷载值即为荷载的各种代表值。永久荷载（恒载）：标准值可变荷载：标准值、准永久值、频遇值、组合值。第7章null第10章 结构概率可靠度设计法1. Turkstra 组合规则2. JCSS 组合规则考虑荷载效应组合，首要的是要研究多个可变荷载是否相遇以及相遇的概率大小的问题。 一般说，多种可变荷载在设计基准期内最大值相遇的概率是不大的。例如最大风荷载与最大雪荷载同时存在的概率，除个别情况外，一般是极小的。但是，研究这个问题远比单个荷载的问题复杂得多，迄今尚无比较成熟的合理方法。荷载效应组合规则：第7章null第10章 结构概率可靠度设计法3.结构构件计算模式的不定性可以用随机变量XP表示：第8章null第10章 结构概率可靠度设计法在求结构构件抗力统计参数时，常常采用近似公式：第8章null第10章 结构概率可靠度设计法统计参数近似公式的常用特殊情况：第8章null第10章 结构概率可靠度设计法当结构构件由几种材料组成时： 根据随机变量为XP、Xmi及XAi的均值及方差（如表81-、8-2、8-3），按近似公式(8-2)-（8-4）可得R的统计参数。当结构构件由一种材料组成时：第8章当R,S均为对数正态随机变量时：第10章 结构概率可靠度设计法当R,S均为对数正态随机变量时：可靠指标当R,S不为正态分布、对数正态分布，或者Z为非线性函数时：可靠指标当R,S均为正态随机变量时：第9章null第10章 结构概率可靠度设计法1.不考虑基本变量的实际分布，直接假定其服从正态或对数正态分布，导出结构可靠度分析的表达式。2.考虑基本变量的实际分布，把非正态分布的随机变量当量（等效）化成正态变量，计算可靠指标，故称为考虑分布类型的二阶矩模式或简称当量正态变量模式。由于计算的是设计验算点的值，故又称验算点法。◆两种结构可靠度分析的实用方法第9章