第八章结构可靠度的基本概念

1、第八章第八章 结构可靠度的基本概念结构可靠度的基本概念 8.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态8.2 荷载与结构抗力的统计分析荷载与结构抗力的统计分析8.3 结构的可靠度结构的可靠度8.4 结构的可靠指标结构的可靠指标工程结构的功能工程结构的功能 1 1、安全性、安全性在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用，在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性；的整体稳定性；2 2、适用性、适用性在正常使用时具有良好的工作性能；在正常使用时具有良好的工作性能；3 3

2、、耐久性、耐久性在正常维护下具有足够的耐久性能；在正常维护下具有足够的耐久性能；8.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态8.1.1结构的功能结构的功能 结构的可靠性结构的可靠性 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。的能力。结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。的概率。结构的可靠度结构的可靠度 设计使用年限设计使用年限 设计规定的有关时期，在这一规定时期内，只需进行正设计规定的有关时期，在这一规定时期内，只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使

3、用，完成预常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所达到的使用年限。用和维护下所达到的使用年限。各类房屋结构的设计使用年限，表各类房屋结构的设计使用年限，表8-18-1类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构设计基准期设计基准期 设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数。能取值而选用的时间参数。建筑结构可靠度设计统一标准建筑结

4、构可靠度设计统一标准规定：规定：设计基准期为设计基准期为50年年铁路工程结构可靠度设计统一标准铁路工程结构可靠度设计统一标准规定：规定：铁路工程结构的铁路工程结构的设计基准期为设计基准期为100年年一般一般 8.1.2结构的功能函数结构的功能函数 已知已知影响结构某一功能的基本变量影响结构某一功能的基本变量X1,X2,XN 那么和这个功能对应的结构功能函数，可以表示为那么和这个功能对应的结构功能函数，可以表示为考虑结构功能，仅与作用效应考虑结构功能，仅与作用效应S S和结构抗力和结构抗力R R两个基本变两个基本变量有关的最简单情况。量有关的最简单情况。 ( ,)1Zg xxn简单简单 ( ,

5、)Zg R SR S定义定义 8.1.3结构功能的极限状态结构功能的极限状态 当结构一部分或整个结构当结构一部分或整个结构超过某一特定状态超过某一特定状态就不能满足就不能满足设计指定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极设计指定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。限状态。 极限状态方程极限状态方程当结构处于极限状态时各有关基本变当结构处于极限状态时各有关基本变量的关系式。量的关系式。 ( ,) 01Zg xxn一个只有两个基本变量的线性问题，一个只有两个基本变量的线性问题，对于承载能力极限状态，若令对于承载能力极限状态，若令R R为结构为结构抗力，抗力，S S为作用综合效应，则极

6、限状态为作用综合效应，则极限状态方程可写为：方程可写为： Z Zg g（R,SR,S）=R-S=R-S0 0 若：若：Z ZR-S0R-S0， 结构处于可靠状态；结构处于可靠状态；若：若：Z ZR-SR-S0 0， 结构处于极限状态；结构处于极限状态；若：若：Z ZR-S0R-S0， 结构处于失效状态。结构处于失效状态。分类分类 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定规定 承载能力极限状态承载能力极限状态 正常使用极限状态正常使用极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力最大承载能力或或

7、不适于继续承载的不适于继续承载的变形变形。 承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载功能最大承载功能的状态。结的状态。结构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变，虽未达到最大承载能力，但构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变，虽未达到最大承载能力，但已经已经彻底不能使用彻底不能使用，也属于这种极限状态。，也属于这种极限状态。疲劳破坏疲劳破坏是在使用中由于荷载在多次重复作用而的达到的承载能力极限状态。是在使用中由于荷载在多次重复作用而的达到的承载能力极限状态。 承载能力极限状态承载能力极限状态可靠性应该很好可靠性应该很好：

8、承载能力极限状态的：承载能力极限状态的出现概率应当很低出现概率应当很低，因，因为它可能导致人身伤亡和大量的财产损失。为它可能导致人身伤亡和大量的财产损失。 有下列状态之一：有下列状态之一：1.1. 整个结构或结构的一部分作为整个结构或结构的一部分作为刚体失刚体失去平衡去平衡 2.2. 结构构件或连接因为超过材料结构构件或连接因为超过材料强度强度而而破坏（包括疲劳破坏），或因为过度破坏（包括疲劳破坏），或因为过度塑性变形而不适于继续承载塑性变形而不适于继续承载 3.3. 结构转变为结构转变为机动体系机动体系4.4. 结构或结构构件结构或结构构件丧失稳定丧失稳定（如压屈）（如压屈）5.5. 地基地

9、基丧失承载能力而破坏（如失稳等）丧失承载能力而破坏（如失稳等）正常使用极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态可理解为结构或结构构件正常使用极限状态可理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某个限值达到使用功能上允许的某个限值的状的状态。例如，某些构件必须控制变形、裂缝才能满足使用要求。因过大的变形会造态。例如，某些构件必须控制变形、裂缝才能满足使用要求。因过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落、填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的裂缝会影成房屋内粉刷层剥落、填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的裂缝会影响结构的耐久性；过大的变形、裂缝也会造成用户心理上的不安全感。响结构的耐久性；过大的变

10、形、裂缝也会造成用户心理上的不安全感。 与承载能力极限状态相比较，由于其对生命的危害较小，故允许与承载能力极限状态相比较，由于其对生命的危害较小，故允许出现的概率可较出现的概率可较高高。所以这种极限状态的。所以这种极限状态的可靠性可以适当低一些可靠性可以适当低一些，但不等于不重视。，但不等于不重视。 注意：对于钢筋混凝土结构，过大的裂缝不仅有损建筑物观瞻和影响结构的耐久注意：对于钢筋混凝土结构，过大的裂缝不仅有损建筑物观瞻和影响结构的耐久性，而且有时也会导致重大的工程事故。例如，性，而且有时也会导致重大的工程事故。例如，19801980年年5 5月一个上午，西柏林会议月一个上午，西柏林会议厅的

11、马鞍形壳顶突然倒塌。破坏的起因是由于拱与壳板交接处裂缝开展，不断渗厅的马鞍形壳顶突然倒塌。破坏的起因是由于拱与壳板交接处裂缝开展，不断渗水，终于导致钢筋锈蚀，悬索断裂，引起世界震惊的倒塌事故。水，终于导致钢筋锈蚀，悬索断裂，引起世界震惊的倒塌事故。 有下列状态之一：有下列状态之一：1.1. 影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形 2.2. 影响正常使用或耐久性能的影响正常使用或耐久性能的局部破坏局部破坏（包括裂缝）（包括裂缝）3.3. 影响正常使用的影响正常使用的振动振动变形变形 4.4. 影响正常使用的其他特定状态影响正常使用的其他特定状态 影响因素影响因素 8.2.1影响结构可靠

12、性的因素（变量）及其随机性影响结构可靠性的因素（变量）及其随机性 8.2 荷载和结构抗力的统计分析荷载和结构抗力的统计分析 1、作用效应、作用效应S结构受到的各种外界作用结构受到的各种外界作用支座反力、内力（弯矩、轴力、剪力、扭转）、变形支座反力、内力（弯矩、轴力、剪力、扭转）、变形（挠度、侧移、转角）、倾覆、滑移（挠度、侧移、转角）、倾覆、滑移2、结构抗力、结构抗力R结构本身对各种作用效应的抵抗能力结构本身对各种作用效应的抵抗能力材料性能、几何参数、计算模式材料性能、几何参数、计算模式强度分布直方图强度分布直方图 8.2.2数理统计中的一些基本概念数理统计中的一些基本概念 横坐标横坐标抗压强

13、度抗压强度纵坐标纵坐标某一强度区段（组距）试块数（频数）；某一强度区段（组距）试块数（频数）； 也可表示频率（频数也可表示频率（频数试块总数）；试块总数）； 也可表示概率密度（频率也可表示概率密度（频率组距）组距）示例示例135135页图页图8-38-3正态分布曲线正态分布曲线 特点：特点：有且仅有一峰值；有且仅有一峰值；有一对称轴；有一对称轴；随机变量趋于正无穷或负无穷时，纵坐标趋于随机变量趋于正无穷或负无穷时，纵坐标趋于0；对称轴左右两边各有一反弯点，它们也对称于对称轴。对称轴左右两边各有一反弯点，它们也对称于对称轴。 正态分布曲线的特征值和保证率正态分布曲线的特征值和保证率 平均值平均值标准差标准差变异系数变异系数11nxnii12()11nxini定义：定义： 8.3 结构的可靠度结构的可靠度指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。能的概率。 结构不能完成预定功能的概率称为结构不能完成预定功能的概率称为“失效概率失效概率”。 结构能够完成预定功能的概率称为结构能够完成预定功能的概率称为“可靠概率可靠概率”。(0)( )0PP Zf Z dZs0(0)( )PP Zf Z dZf1PPSf8.4.1正态随机变量的情况正态随机变量的情况 8.4 结构的可靠度指标结构的可靠度指标当当R R、S S均为相