荷载与结构设计方法：09-第1章 概述

1、结构可靠度徐龙军哈尔滨工业大学(威海)土木工程系结构可靠度的地位和作用力学知识和工程结构知识联系的纽带，是一门专业基础课。结构健康监测可靠度安全评定的理论基础结构工程质量检测可靠度安全评定的理论基础元件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性 所有承载结构，如航空航天器、建筑物、桥梁和海洋平台等都会由于地震、火灾、飓风等自然灾害或长期作用的疲劳、腐蚀等原因而产生不同程度的损伤。结构的健康监测是指利用现场的传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或劣化的目的；健康监测实现了最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测，根据结构

2、同一位置上不同时间的测量结果变化来识别结构的状态，其识别精度依赖于传感器和解释算法；基于此优势，健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测转变为在线、动态、实时的监测与控制，从而导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。结构健康监测是近年迅速发展的一项应用技术，涉及结构的连续监测、检查以及损伤探测，最终目的是增加结构的可靠性和安全性，降低结构维修的成本。 结构检测是在主体结构质量验收前，相应分项工程监理（建设）、施工单位验收合格后，在设计、监理（建设）、施工单位共同参与见证下由检测机构对影响结构主体质量的主要项目进行的验证性现场检测。 结构检测的范围应为涉及结构安全的柱、墙、

3、梁等结构构件的重要部位。结构检测报告是主体结构质量评定和验收的主要依据。 结构可靠度第一章 绪论第二章 概率论基础与结构可靠度基本理论第三章 结构构件可靠度的计算方法第四章 结构体系可靠度第五章 结构荷载的随机模型第六章 结构构件抗力的随机模型第七章 结构的荷载抗力系数设计法推荐参考书欧进萍，段忠东. 结构可靠度荷载抗力系数设计法。校内讲义。李继华, 林忠民等. 建筑结构概率极限状态设计. 中国建筑工业出版社, 1990 赵国藩.工程结构可靠性理论与应用. 大连理工大学出版社,1996 李国强. 工程结构荷载与可靠度设计原理. 中国建筑工业出版社, 1999Andrzej S.Nowak Ke

4、vin R.Collins. Reliability of Structures 工程中的不确定性结构可靠度发展概况结构设计的目标和任务结构设计方法的演变第一章 概 述1. 1 工程中的不确定性第一章 概 述1. 1 工程中的不确定性1. 工程中的不确定性信息主要有三类随机信息：客观不可控因素 概率理论,随机过程理论，数理统计等不准确或不完整的信息: 对自然现象认识不足或无能 凸集理论，证据理论等。模糊信息：主观描述和表达 模糊数学等；1. 1 工程中的不确定性客观不确定性 随机信息主观不确定性 模糊信息，不准确或不完整信息 如：材料的破坏、地震的机理等2. 不确定性信息可分为：3. 按照产生

5、的原因，不确定性可归为：自然因素 荷载如风、地震、雪、冰荷载等；人为因素 制造、加工、施工误差等4. 本课程主要的研究土木工程中的随机性可以归为：物理性质的不确定性 荷载和抗力的内在随机性 如：风、地震、雪、冰荷载以及材料性能等1. 1 工程中的不确定性统计的不确定性 由于样本容量有限带来的统计模型和统计参数的随机性计算模型的不确定性 各种假设、简化和模型化引起的随机性 结构的设计、施工和使用过程中存在大量的随机不确定性因素；5. 总 结1. 1 工程中的不确定性荷载及结构的抗力不是确定性的量，它们是随机变量，因此绝对可靠的结构设计是不存在的！由于结构的荷载和抗力存在随机不确定性，所以采用结构

6、可靠度理论研究结构的可靠性问题。1. 2 结构可靠度发展概况第一章 概 述1.2 结构可靠度发展概况 1.2.1 国外结构可靠度发展状况1947年，Freudenthal在历史上首次提出“结构的安全性”问题。1956年，第一次明确提出结构的失效概率和可靠指标的概念。1969年，Cornell在历史上第一个明确给出可靠指标的计算公式；至1974年，与Ang A. H.-S.（洪华生）建立了均值一次二阶矩方法的基本理论，并将其应用于结构设计中。1983年，Shinozuka首次将设计点的确定表达为约束优化问题，并证明设计点是“最可失效点”；同时，第一次将“重要抽样法”引入结构可靠度的数值模拟分析。

7、 1983年，Hohenbichler和Rackwitz第一次提出了结构体系可靠度的FORM近似。1989年，意大利女学者Faravelli首次提出结构可靠度分析的响应面法。 1.2 结构可靠度发展概况同济大学：高大钊教授，在岩土工程可靠度方面；李杰教授，在随机结构可靠度、结构动力可靠度、生命线工程抗震可靠度等方面；李国强教授在钢结构体系可靠度方面。大连理工大学：赵国藩院士，在结构可靠度理论及应用的各方面；程耿东院士，在基于可靠度的结构优化设计方面。 哈尔滨工业大学：王光远院士，欧进萍院士，在结构动力可靠度、结构广义可靠度、结构安全评定与健康监测等方面，吕大刚教授在结构抗震可靠度方面，段忠东教

8、授在海洋工程可靠度方面。1.2.2 国内结构可靠度发展状况清华大学：陈肇元院士、刘西拉教授，在结构安全性基本问题和混凝土结构耐久性方面；秦权教授，在随机有限元方面；董聪教授，结构系统可靠度方面。1.2 结构可靠度发展概况重庆大学：李继华教授，在结构可靠性数学方面；戴国欣在钢结构可靠度方面。武汉理工大学：李桂青教授，在结构动力可靠度、结构时变可靠度等方面。建设部标准定额研究所：邵卓民研究员，在建筑结构概率极限状态设计方面。浙江大学：金伟良教授，在结构可靠度数值模拟、混凝土结构耐久性等方面；朱位秋院士在非线性随机结构动力学与可靠性方面。河海大学：吴世伟教授（已故），刘宁教授，在随机有限元、水工结构

9、可靠度等方面。西安建筑科技大学：牛荻涛教授，在结构动力可靠度、混凝土结构耐久性方面。1.2 结构可靠度发展概况1. 结构构件可靠度一次二阶矩法 均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法，JC法等。 高次高阶矩法 二次二阶矩法、二次四阶矩法。 响应面法 多项式响应面法、神经网络响应面法、支持向量机响应面法等。 蒙特卡罗法 常规随机抽样法、重要性随机抽样法，分层随机抽样法等。随机有限元法 Taylor展开随机有限元法、摄动随机有限元法、Neumann随 机有限元法 等。1.2.3 结构可靠度计算方法发展概况1.2 结构可靠度发展概况2. 结构体系可靠度 失效模式法:失效模式分析（Failure Mod

10、es Analysis，FMA) 响应面法:响应面分析也是一种最优化方法，它是将体系的响应作为一个或多个因素的函数，运用图形技术将这种函数关系显示出来，以供我们凭借直觉的观察来选择试验设计中的最优化条件 蒙特卡罗法:蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。这一方法源于美国在第一次世界大战进研制原子弹的“曼哈顿计划”。 半解析法:1. 3 结构设计的目标和任务第一章 概 述1.3 结构设计的目标和任务1. 目标: 以最经济的途径达到所期望的功能要求 能承受正常施工和使用期间可能出现的各种作用； 安全性 在正常使用时具有良好的工作性能； 适用

11、性 在正常维护下具有足够的耐久性； 耐久性 遭受偶然作用时，能保持必要的整体稳定性。 安全性 偶然作用如地震、龙卷风、爆炸（煤气或恐怖袭击）、火灾等具体功能要求：结构的安全性、适用性和耐久性构成结构可靠性1.3 结构设计的目标和任务2. 结构设计的两个基本步骤： 结构的方案设计 在满足结构预定功能的条件下，选择合理的结构型式。 结构的详细设计 荷载计算、荷载效应计算（内力或应力）、结构抗力的计算（结构构件截面尺寸和材料用量）。1.3 结构设计的目标和任务3. 结构设计的任务： 各种自然和人为作用及其作用效应的特性和规律的认识；荷载及其荷载效应设计理论就是在结构荷载效应和抗力之间进行合理平衡的方

12、法。结构抵抗各种自然和人为作用的能力的把握； 结构及构件抗力结构的作用和抗力之间的合理平衡 设计理论方法1. 4 结构设计方法的演变第一章 概 述1. 容许应力设计法 （WSD) 设计表达式： 其中， ， 是材料的弹性极限强度。 称为安全系数， 延性材料：1.41.6，脆性材料：2.53.0。1.4 结构设计方法的演变 在近代力学理论和试验方法建立之前，依靠模仿、比较、直觉的“设计”，直到17世纪；特点 所有不确定因素（包括荷载和抗力）用一个 系数考虑； 安全系数凭经验确定； 材料极限强度没有统一的准则。 不能考虑材料的塑性能力。1.4 结构设计方法的演变2. 破损阶段设计法 (DFD) 设计

13、表达式： 其中， 为结构破损状态时的承载力 为设计标准荷载引起的内力(荷载效应) 为安全系数，约为2.0特点 所有不确定因素（包括荷载和抗力）用一个 系数考虑； 安全系数凭经验确定； 考虑了材料的塑性。与容许应力设计法的不同： 抗力的计算：容许应力设计法采用弹性破坏准则，破损阶段设计法采用塑性破坏准则。 表达的物理意义：容许应力设计法是应力层次的结构设计，破损阶段设计法是内力层次的结构设计。 安全系数的物理意义：破损阶段设计法的安全考虑不仅包含容许应力设计法考虑的内容，还包括截面塑性发展。1.4 结构设计方法的演变1.4 结构设计方法的演变3. 多系数极限状态设计法 (MFLSD) 结构的极限

14、状态的定义： 结构或构件能满足设计规定的某一功能要求的临界状况，超过这一状态结构或构件就不能满足设计的要求。结构的极限状态分类： 承载能力极限状态:对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形 正常使用极限状态：对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限制1.4 结构设计方法的演变 设计表达式： 其中， 和 为恒荷载效应和活荷载效应标准值 和 为恒荷载系数和活荷载系数 是抗力， 是抗力系数 是材料强度标准值， 是相应的分项系数。单一安全系数设计表达式： 为荷载系数， 为构件强度系数； 为考虑结构重要性的安全系数，一般取1.0。，称基本安全系数，取1.41(A3钢)或1.45(

15、16Mn) 取1.40(受弯)或1.55(受压)。3. 多系数极限状态设计法 (MFLSD)1.4 结构设计方法的演变 分不同极限状态进行设计：承载能力极限状态，正常使用极限状态，耐久性性极限状态 荷载标准值采用统计方法，对调查数据统计，并按一定保证率确定； 荷载和抗力系数按照确定的目标概率标定，因此，设计的结构具有明确的可靠概率。概率极限状态设计特点：采用多系数的表达形式1.4 结构设计方法的演变Level 1: 确定性设计表达式半经验半概率系数， (MFLSD)；Level 2: 近似概率设计方法 如：确定性设计表达式可靠度方法校准的系数，(LRFD)Level 3: 完全概率设计方法；Level 4: 以总造价（期望）为目标的优化方法。结构可靠度设计方法（规范）的概率水平 明确了按不同极限状态进行设计：承载能力极限状态，正常使用极限状态；1.4 结构设计方法的演变 对不同荷载、影