结构可靠性分析ppt56

结构可可靠性性分析析StructureReliabilityAnalysis21结构上上的作作用(action)和作用用效应应(effectofanaction)结构上的作用用是指施加在结结构上的集中中力或分布力力，以及引起起结构外加变变形或约束变变形的原因（（地震、基础础差异沉降、、温度变化、、混凝土收缩缩等）。（1）按随时间的变变异可分为三类：：永久作用可变作用偶然作用结构上的作用用可按下列性性质分类：如结构自重、、土压力、预预应力、地基基沉降、焊接接等。如楼面活荷载载、吊车荷载载、风荷载、、雪荷载、温温度变化等。。如爆炸力、撞撞击力、罕遇遇的地震等。。3（2）按随空间位置置的变异可分为二类：：固定作用自由作用1结构上的作用用(action)和作用效应(effectofanaction)在结构上具有有固定分布的的作用。其特特点是在结构构上出现的空空间位置固定定不变，但其其量值可能具具有随机性。。在结构上一定定范围内可以以任意分布的的作用。如房屋建筑楼楼面上位置固固定的设备荷荷载、屋盖上上的水箱等。。如楼面的人员员荷载、吊车车荷载等。————————4静态作用动态作用（3）按结构的反应应特点可分为二类：：上述各种作用用作用在结构构或结构构件件上，由此在在结构内产生生的内力和变变形（如轴力力、剪力、弯弯矩以及挠度度、转角和裂裂缝等）称为为作用效应。使结构产生的的加速度可以以忽略不计的的作用。使结构产生的的加速度不可可忽略不计的的作用。在结结构分析时一一般均应考虑虑其动力效应应。如结构自重、、住宅或办公公楼的楼面活活荷载如吊车荷载、、地震作用、、大型动力设设备的作用、、高耸结构上上的风荷载等等。————————1结构上的作用用(action)和作用效应(effectofanaction)52结构抗力(resistance)结构抗力是指整个结构构或结构构件件承受作用效效应（即内力力和变形）的的能力。影响抗力的主主要因素有：材料性能的不不确定性几何参数的不不确定性计算模式的不不确定性强度、变形模模量等——构件尺寸等——抗力计算所采采用的基本假假设和计算公公式不够精确确等——63结构可靠靠性(reliability)及可靠度度(degreeofreliability)结构可靠靠性是指结构构在规定定的时间间内，在在规定的的条件下下，完成成预定功功能的能能力。结构可靠靠度就是结构构在规定定的时间间内，在在规定的的条件下下，完成成预定功功能的概概率。即即结构可可靠度是是结构可可靠性的的概率度度量。规定的时时间是指设计计使用年年限。规定的条条件是指正常常设计、、正常施施工和正正常使用用的条件件。预定功能能指满足结结构的安安全性、、适用性性和耐久久性要求求。74设计使用用年限(designworkinglife)和设计基基准期（（designreferenceperiod)设计使用用年限是指设计计规定的的结构或或结构构构件不需需进行大大修即可可按其预预定目的的使用的的时期，，即结构构在规定定的条件件下所应应达到的的使用年年限。设计使用用年限的概念不不同于实际寿命命、耐久年限限或设计基准准期。《建筑结构构可靠度度设计统统一标准准》规定了各各类建筑筑结构的的设计使使用年限限。纪念性建筑和特别重要的建筑物1004普通房屋和构筑物503易于替换的结构构件252临时性结构51示例设计使用年限（年）类别设计使用用年限分分类设计基准准期指为确定定可变作作用及与与时间有有关的材材料性能能等取值值而选用用的时间间参数。。《统一标准准》规定设计计基准期期为50年。85结构的安安全等级级(safetyclass)结构的安安全等级级根据结构构破坏可可能产生生的后果果，即危危及人的的生命、、造成的的经济损损失、产产生社会会影响等等的严重重程度确确定。安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋建筑结构构的安全全等级建筑物中中各类结构构件件的安全全等级宜与整个结构构的安全全等级相同，但允许对部分结结构构件件根据其其重要程程度和综综合效益益进行适适当的调整。96结构构件件设计计计算方法法(calculationmethodfordesign)容许应力力法：最早的的计算理理论，沿沿用弹性性理论假假设。破坏阶段段法：与容许许应力法法的主要要区别是是在考虑虑材料塑塑性性能能极限状态态设计法法：明确规规定结构构按极限限状态进进行设计计，是工工程概率极限限状态设设计法：在极限限状态设设计法的的基础上上考虑结结构的可可靠的基础上上，按破破坏阶段段计算构构件截面面的承载载能力。。结构设计计理论的的重大发发展。水准Ⅰ—半概率法法水准Ⅱ—近似概率率法水准Ⅲ—全概率法法概率，按按发展阶阶段，该该法可分分为三个个水准。。101荷载的统统计特性性(statisticalcharacteristicofaload)我国对建建筑结构构的各种种恒载、、民用房房屋楼面面活荷载载、风荷荷载和雪雪荷载进进行了大大量的调调查和实实测工作作。对所所取得的的资料应应用概率率统计方方法处理理后，得得到了这这些荷载载的概率率分布统统计参数数。永久荷载载——正态分布布可变荷载载——可变荷载载随时间间的变异异可统一一用随机机过程来来描述。。对可变变荷载随随机过程程的样本本函数处处理后可可得到可可变荷载载在任意意时点的的概率分分布和在在设计基基准期内内的最大大值的概概率分布布。——极值Ⅰ型分布112荷载标准准值(characteristicvalueofaload)荷载标准准值是建筑结结构按极极限状态态设计时时采用的的荷载基基本代表表值。荷荷载标准准值可由由设计基基准期最最大荷载载概率分分布的某某一分位位值确定定，若为为正态分分布，则则如图中中的。。荷载标准准值的概概率含义义永久荷载载标准值值——按结构设设计规定定的尺寸寸和材料料容重平平均值确确定。在结构设设计中，，各类可可变荷载载标准值值及各种种材料容容重可由由《荷载规范范》查取。可变荷载载标准值值楼面活荷荷载标准准值风荷载标标准值雪荷载标标准值123材料强度度的变异异性及统统计特性性(variabilityandstatisticalcharacteristicofmaterialstrength)材料强度度的变异异性主要是指指材质以以及工艺艺、加载载、尺寸寸等因素素引起的的材料强强度的不不确定性性。钢筋强度度——正态分布布混凝土强——正态分布某钢厂钢材材屈服强度度统计资料料某预制构件件厂对某工工程所作使使块的统计计资料134材料强度标标准值(characteristicvalueofamaterialstrength)钢筋和混凝凝土的强度度标准值是钢筋混凝凝土结构按按极限状态态设计时采采用的材料料强度基本本代表值。。材料强度度标准值应应根据符合合规定质量量的材料强强度的概率率分布的某某一分位值值确定。材料强度标标准值的概概率含义钢筋强度标标准值混凝土的强强度标准值值具有95%保证率的强强度值具有不小于于95%保证率的强强度值————141结构的极限限状态(limitstate)整个结构或或结构的一一部分超过过某一特定定状态就不不能满足设设计规定的的某一功能能要求，此此特定状态态称为该功功能的极限状态。极限状态态实质上是区分结构可可靠与失效效的界限。极限状态分分为两类：：承载能力极极限状态正常使用极极限状态——安全性——适用性、耐耐久性通常对结构构构件先按按承载能力力极限状态态进行承载载能力计算算，然后根根据使用要要求按正常常使用极限限状态进行行变形、裂裂缝宽度或或抗裂等验验算。152结构的设计计状况（designsituation)建筑结构设设计时，应应根据结构构在施工和和使用中的的环境条件件和影响，，区分下列列三种设计状况：持久状况短暂状况偶然状况在结构使用用过程中一一定出现，，持续时间间较长的状状况在结构施工工和使用过过程中出现现概率较大大，而与设设计使用年年限相比持持续时间很很短的状况况在结构使用用过程中出出现概率很很小，且持持续期很短短的状况均应进行承承载能力极极限状态设设计；对偶偶然状况，，允许主要要承重结构构因出现设设计规定的的偶然事件件而局部破破坏，但其其剩余部分分具有在一一段时间内内不发生连连续倒塌的的可靠度；；对持久状状况，尚应应进行正常常使用极限限状态设计计；对短暂暂状况，可可根据需要要进行正常常使用极限限状态设计计——————163结构的功能能函数(performancefunction)和极限状态态方程(limitstateequation)按极限状态态方法设计计建筑结构构时，要求求所设计的的结构具有有一定的预预定功能，，这可用包包括各有关关变量在内内的结构功功能函数来来表达，即即——极限状态方方程当功能能函数数中仅仅包括括作用用效应应和和结结构抗抗力两两个基基本变变量时时，可可得当时时，，结构处处于可靠状态当时时，，当时时，，结构处处于失效状态结构处处于极限状态——功能函函数结构所所处的的状态态174结构的的失效效概率率(probabilityoffailure)由于作作用效效应和和结结构抗抗力都都是是随机机变量量或随随机过过程，，因此此要绝绝对地地保证证总总是大大于是是不不可能能的。。由图可可见，，在多多数情情况下下，大大于。。但是是，由由于和和的的离散散性，，在它它们概概率密密度曲曲线的的重叠叠区（（阴影影段内内）仍仍有可可能出出现小小于的的情情况，，这种种可能能性的的大小小用概概率来来表示示就是是失效效概率率。。和的的概率率密度度曲线线18当结构构功能能函数数中仅仅有两两个独独立的的随机机变量量和和，，且且都服服从正正态分分布时时，功功能函函数的的概概率密密度曲曲线如如图所所示。。功能函函数的的概率率密度度曲线线结构的的失效效概率率可直直接通通过的的概概率（（图中中阴影影面积积）来来表达达，即即4结构的的失效效概率率(probabilityoffailure)195结构构构件的的可靠靠指标标(reliabilityindex)令则由上式式可见见，与与具具有有数值值上的的对应应关系系，也也具有有与相相对应应的物物理意意义。。越越大大，就就越越小，，即结结构越越可靠靠，故故称称为可靠指指标。当仅有有作用用效应应和结结构抗抗力两两个基基本变变量且且均按按正态态分布布时，，结构构构件件的可可靠指指标可可按上上式计计算；；当基基本变变量为为非正正态分分布时时，结结构构构件的的可靠靠指标标应以以结构构构件件作用用效应应和抗抗力当当量正正态分分布的的平均均值和和标准准差按按上式式计算算。20荷载分分项系系数：调整整荷载载标准准值使使结构构可靠靠度趋趋于相相同。。荷载分分项系系数是是根据据下述述原则优选确确定的的。即即在各各项荷荷载标标准值值已给给定的的条件件下，，对各各类结结构构构件在在各种种长期期的荷荷载效效应比比值和和荷载载效应应组合合下，，用不不同的的分项项系数数值，，按极极限状状态设设计表表达式式设计计各种种构件件并计计算其其所具具有的的可靠靠指标标，然然后从从中选选取一一组分分项系系数，，使按按此设设计所所得的的各种种结构构构件件所具具有的的可靠靠指标标与规规定的的设计计可靠靠指标标之间间在总总体上上差异异最小小。荷载设设计值值：荷载载分项项系数数与荷荷载标标准值值的乘乘积。。荷载组组合值值系数数：考虑虑各可可变荷荷载最最大值值在同同一时时刻出出现的的概率率很小小，若若设计计中仍仍采用用各荷荷载效效应设设计值值叠加加，则则可能能造成成结构构可靠靠度不不一致致，因因而必必须对对可变变荷载载设计计值再再乘以以调整整系数数，即即荷载载组合合值系系数。。荷载组组合值值：可变变荷载载设计计值乘乘以荷荷载组组合值值系数数。承载能能力极极限状状态设设计表表达式式21材料分分项系系数：考虑虑材料料的离离散性性和施施工中中不可可避免免的偏偏差带带来的的不利利影影响响材料强强度设设计值值：材料料强度度标准准值乘乘以材材料分分项系系数。。确定钢钢筋和和混凝凝土材材料分分项系系数时时，对对于具具有统统计资资料的的材料料，按按设计计可靠靠指标标通通过可可靠度度分析析确定定；对对统计计资料料不足足的情情况，，则以以工程程经验验为主主要依依据，，通过过对规规范(TJ10-74）结构构构件件的校校准计计算确确定。。承载能能力极极限状状态设设计表表达式式22可靠度度指标标的物物理意意义反映和和的的相对对位置置和离离散程程度。。相对位位置离散程程度231.5可靠度度指标标与安安全系系数安全系系数只考虑虑了随随机变变量均值的影响响，并并没有有考虑虑到随随机变变量离散程程度的影响响。对于相同的安安全系数，由由于其离散程程度的不同，，可导致可靠靠度指标的不不同。24提高可靠度的的方法增加；减减小抗力均值增加加；载荷均值减小小；抗力、载荷方方差（或变异异性）减小252一次二阶矩法法(FOSM)一次二阶矩法法(FOSM)是可靠度计算算中最为常用用的一种方法法，因其只用用到了功能函函数泰勒展开开式的一次项项和随机变量量的前两阶矩矩，故得名。。BenjaminandCornell(1970)中心点法26二次二阶矩法法(SOSM)一次可靠度计计算方法由于于其简便实用用所以为工程程技术人员所所接受，但是是当结构功能能函数在验算算点附近的非非线性程度很很高时，其精精度就会受到到影响。因此此出现了二次次可靠度方法法，其基本思思想是取功能函数泰勒勒级数展开式式的一、二次次项并结合随随机变量的前前几阶矩计算算结构可靠度度。由于这些些计算方法的的复杂性，导导致其很难应应用于工程实实际。近年来来，以数学逼逼近中Laplace渐近方法为基基础的一类可可靠度算法取取得了相对较较好的计算效效果。272.1中心点法Cornell提出了与结构构失效概率相相对应的可靠靠度指标来衡衡量结构可靠靠度，并以此此建立了结构构可靠度分析析的一次二阶阶矩法。这是是可靠度分析析初期提出的的一种方法，，其基本思想想就是将非线线性的功能函函数在随机变变量的均值点点处泰勒展开开保留一次项项，并计算其其前两阶矩。。282.1中心点法功能函数均值点处泰勒勒展开均值方差正态分布292.1中心点法相同力学含义义的极限状态态方程不同表达方式式的极限状态态方程30算例某结构构件正正截面强度的的功能函数为为抗力R服从对数正态态分布载荷S服从极值I型分布试求结构构件件的失效概率率。失效概率312.1中心点法322.1中心点法缺点对于有相同力力学含义但不不同数学表达达式的极限状状态方程所计计算的可靠度度指标不同不能考虑随机机变量的分布布概型的影响响在均值点处展展开不合理（（非线性）332.2验算点法针对中心点法法的缺陷进行行的改进能够考虑非正正态随机变量量由此定义的可可靠度指标与与失效函数的的选择无关，，是失效函数数的不变量342.2验算点法HasoferAM,LindNC.Exactandinvariantsecondmomentcodeformat.JournalofEngineeringMechanics,1974,100:111-121H-L可靠度指标验算点法（相相比于中心点点法）35H-L可靠度指标在标准正态坐坐标系中从原原点到失效面面的最短距离离原空间正态空空间标准正正态空空间36H-L可靠度度指标标SOR37H-L可靠度度指标标SORR’S’38H-L可靠度度指标标S’R’O39点—直线的的距离离点直线距离40H-L可靠度度指标标如果失失效函函数为为线性性，则则Cornell可靠度度指标标（中中心点点法））与H-L可靠度度指标标（验验算点点法））相同同。如果失失效函函数为为非线线性，，H-L可靠度度指标标的计计算需需要迭迭代求求解。。41迭代步步骤给定初初始验验算点点，一一般取取为均均值点点计算其其方向向余弦弦联立求求解，，确定定新点点收敛性性判断断42算例1某结构构的极极限状状态方方程为为变量f服从正正态分分布变量W服从正正态分分布试求可可靠度度指标标及其其验算算点方法一一迭迭代计计算方法二二优优化计计算4344算例2某结构构的极极限状状态方方程为为变量W服从正正态分分布变量f服从正正态分分布变量M服从正正态分分布试求可可靠度度指标标及其其验算算点45非正态态变量量的当当量正