港口建筑物可靠度设计方法

港口建筑物

可靠度设计方法可靠度的基本概念港工建筑物的结构功能和可靠度设计基准期和规定的条件港工建筑物的极限状态和设计状况港工建筑物的可靠度和可靠指标主讲：王多垠副教授CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU★河海建筑工程系★1.1工程建筑物设计考虑的主要问题

设计工程建筑物的主要目的是以最经济合理的途径，使设计的建筑物在规定的使用期内能满足使用要求。在工程建筑物设计中，主要考虑以下两方面的问题。①所设计的任何建筑物，在正常使用过程中，建筑物的各个部分不能因丧失其预定的各项功能而不能使用。这就是建筑物的可靠性问题。②设计的建筑物在各种外界因素作用下，为满足各项使用功能的要求所必须具有的条件。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU设计的港工建筑物，应在规定的使用时间和规定的条件内能满足下列各项功能的要求；①能安全承受在使用和施工期间可能出现的各种作用——安全性；②在正常使用和维护条件下具有合适的工作性能——适应性；③在正常使用和维护条件下具有足够的耐久性——耐久性；④在发生偶然事件情况下，建筑物仍能保持必需的整体稳定性——安全性。1.2港工建筑物的结构功能和可靠度★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

上述港工建筑物的四项功能中的①项与④项最指建筑物的强度和稳定，即建筑物的安全性；第②项是指建筑物的适用性；第③项是指建筑物的耐久性。三者总称为港工建筑物的可靠性。度量港工建筑物可靠性的数量指标叫做港工建筑物的可靠度。

可靠度的定义：港工建筑物在规定的时间内，在规定的条件下，具有或完成预定功能的概率。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.3设计基准期和规定条件

1.3.1规定的时间是指在分析港工建筑物可靠度时，所取用的时间参数。因为作用在建筑物上的各种荷载是随时间而变动的随机过程，建筑物结构的材料性能也最随时间而变化，因此，建筑物的可靠度分析强调要规定所设计建筑物的使用寿命。按照建筑物的预期使用寿命所规定的时间多数称为“设计基准期”，它是计算建筑物失效概率所必需的时间多数。我国《港口工程结构可靠农设计统一标准》规定，港工建筑物的设计基准为50年。

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设计基准期与设计工作寿命（DesignWorkinglife)略由不同，但有联系，前者世用于可靠度分析、荷载统计分析，后者在ISO2394中定义为：“某个假定的时期，在此时期内结构或构件只需进行已考虑的维护，便可按其预定的目的使用，而不需要进行实质性的修理。1.3.2规定的条件是指设计工程建筑物设计建筑物时所确定的正常设计、正常施工和正常使用的条件及环境条件，而不考虑人为过失的影响。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

1.4港工建筑物的极限状态和设计状况1.4.1极限状态港工建筑物完成各项功能的标志是用极限状态来衡量。当建筑物的整体或其部分在超过某一状态时，建筑物就不能满足设计规定的某一功能的要求，这种特定状态，称为建筑物的极限状态。极限状态是区分建筑物的工作状态为可靠或不可靠的标志。港工建筑物的极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用权限状态两类。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

承载能力极限状态

是指建筑物的整体结构或其构件达到最大的承载能力或产生不适于继续承载的变形，或是由于结构构件因塑性变形导致几何形状发生显著改变而不能使用，这是与建筑物安全性有关的最大承载能力状态，超过这一状态建筑物就不安全。⑴作为刚体失去平衡（倾覆、滑移等）⑵构件或连接部位因材料的强度极限超过而破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载；⑶结构变为机构（瞬变体系）；⑷结构或构件丧失稳定性（如压曲失稳等）。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

正常使用权限状态是指当建筑物整体结构或是构件达到正常使用和耐久性的各项规定限值时的状态。确定正常使用权限状态，通常是采用一个或几个约束条件，例如混凝土裂缝的宽度、梁的挠度、外观的变形量等，它们的限值应满足使用要求。主要表现：⑴影响正常使用或外观的过大变形；⑵影响正常使用或耐久性的局部损坏（包括裂缝）；⑶影响正常使用的振动；⑷影响正常使用或耐久性的其它要求。★河海建筑工程系★

1.4.2设计状况

由于港工建筑物在施工、使用及维修时环境条件均不相同，因此设计港工建筑物时必须针对不同状况进行设计。在ISO2394中定义为：某一设计状况代表一定时段的一组物理条件，设计时必须做到在该时段内不超越有关的极限状态。通常我们这样认为：结构从施工到使用的过程中所考虑的不同结构状态和环境条件称为结构的设计状况。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

根据各种情况持续时间的长短和出现概率的高低，可分为以下三种设计状况。①持久状况：即具有与建筑物使用寿命同一数量级的持续时间的设计状况，例如码头面承受堆货和流动机械荷载的状况，防波堤承受波浪力的状况等。②短暂状况：即持续时间较短，出现概率较高的设计状况，例如建筑物施工期承受荷载的状况。③偶然状况：即持续时间很短，出现概率很低的设计状况，例如建筑物遭受罕遇地震作用的状况★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU持久状况是最基本的，一般是指贯穿建筑物整个使用期的设计状况，通常要按承载能力和正常使用两种极限状况进行设计，其可靠度应高于其他两种状况。短暂状况是指施工期间或使用期间可能短暂出现的状况。一般仅需按承载能力极限状态进行设计，必要时可按两种极限状态来设计。偶然状况应根据经济和建筑物的破坏后果来综合考虑，可仅按承载能力极限状态对主要的承重结构进行设计。持久状况和短暂状况都是考虑必然行为，偶然状况则以在设计工作寿命期内相对低的发生概率来定义。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.5港工建筑物的可靠度和可靠指标

在港工建筑物可靠度分析中，建筑物的极限状态一般由功能函数数表达，式中，xi（i＝1，2，……n）是基本变量，通常是指建筑物上的各种作用、结构构件的材料性能、几何参数、容许限值等等，它们均应作为随机变量来考虑。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

上式中：当Z＞0时，建筑物处于可靠状态当Z＝0时，建筑物处于极限状态当Z＜0时，建筑物处于失效状态方程：称为建筑物的极限状态方程，是建筑物可靠度分析的重要依据。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU建筑物极限状态设计条件为:或：★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU失效概率Pf原则上可通过多维积分式来计算，即：但此函数中有多个基本随机变量，计算起来非常复杂。通常可用简化的概率分析方法，利用概率分布的数字特征，即用基本变量的均值（μZ）与标准差(δZ)来表达，有:或中：φ(·)—标准正态分布变量的概率分布函数。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

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由上式可知，可靠指标β越大，则可靠度越大，所以可用可靠指标β来表示建筑物结构的可靠度。建筑物可靠度的数量指标，由各种极限状态出现的概率来求得。为了满足安全、适用和经济的要求，对各类港工建筑物结构的各种极限状态，在《国家标准GB50158一92》中，均规定了设计所预期的可靠指标，即“目标可靠指标”β。它是根据建筑物的安全等级与破坏类型而设定的。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.6可靠指标与分项系数在极限状态设计表达式中，赋予各基本变量的值称为设计值。设计值是由基本变量的代表值与相应的分项系数组成。引入分项系数是为了考虑各基本变量的设计值及其变异性对建筑物可靠度的影响。分项系数的值是根据各基本变是的统计参数和概率分布类型、设计取值以及规定的目标可靠指标β0，通过分析、优化并借鉴工程上的经验而确定。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.3港工建筑物上作用的分类及其组合1.1.3作用的定义

施加在港工结构上的外力以及引起结构外加变形和约束变形的原因总称为结构上的作用。外力包括集中力与分布力，它们直接施加在港工建筑物上，称为直接作用，所以荷载直接作用。引起港工结构外加变形和约束变形的原因，称为间接作用，如地基沉降、混凝土收缩变形、温度变形和焊接变形等。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.3.2作用的分类

施加在港工建筑物的作用；可按其随时间或随空间的变化情况以及在结构的不同反应进行分类。1)、按作用随时间变化分类

按照作用随时间的变化情况，作用可分为三类。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU（1）永久作用在港工建筑物的设计基准期内，作用的量值随时间的大小变化与其平均值相比可忽略不计的作用称为永久作用。如结构自重、固定机械设备自重力、预加应力、土重力及土重力引起的土压力、固定水位的静水压力及浮托力等。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU（2）可变作用在港工建筑物的设计基准期内，作用的量值随时间的大小变化与平均值相比不可忽略的作用称为可变作用。如堆货荷载、流动起重机械荷载、运输机械行我、铁路荷载、缆车荷载、人群荷载、可变作用引起的土压力、船舶荷载、水流力、冰荷载、波浪力和施工荷载等。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU（3）偶然作用

在港工建筑物的设计基准或内，不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间又很短的作用，称为偶然作用。如地震作用。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU2)、按作用在空间的位置的变化分类按照作用在空间位置的变化情况，作用可分为以下两类。（1）固定作用在港工建筑物上具有固定分布的作用称为固定作用，如建筑物的自重力和固定设备自重力等。

★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU（2）自由作用在港工建筑物上的一定范围内可以任意分布的作用称为自由作用，如堆货荷载和流动起重运输机械荷载等。

★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU3)、按照对结构产生的反应分类

按照作用对结构产生的反应情况，作用可分为以下两类（1）静态作用在加载过程中，港工建筑物所产生的加速度可以忽略不计的作用称为静态作用，如自重力、堆货荷载、土压力和预加应力等。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU（2）动态作用在加载过程中，使港工建筑物产生不可忽略的加速度的作用称为动态作用，如船舶撞击力、汽车荷载和地震作用等。在进行建筑物设计时，对动态作用原则上应按其动态反应求解对建筑物产生的动态作用效应。为了简化计算，对某些动态作用允许采用变动作用量值的方法，将动态作用简化为静态作用；如起吊预制构件和运行中汽车的动态作用等，可采用其静态下的作用乘以动力系数或冲击系数来代替动态作用。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.3.3作用的代表值

作用的代表值包括：作用的标准值、作用的频遇值、作用的准永久值三种。在进行港工建筑物设计时，应根据不同的极限状态与设计状况采用不同的量值作为作用的代表值。1.作用的标准值

作用的标准值是作用的主要代表值，它是结构概率极限状态设计中的基本值。作用的标准值取值方法是：首先根据观测到的作用数据，按概率统计的方法确定其概率；然后，根据对结构的不利状态，选取在建筑物设计基准期内作用最大（或最小）值的概率分布的某一分位值。当作用重大对结构不利时，取较高的分位值；当作用重大对结构有利时，取较低的分位值。永久作用只有标准值Gk。2、作用的频遇值

作用的频遇值是作用是指在建筑物上时而出现的作用的较大值，它是建筑物在正常使用极限状态下短期作用组合中可变作用的代表值。因为当建筑物发生局部损坏（如超限值的裂缝）或建筑物的使用功能不良（如超限变形）时，这些情况与出现作用的较大值有关。所以作用的频遇值主要用于建筑物的结构变形和钢筋混凝土构件裂缝及刚度的计算。频遇值通常是作用的标准值乘以频遇值系数ψ1而得。一般情况下ψ1=0.8。3、作用的准永久值

作用的准永久值是指在建筑已经常出现的作用量值。它是建筑物在正常使用权限状态下长期作用组合中可变作用的代表值。一般是按在建筑物设计基准期内出现该值的持续期等于或大于其总持续期的50％来取值，通常是将可变作用的标准值乘以准永久值系数ψ2来确定，并取ψ2=0.6。准永久值用于计算地基最终沉降量等。

★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU4)、港工建筑物结构设计中作用的其他取值（1）作用的设计值在进行港工建筑物结构设计时，在极限状态设计表达式中赋予各基本变量之值称为设计值。在承载能力极限状态设计中，永久作用和可变作用的设计值，可按作用的标准值乘以相应的分项系数来确定。在正常使用权限状态设计表达式中，可变作用的设计值通常由作用的相应代表值乘以作用的组合系数来确定。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU（2）、作用的组合值

在港工建筑物结构计算中，往往有多个可变作用同时参与组合。考虑到这些参与组合的可变作用的标准值同时出现的概率相当小，因此在承载能力极限状态时，除主导作用直接取用标准值外；为使其目标可靠指标（β

0）不致于过大，对非主导可变作用均取组合值，即以其标准值乘以相应的分项系数后，再乘以组合系数ψ，通常取ψ＝0.7。从安全角度考虑，在正常使用极限状态中不采用组合值。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.3.4港工建筑物设计中各种作用的组合

1、作用组合的原则港工建筑物在使用过程中，常有多个作用同时出现的情况。因此，在进行港工建筑物设计时，对不同的计算项目，如整体稳定验算、构件强度计算等，要根据不同的极限状态和设计状况及其特定的使用与工作条件，进行各种作用的组合。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU在组合时应遵循下述原则；①对实际上有可能同时出现在建筑物上的各种作用，按其可能形成果不利的组合效应进行组合；②对受水位变化有影响的建筑物，在作用组合时，要将水位作为一个组合条件；③对于两种以上作用同时出现机会很少的情况，可不予组合，或是降低其组合级别。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU2、作用组合根据不同的极限状态与设计状况，有下列的作用组合级别。（1）承载能力极限状态的组合承载能力极限状态有以下三种级合；①持久状况的持久组合；②短暂状况的短暂组合；③偶然状况的偶然组合。。（2）正常使用极限状态的组合正常使用权限状态有以下三种组合：①持久状况的长期效应组合；②持久状况的短期效应组合；③短暂状况的短期效应组合——施工期组合。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU1.3.5作用效应组合的设计表达式建筑物结构对所受作用F的反应称为作用效应SF。它可以是结构构件的轴力、弯拒、剪力。扭矩，也可以是结构的应力、变形、位移、裂缝等。当施加在建筑物上作用F与作用效应SF之间呈线性关系时，可用下式来表达：

式中；CF——作用效应系数。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU

当作用与作用效应之间为非线性关系时，作用效应应采用作用的函数S（F）来表达。在设计基准期内，对实际有可能在港工建筑物结构上同时出现的作用，应按承载能力极限状态，结合相应的设计状况进行作用效应组合；当需要时，还应对正常使用极限状态进行作用效应组合。对实际不可能同时出现的作用，不应考虑其效应组合。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITUl、承载能力极限状态的作用效应组合港工建筑物结构承载能力极限状态应符合如下的设计表达式；式中；Sd——作用效应的设计值（如应力、剪力和弯矩等的设计值）Rd——建筑物结构的承载能力（结构抗力）的设计值（如抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度等的设计值）。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU港工建筑物承载能力极限状态三种作用效应组合的设计表达式如下。（l）持久状况的持久效应组合其作用效应组合的设计值按下式确定式中；γ0——结构重要性系数，按表1-1选用；Gk——永久作用标准值;CG——永久作用效应系数（GkCG为永久作用效应，当有多个永久作用时，应对其作用效应进行叠加）；★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITUγG——永久作用分项系数；Q1k——主导可变作用标准值；CQ1——主导可变作用效应系数（Q1kCQ1为主导可变作用效应，取值应大于其他任何一个可变作用的效应）;γQ1——主导可变作用的分项系数，除有关结构规范另作规定外，可按表1一2选用；ψ——可变作用组合系数，取ψ=0.7；Qik——第i个非主导可变作用的标准值；Cik——第i个非主导可变作用效应系数（CikQik为第i个非主导可变作用效应）；γik——第i个非主导可变作用分项系数，按表l－2选用。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU（2）短暂状况的短暂效应组合其作用效应组合的设计值按下式确定：式中：γG——永久作用分项系数，取值同持久组合；γQi——第i个可变作用的分项系数，在此短暂组合中，其取值应按持久组合中相应的可变作用分项系数减去0.1。在短暂组合中，不考虑非主导可变作用的组合系数。（3）仍然状况的偶然效应组合承载能力极限状态下的偶然组合主要是指地震作用下的组合。其作用效应组合的设计值，按下式确定；式中：CG、CPH、CQi——作用效应系数；γPH——水平向地震惯性力分项系数，取1.0；PH——水平地震惯性力标准值（kN）；ΨQi

——地震时各种作用的组合系数，见表1-3；其他符号的意义同前。★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU★河海建筑工程系★CHONGQINGJIAOTONGUNIVERCITU承载能力极限状态的作用效应组合所采用的水位有以下两种。（1）对于海港

持久组合时，按有关港工建