工程结构可靠性设计原理(安工大研招办)

结构可靠性基本概念和原理第二章不确定性概念设计中的变量结构功能要求极限状态与设计状况概念可靠性定义与可靠度描述2.1不确定性概念

不确定性是指事件出现或发生的结果是不能准确确定的，事先不能给出一个明确的结论。天有不测风云2.1.1

随机性

随机性是指事件发生条件的不充分性，不能确定最后出现的结果。浇注选材振捣养护配合比混凝土强度结论事件发生的条件不充分而不能确定最后结果，并不是说事件发生的结果是完全不可控制的，而是将其控制在一定范围内，即在概率的意义上是可以控制的。返回随机性分类物理不确定性：某些变量是由其内在因素和外在条件共同决定，属事物本质上的不确定性。可控的如：拌合、配制程序、拌合料称重；不可控的如：风荷载、雪荷载。统计不确定性：由于随机变量样本量的不足而导致统计参数估计值的不确定性。样本容量大时，参数估计的变异性小，反之，变异性大；另外，估计方法的不同也会影响估计结果。模型不确定性：由计算公式不准确或模型简化而产生的不确定性，在结构可靠度分析中常用一个附加的随机变量来描述。降低这种不确定性的途径是使计算假定尽量与实际情况相符、采用先进的计算手段，但这受到科技发展水平和经济条件的限制。2.1.2模糊性

模糊性是指事物属性的不分明或中间过渡性所产生的不确定性，即一个事物是否属于一个集合是不明确的。安全水平经济水平文化背景历史宗教2.1.3知识的不完善性

知识的不完善性是由于客观信息不完备与主观认识的局限性而产生的不确定性。知道事物变化趋势，但没有数据预测事物未来变化的程度，例如车速对桥梁的荷载影响。下图是桥梁检测中利用动态信号测试与分析系统测得的某桥梁在30Km/h时桥梁的基频。

主观认识的局限性，即由于人对自然规律认识的不足而产生的不稳定性。美国Tacoma桥因风颤解体的事故极具代表性，事故原因主要就是当时人们对桥梁风振理论的不了解，事故也促进了人们对桥梁风振的认识。下图为事故照片。2.2结构设计变量结构设计与分析定性分析定量分析概念设计预测结果判断结果变量值数学、力学内力、变形

基本(随机)变量环境条件加载速度制造工艺尺寸元素含量水泥品种养护方法施工工艺外加剂水灰比基本(随机)变量：结构设计计算中直接使用的变量，它代表一组规定的物理量，用X表示。它可以是更低一级元素的函数。综合(随机)变量综合(随机)变量：由若干个基本变量用数学函数描述或经力学运算得到的变量。梁的极限受弯承载力：2.3结构功能要求结构物的建造都带有一定的目的：房屋满足居住、工业生产及文化活动；桥梁满足交通需求；水坝满足挡水及蓄水需要。我国《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）对工程结构提出了以下功能要求：1.能承受施工和使用期间可能出现的各种作用2009年8月20日，四川省成都市校园春天小区，6栋、7栋楼相邻的墙壁呈20度夹角，被网友称为“楼歪歪”。

2009年6月27日清晨5时30分左右，上海闵行区“莲花河畔景苑”小区内一栋在建的13层住宅楼全部倒塌，官方以两次堆土施工为原由，遭网友抨击，故称“楼脆脆”。

2.保持良好的使用性能结构使用性能的好坏是非常重要的，关系到结构能否满足规定的使用要求，很多结构往往不是安全性不足，而是不能满足使用要求。桥梁检测中会用测定动挠度的方法来计算桥梁的冲击系数：3.具有足够的耐久性能耐久性问题是结构外部环境对结构材料的物理、化学、生物作用或结构材料内部的相互作用引起的结构性能劣化，变化是缓慢的，且与结构的使用环境有关。混凝土耐久性病害主要有裂缝、钢筋锈蚀、化学侵蚀、渗漏、冻融及碱-骨料反应。桥梁常规检测主要也是针对以上病害，以此评判已建桥梁的耐久性，并给出相应评级。4.发生火灾时，在规定时间内保持足够的承载力目前我国常用的建筑材料是混凝土和钢材，当受到火烧时，混凝土会发生爆裂，钢筋软化，强度降低，两者的粘结力也降低，构件承载力下降，危及结构安全。2001年美国“911”事件中的世贸大厦“双子楼”，是最具代表性的。5.发生撞击、地震等偶然事件时，结构可保持必须得整体稳定性这是对结构稳健性、即防止连续倒塌方面的要求。要求结构在偶然荷载下，可以发生局部破坏，单由破坏构件原来承担的力能转移到附近的其他构件，不致引起大面积的倒塌。近年来船舶撞击跨海大桥事件时有发生，这就对跨海大桥的此项功能提出一定要求；另外汶川地震、日本地震也对房屋的抗震设计提出更高要求。2.4结构极限状态我国《工程结构可靠性设计统一标准》对结构极限状态的定义：当结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态为该功能的极限状态。承载力极限状态：结构达到极限承载力的状态，对应于结构的安全性。正常使用极限状态：指达到影响结构正常使用的状态，关系到结构能否正常使用。对应于结构的适用性、耐久性及整体稳定性。2.4.1

极限状态概念2.4.2承载力极限状态1.结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载。钢结构节点的强度决定于节点焊缝材料质量或螺栓联接的抗剪强度。混凝土构件的强度决定于混凝土的强度和钢筋的强度。钢-混凝土组合结构的强度还取决于两者的结合情况。2.4.2承载力极限状态2.整个结构或其一部分作为刚体失去平衡也是结构失效较为常见的一种形式。近年来货车压翻大型桥梁的事故时有发生，此时的桥梁就是作为刚体而倾覆。2.4.2承载力极限状态3.结构转变为机动体系，此类情况出现在地震发生时为多。4.结构或构件丧失稳定，包括整体失稳和局部失稳，指结构所承受的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构强度破坏荷载时，结构已无法承载并产生较大的变形，整个结构偏离原来的平衡位置而倒塌。失稳破坏类型欧拉失稳：特点是在达到临界状态前，结构保持初始平衡位置，在达到临界状态时，结构从初始的平衡位置过渡到无限临界的新的平衡位置，此后变形的进一步增大，要求荷载增加。平衡状态出现分岔，相应的荷载值称为屈曲荷载、平衡分枝荷载或欧拉临界荷载。直杆轴心受压的屈曲属于此类情况。失稳破坏类型极值型失稳：这类失稳没有平衡分岔现象。随着荷载的增加，结构变形也增加，而且愈来愈快，直到结构不能承受增加的外荷载。相应的荷载值称为压溃荷载。压弯构件受压失稳属于这种情况。失稳破坏类型屈曲后极值型失稳：这类失稳开始时有平衡分岔现象，即发生屈曲，结构不立即破坏，还有比较显著的屈曲后强度，因此能继续承受荷载的增加，直到出现极值型失稳。薄壁钢构件中受压翼缘板和腹板就属于此类情况。失稳破坏类型有限干扰型屈曲：此类失稳与屈曲后极值型失稳刚好相反，结构屈曲后承载力迅速下降，结构如有初始缺陷在受载过程中就不会有屈曲现象而直接进入承载力较低的极值型失稳，称为不稳定分岔屈曲。跳跃型失稳：结构由于初始的平衡位置突然跳跃到另一个平衡位置，跳跃过程中出现很大的位移，使结构的平衡位形发生很大的变化。承受横向均布压力的球面扁壳的失稳属于此类。2.4.2承载力极限状态5.地基丧失承载能力而破坏：通常分为整体剪切、局部剪切和冲切破坏。地基的破坏与多种因素有关：土的类别及性质、基础埋深、地下水状况、冰冻作用、固结情况、开挖与施工方式、土与结构的相互作用等2.4.2承载力极限状态6.结构或结构构件的疲劳破坏指承受反复荷载作用且应力变幅较大结构的一种破坏形式。构件承受的必须是交变荷载。无论是脆性材料还是塑性材料，材料在断裂时均表现为脆性断裂。是由荷载多次变化造成的损伤累积起来的结果。破坏发生在局部危险点上。断口不同于静强度破坏时的断口。2.4.3正常使用极限状态正常使用极限状态形式多样，《工程结构可靠性设计统一标准》给出了一下标志：1.影响正常使用或外观的变形：如工业厂房的起重机梁变形过大时，起重机运行会卡轨。2.影响正常使用或耐久性能的局部破坏：钢筋混凝土构件裂缝过大，会引起人们的恐慌。3.影响正常使用的振动：人们随着音乐的节拍对楼板施加的荷载。4.影响正常使用的其他特定状态：取决于结构的使用功能和用户的要求。2.5极限状态方程由于作用在结构上的荷载和结构的材料性能是不确定的，在结构使用过程中的状态也是不确定的，在结构设计使用年限内，结构可能能够完成预定的功能，也可能不能完成预定的功能。如果结构能够完成预定的功能，则称结构处于可靠状态；如果结构不能完成预定的功能，则称结构处于不可靠状态，或失效状态。2.5极限状态方程2.6

设计状况在结构建造和使用过程中，不同的时间段及不同的条件下结构的材料性能和承受的荷载是不同的。按照我国《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008），设计状况可分为持久状况、短暂状况、偶然状况和地震状况。1.持久状况是与结构设计使用年限为同一量级的时段相应的设计状况，指正常使用时的情况。2.短暂状况为时间段与结构的设计使用年限相比短得多且出现概率很高的状况，这种状况指施工或维修时的情况。3.偶然状况是指结构遭受火灾、爆炸、撞击或局部破坏等异常情况的状况。4.地震状况指结构遭受地震这一异常情况的状况，在抗震设防地区必须考虑。2.6

设计状况2.7工程结构可靠性概念1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用（即能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用(包括荷载及外加变形或约束变形

）。★2)在正常使用时具有良好的工作性能。★3)在正常维护下具有足够的耐久性能。★4)在设计规定的偶然事件(如地震、爆炸、龙卷风等)发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。

★2.7.1

工程结构的功能

工程结构设计的基本目的是以最经济的手段,赋予结构以适当的可靠度，使结构在预定的使用期限内,具备预定的各种功能。1.大桥承受车流荷载、风载等;高等建筑承受风载、屋内荷载等。2.教学楼必须能够满足教学的各项要求，它不能用做车间存放沉重的设备，危险！反之，浪费！3.所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中，在预定的时期内，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失败概率。从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下能够正常使用到规定的设计使用年限。即在预定的使用期内，材料恶化不严重。4.所谓整体稳定性，系指在偶然事件发生时和发生后，建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。例如英国伦敦CanningTown一幢23层装配式大板结构公寓大楼，由于18层一家发生了家用瓦斯爆炸，将该层的一块外墙板炸坏，使这一初始局部破坏沿建筑物竖向蔓延，一层一层连续倒塌直至地面。导致建筑物整体破坏。第1,4两项是结构安全性的要求；第2项是结构适用性的要求；第3项是结构耐久性的要求。三者可概括为结构可靠性要求。2.7.2结构可靠性的科学定义定义：1、结构可靠性：结构在“规定时间”内，在”规定条件”下，完成”预定功能”的能力。即它就是研究结构在各种因素作用下的安全问题。内容包括：结构的安全性、适用性、耐久性、可维修性、可耐存性及其组合。一般情况下，将安全性、适用性和耐久性三者总称为结构的可靠性。2、结构可靠度：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。（或者可以定义为：在某个寿命跨度上，结构实际上将留存的概率）。它是用来定量地进行分析计算，给出结构可靠性的数量指标。用来度量可靠性的指标称为可靠度。因为在各种随机因素影响下，结构完成预定功能的能力只能用概率来度量，所以从统计数学观点出发，才有了上述关于可靠性及可靠度比较科学的定义。可靠度比安全度含义更为广泛，但安全度是可靠度中最重要的内容。所谓“规定时间”，是指分析结构可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的设计基准期以及结构使用期；所谓“规定条件”，是指设计时所确定的结构的正常设计、正常施工和正常使用的条件，即不考虑人为过失的影响；所说的“预定功能”，是以结构是否达到“极限状态”来标志的。如果结构达到极限状态的概率超过允许值，结构就失效，即不可靠。结构的失效概率越小，则其可靠度就越大。必须指出:结构可靠度与使用年限长短有关,本标准所指的结构可靠度或结构失效概率,是对结构的设计使用年限而言的，当结构的使用年限超过设计使用年限后，结构失效概率可能较设计预期值增大。2.7.3设计使用年限表0.1设计使用年限分类类别

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

1、设计使用年限是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、正常使用和维护下所达到的使用年限。

2、如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维护的某一环节上出现了非正常情况，应查找原因。3、所谓“正常维护”包括必要的检测、防护及维修。设计使用年限是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程“合理使用年限”的具体化。

2.7.4设计基准期

1、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。如《建筑结构可靠度设计统一标准》规定设计基准期为50年。结构设计规范要求听设计的结构在设汁基准期内，力求在经济合理的前提下满足下列各项功能要求：1)能承受在施工和使用期内可能出现的各种作用；2)在正常使用时具有良好的工作性能；3)具有足够的耐久性；4)在偶然事件发生时及发生后,能保持必要的整体稳定性。荷载是随时间而变动的随机过程，结构材料性能亦是以时间为变量的随机函数，所以结构可靠度应是时间的函数，即与结构的设计使用年限长短有关。例如：若结构的截面尺寸和材料强度均相同，则必然是使用期长的结构可靠度小于使用期短者。反之，若欲使他们有相同的可靠度，则结构所需的截面尺寸或所用的材料用量必然是使用期长者大于使用期短者。

注意：设计基准期，设计使用年限≠使用寿命。2.7.5影响结构可靠性的因素：R明显与时间有关。不同的研究对象时间不同，如导弹、房屋建筑等等的时间各不相同，超出规定的这个时间，结构的可靠性会降低到规定的标准以下，不易继续使用，或者再谈论结构的可靠性问题就没有意义了。R与规定条件有关。这种条件指结构所处的外部环境条件，诸如外力、温度、振动、冲击、周围介质等等情况。同一结构在不同的外部环境条件下，其可靠性可能全然不同。R与功能有关。设计每一种结构都赋予它一定的功能。这些结构也可能会有多种功能，结构可靠性所研究的，正是这些规定功能的实现情况。在结构可靠度的计算中，用概率将这种功能的实现情况定量的表示出来。这就暗含着规定功能可能实现，也有可能不实现，即容许有失效或者故障发生。可靠和失效是一个物体内存着的两个方面，在分析结构可靠性时，必须对结构的失效有充分的了解。2.8失效定义结构丧失规定的功能称为失效。对可修复结构而言，这种失效称为故障。失效分类：1、按失效的性质可分为：突然失效和渐变失效。突然失效：描述结构的一个或几个任务参数发生突然变化得失效称为突然失效，它是不能用事前的测试或监控预测到的。（重庆虹桥垮塌事件）渐变失效：由于结构的一个或几个任务参数逐渐变化而引起的失效称为渐变失效，它是可以用事前的测试或监控预测到的。对于任何结构，渐变失效是不可避免的，这是由于有规律的耗损和老化的结果，所以这种失效迟早会发生，故它的出现概率为1，因此渐变失效不作为随机事件来处理。但是，这种失效到来的时间是随机量，就这个意义上来说，渐变失效仍属于概率的范畴。2、按失效发生的时间为出发点进行划分：早期失效、偶然失效和耗损失效。早期失效：也称为试运行期失效，主要是由于系统内有这样或那样的隐蔽缺陷构件，或装配和安装时的人为错误。偶然失效：在正常运行期，由于构件突然受到不容许的荷载，或者由于构件本身某些参量的突然变化等偶然因素而发生的失效。耗损失效：任何结构随着时间的推移，易受到耗损和老化，逐渐引起的失效。也可以用结构施工期和老化期可靠度来定义这个时间关系，即由此可以画出著名的“浴盆”曲线。图1结构使用期和失效概率的关系2、按失效发生的时间为出发点进行划分：早期失效、偶然失效和耗损失效。3、按失效存在时间可分为:运行紊乱失效、间歇失效和恒定失效。运行紊乱失效：是能引起结构在短时间内功能丧失的一种失效。间歇失效：是结构的某一特征多次发生运行紊乱的失效，这种失效结构不经修复而在限定的时间内，能自行恢复功能。恒定失效：是结构运行时始终存在的一种失效（故障），必须进行外界干预修复方可恢复。4、按失效的完备性可分为:系统失效、完全失效和部分失效。

完全失效：是结构性能超过某种确定界限，以致完全丧失了所规定的功能。部分失效：结构没有完全丧失所规定的功能，这时候结构依然可用，但效率较低。系统失效：是一种多次重复的失效。5、按结构系统各构件之间的联系可分为：独立失效和从属失效。独立失效：指在结构系统中，一个构件的失效与系统中其它构件的破坏或失效无关。从属失效：指系统中某一构件的失效取决于其它构件的破坏或失效，或者说是由于另一构件的失效引起的。

6、按形成失效的原因可分为：设计失效、生产（制造、安装、修理）失效、使用（违反操作规程、使用条件）失效和人为错误失效。7、按与失效有关的后果可分:致命失效、严重失效和参数失效。

致命失效：指能够导致人员生命和财产重大损失的失效。严重失效：指能导致复杂结构完成规定功能能力降低的构件或部件的失效。参数失效：指结构的任何参数超出规定所许可的范围。

2.9结构可靠性(度)的分类

根据失效方式对可靠性进行命名有:A、设计可靠性/度（固有可靠性/度）：指在结构设计阶段，根据结构可靠性/度的基本计算公式，由分析计算预测出的结构可靠性/度。它只是未来所实现可靠性/度的一种近似表达。B、制造可靠性/度：制造过程中采用实际的加工、安装过程、基建结构尺寸等所形成的可靠性/度。C、使用可靠性/度：在实际使用条件下所形成的可靠性/度。D、人的“可靠性/度”和“人-机系统可靠性/度”：是在人-机系统中，系统成功地执行功能的概率。即在计算人-机系统可靠性/度时，不但要考虑结构本身的可靠性/度，还必须考虑在准备和使用阶段，导致结构失效的认为错误。E、参数可靠性/度：指和诸如加速度、速度、角度、变形、应力、应变等这样一些参数实现水平有关的可靠性。F、构造可靠性/度：是指由始终组合在一起的构件构成的结构系统可靠性/度。或串联或并联、混联或其它复杂的联接形式，彼此间可能独立，可能相关。2.10结构可靠性设计方法的演变工程结构设汁方法．从可靠度来说基本上可以分为经验安全系数设汁法和概率设计方法两类．经验安全系数设计法是将影响结构安全的各种参数按经验取值，一般用平均值或者规范规定的标准值，并考虑这些参数可能的变异对结构安全性的影响，在强度计算中再取用安全系数K。概率设计法，则是将影响结构安全的各种参数作为随机变量．用概率论和数理统计学来廾析全部参数或部分参数，或者用可靠性理论，分析结构在使用期内满足规定功能的概率。当前，结构设计正由经验设计法转变为概率设计法．在过度阶段，人们对设计方法又分为水准I