极端条件下建筑结构可靠度

极端条件下建筑结构可靠度摘要本文首先介绍了结构可靠度的概念，结构可靠度极限状态，结构可靠度常用的概率分布，然后综述了常用的可靠度分析方法，包括均值一次二阶矩法、改良一次二阶矩法等，并且对各种方法的优缺点分别进行了比拟说明。再结合一些特殊的工程条件对结构可靠度进行进一步的分析，这些工程条件包括：风荷载，地震作用，疲劳情况等三种状况。对于这些特殊情况下的工程破坏情况，荷载大小，可靠度分析方法等方面进行了归纳总结。关键词：一次二阶矩；风荷载下结构可靠度；地震情况下结构可靠度；疲劳情况下结构可靠度。TOC\o"1-3"\h\u17654摘要17468关键词：1177831前言370422.结构可靠度的根本概念3183232.1结构可靠度相关定义3102332.2结构可靠度极限状态4193052.3结构可靠度常用概率分布6317132.3.1正态分布682072.3.2对数正态分布716628极值I型分布827498极值II型分布825675极值III型分布8291323.结构可靠度常用的分析方法9322673.1均值一次二阶矩法990873.2改良一次二阶矩法9233563.3当量正态化法(JC法)10265343.4蒙特卡罗法10255244建筑结构抗风可靠度分析1159124.1风对建筑结构可靠度影响1192094.2结构抗风可靠性分析的研究现状12284474.2.1国外结构抗风可靠性分析的研究现状：12172814.2.2国内结构抗风可靠性分析的研究现状：12172294.3结构抗风可靠度理论分析13127414.3.1结构在一次强风作用下的动力可靠度分析13119624.3.2结构在任意一次强风作用下的动力可靠度分析14268684.3.3等效风荷载可靠度分析14185355建筑结构抗震可靠度分析15233825.1基于可靠度的结构地震易损性分析15152685.2基于可靠度的结构抗震性能设计1521985.3基于可靠度的结构抗震优化设计16278106.钢结构疲劳可靠度设计方法17252266.1钢结构疲劳可靠度现状17211456.2钢结构疲劳可靠度分析的目的：1795396.3基于可靠度理论的钢结构标准疲劳设计方法18154096.4基于S-N曲线构造分类法的疲劳可靠度评估1993036.5疲劳失效极限状态方程1961506.5.1线性S-N曲线极限状态方程19245206.5.2疲劳失效动态极限状态方程20272676.6需要进一步研究的问题2012807.结束语219067参考文献231前言结构工程耗资巨大，一旦失效不仅会给结构本身和人民生命财产造成巨大损失，通常还会产生难以预料的次生灾害，因此平安性，可靠度历来是工程中考虑的重要方面。工程结构设计的主要目的在于以最经济的途径来满足建筑物的功能要求，而可靠度是满足这一目的的有效控制参数。结构的可靠度是指结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。其中规定的时间是指设计使用年限〔不进行大修能够使用的年限〕，而规定的条件包括的范围包括方方面面，但是，我们可以通过考虑一些极端的条件来给出建筑结构要满足的要求。往往这些极端条件满足要求了，再面对普通环境时，就比拟容易考虑结构可靠度的相关条件了。在众多极端条件中，风荷载，震动作用，疲劳作用是最普遍且最具有代表性的。在工程实例中也是考虑的最多的。我们要对他们进行结构可靠度分析。结构可靠度分析有三个过程：一是搜集结构随机变量的观测或试验资料，用统计方法进行统计分析，求出其分布规律及有关的统计量，作为可靠度计算的依据；二是用力学的方法计算结构的荷载效应，通过实验与统计获得结构的抗力，利用结构的破坏标准建立结构极限状态方程；三是计算结构的可靠度〔可靠指标和失效概率〕。对结构进行可靠度分析有两个目的。我们对特殊工程环境下的结构可靠度分析按照以上三个过程进行。2.结构可靠度的根本概念2.1结构可靠度相关定义根据当前国际上的一致看法，结构可靠性定义为：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。这里所说的“规定时间”是指设计假定的结构使用时间，即设计基准期；“规定条件”是指结构正常设计、正常施工和正常使用等条件；“预定功能”是指下面三项根本要求：〔1〕平安性。即要求结构在规定条件下应能承受可能出现的各种作用〔包括荷载、外加变形和约束变形等〕以及遇到偶然事件时应能保持必需的整体稳定性。〔2〕适用性。即要求结构在正常使用时应具有良好的工作性能，例如，不能有过大的变形和开裂等。〔3〕耐久性。即要求结构在正常维护下应能满足预定的功能要求，并具有足够的耐久性能。通常，我们将结构的平安性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性，这是一种对结构功能的定性概念。结构可靠度是对结构可靠性的概率度量，它是建立在统计数学的根底上经计算分析后确定的，是一种定量概念。研究结构的可靠度就是为了使结构能以最经济的途径，即适当的可靠度来满足各种预定功能的要求。2.2结构可靠度极限状态在结构可靠度分析中，为了正确描述结构的工作状态，必须明确规定结构平安、适用、耐久以及结构失效的界限〔结构模糊可靠度除外〕，这样的界限称为结构的极限状态。极限状态的概念是前苏联学者在20世纪50年代初提出来的，现已为世界工程界所公认。我国《工程结构可靠度设计统一标准》对结构极限状态的定义为：整个结构或结构的一局部超过某一特定状态就不满足规定的某一功能要求，此特定状态即为该功能的极限状态。极限状态是判别结构工作状态为可靠还是失效的分界线。对于结构的各种极限状态，均应明确规定其标志和限值。根据结构不同的功能要求，结构的极限状态可划分为三类：承载能力极限状态、正常使用极限状态和“破坏—平安”极限状态。〔1〕承载能力极限状态这种极限状态对应于结构或构件到达最大承载能力或出现不适于继续承载的变形。承载能力极限状态直接关系到结构的平安性，任何工程结构均需做承载能力极限状态的设计，且要求其出现的失效概率相当低。当结构或构件出现以下情况之一时，即认为其超过了承载能力极限状态：①整个结构或结构的一局部作为刚体失去平衡〔如滑动、倾覆等〕；②结构构件或连接处超过了材料的强度而破坏〔包括疲劳破坏〕，或因过度变形而不适于继续承载；③结构转变为机动体系；④结构或构件丧失稳定〔如压屈等〕。承载能力极限状态的发生概率应当很低，因为这种状况一般将导致人员伤亡和重大财产损失。〔2〕正常使用极限状态这种极限状态对应于结构或构件到达正常使用或耐久性能的某项规定限值，关系到结构的工作条件和耐久程度。一般来说，公路桥梁结构均需做正常使用极限状态的设计。当结构或构件出现以下情况之一时，即认为其超过了正常使用极限状态：①影响正常使用或外观的变形；②影响正常使用或耐久性能的局部破坏〔包括裂缝〕；③影响正常使用的振动；④影响正常使用的其它特定状态。与承载能力极限状态相比拟，正常使用极限状态对平安的危害较小，故可降低可靠度要求，但是仍然应予以足够的重视。对于桥梁结构，构件有稍大的变形虽然一般不会导致破坏，但假设梁的扰动过大，会导致桥面行车的不平顺，影响车辆通行速度，且使桥面易于积水和破坏，由于梁端的转动而使支撑面积改变，车辆行驶时将会引起过大的冲击和振动，产生噪音或引起人们心理上的不平安感和生理上的不舒适感；对于钢筋混凝土构件，过大的裂缝，不仅影响结构的耐久性，有碍观瞻，有时还会导致重大的工程事故；钢结构中的微裂纹常常导致疲劳破坏，这样的灾难性事故是时有发生的。〔3〕“失效—平安”极限状态这种极限状态又称为条件极限状态。超过这种极限状态而导致的破坏是指容许结构物发生局部破坏，而对已发生局部破坏的结构的其余局部，应该仍具有适当的可靠度，能继续承受降低了的设计荷载。其指导思想是：当偶然事件发生后，要求结构仍保持完整无损是不现实的，也是没有必要和不经济的，故只能要求结构不致因此而造成更严重的损失。这种设计理论在桥梁抗震和连拱推力墩的计算等方面经常使用。“失效—平安”极限状态要求的是结构在受到偶然荷载作用时能保持结构的整体稳定性。当偶然事件发生的概率较大时，一般需要考虑这种极限状态。我国《工程结构可靠度设计统一标准》〔GB50153—1992〕将极限状态划分为承载能力极限状态和正常使用极限状态，但同时指出，随着技术的进步和科学的开展，在工程结构上还应考虑“连续倒塌极限状态”，即万一个别构件局部破坏，整个结构仍能在一定时间内保持必需的整体稳定性，防止发生连续倒塌。广义地说，这是为了防止出现与破坏原因不相称的结构破坏。这种状态主要是针对偶然事件，如撞击、爆炸等而言的。2.3结构可靠度常用概率分布2.3.1正态分布假设连续型随机变量x的概率分布密度函数为：〔2.1〕其中μ为平均数，σ2为方差，那么随机变量x服从正态分布，记为x～N(μ,σ2)。相应的概率分布函数为：〔2.2〕图2-1正态分布密度曲线分布密度曲线如以下图所示：图2-1正态分布密度曲线称μ=0,σ2=1的正态分布为标准正态分布。2.3.2对数正态分布假设连续型随机变量x的自然对数为正态变量，那么称x为对数正态分布的随机变量。其概率分布密度函数为：〔2.3〕其中即lnx的均值且，即lnx的标准差且相应的概率分布函数为：〔2.3〕分布密度曲线如以下图所示：图2-2对数正态分布密度曲线2.3.3极值I型分布属于最大值型分布。概率密度函数：〔2.4〕其中；其概率分布函数为：〔2.5〕2.3.4极值II型分布属于最大值型分布。概率密分布函数：〔2.6〕其中；〔2.7〕〔2.8〕2.3.5极值III型分布属于最小值型分布。概率密分布函数：(2.9)其中(2.10)(2.11)3.结构可靠度常用的分析方法3.1均值一次二阶矩法在通常情况下，随机变量的统计信息中一阶矩〔均值〕和二阶矩〔方差和协方差〕最容易得到。一次二阶矩法〔First-orderSecond-momentmethod，FOSM〕就是只利用随机变量的前二阶矩去求解结构可靠度的方法。这类方法需要将功能函数在某点用Taylor级数展开并仅取其常数项和一次项，然后通过数理统计直接计算结构的可靠度，故称为一次二阶矩法。当功能函数(一般指R-S型)中的随机变量服从正态分布时，可以很方便地利用正态分布函数计算结构的可靠概率或失效概率，但当随机变量不服从正态分布，此时的可靠指标只是可靠度的一个比拟模糊的近似代用指标。对于非线性的功能函数，那么在随机变量平均值处，通过泰勒级数展开的方法，将其近似为线性函数，再求平均值和标准差，该法就是现在所称的中心点法。二阶矩模式形式简单，但其缺点也很明显:如不能考虑随机变量的分布类型，只是直接取用随机变量的前一阶矩和二阶矩；将非线性功能函数在随机变量的平均值处展开不合理，由于随机变量的平均值不在极限状态曲面上，展开后的线性极限状态平面可能会较大程度的偏离原来的极限状态曲面；对于有相同力学含义但数学表达式不同的极限状态方程，求得的结构可靠指标不同。3.2改良一次二阶矩法为了克服均值一次二阶矩法解答非唯一性的问题，很多学者提出了改良的方法。由可靠指标的几何意义知，可靠指标为标准正态坐标系中原点到线性的极限状态平面的最短距离，因此人们将一次二阶矩法的线性化点选为极限状态曲面距离原点最近的点，通常把这一点称为设计验算点。依此得到的方法称为改良的一次二阶矩法，它是结构可靠度最根本的计算方法。改良一次二阶矩法将线性化点选在设计验算点，不仅算法稳定，而且从可靠指标的几何意义来看也是合情合理的，这明显优于均值一次二阶矩法。因此，工程实际可靠度计算中，改良一次二阶矩法已作为求解可靠指标的根底。不过，这种可靠度计算方法要求各随机变量为统计独立的正态分布，而工程结构中的随机变量并非都是正态分布的，如风、雪等荷载一般不是正态分布，而是极值I型分布或分布。要解决这个问题，就需要通过数学变换将非正态分布随机变量当量化或映射变换为正态分布随机变量，下面介绍这两种变换方法——当量正态化法和映射变换法。3.3当量正态化法(JC法)当量正态化法是拉克维茨和菲斯莱〔Rackwitz-Fiessler〕、哈索弗尔和林德〔Hasofer-Lind〕等人先后提出来的。该法已经为国际平安度联合委员会〔JCSS〕所推荐采用，故称JC法。它适用于随机变量为任意分布的结构可靠指标的求解，原理通俗易懂，计算精度一般情况下能满足工程实际需要。我国1986年公布的《建筑结构设计统一标准》和1999年公布的《公路工程结构可靠度设计统一标准》中都规定采用JC法计算结构的可靠度。可靠指标可以很好地描述结构的可靠度，但它要求所有随机变量都服从正态分布，这往往与实际情况不相符，因此要通过数学变换来解决。如果随机变量之间不相关，常用的变换方法有三种:一是采用Rosenblatt变换，转换为线性无关的标准正态随机变量；二是将非正态随机变量按等概率原那么映射为标准正态随机变量；三是按当量正态化条件，将非正态随机变量当量为正态随机变量。事实上，后两种方法实质上是一致的，但第二种方法较为直观，易于为工程技术人员理解，被国际结构平安度联合会(JCSS)推荐使用，通常称为JC法。3.4蒙特卡罗法蒙特卡罗〔MonteCarloSimulation，MCS〕法又称随机抽样法、概率模拟法、数值模拟法或统计试验法，是通过随机模拟和统计试验来求解结构可靠度的数值方法。由于它以概率论和数理统计理论为根底，故被人们以闻名世界的赌城蒙特卡罗命名，以突显其随机性的特征。在目前的结构可靠度计算方法中，蒙特卡罗法被认为是一种相对精确的方法，常用于结构可靠度其它近似方法计算精度的检验。从数学意义上讲，结构的失效概率就是结构参数的随机性变化导致结构失效的概率。由概率的定义知，某事件发生的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算。因此，可以先对影响结构可靠度的随机变量进行大批随机抽样，然后把这些抽样值一组一组地代入结构功能函数中，统计出令结构失效的样本数目，从而求得结构失效的频率。蒙特卡罗方法可用于结构构件的可靠度分析，也可用于结构体系的可靠度分析。对于并联结构体系，由于极限状态曲面上只有一个最重要区域，抽样分布中心取在联合验算点处；对于串联结构体系，由于每一个极限状态曲面上都有一个重要区域，每一个验算点都应取作抽样中心，在确定了总的抽样次数后，按每一个重要区域〔或对应的极限状态曲面的失效概率〕对结构体系失效概率的影响程度，来决定以每一个验算点作抽样分布中心时的模拟次数，最后再根据影响程度合成结构体系的失效概率。因为串联结构体系的失效边界是不连续的凸函数，在应用方向重要抽样法来分析这种体系失效概率方面有较多的研究。在时变结构可靠度分析方面，也有一些研究用Monte-Carlo方法估计荷载的外跨阈率。4建筑结构抗风可靠度分析4.1风对建筑结构可靠度影响风灾损失的主要局部是工程结构的损坏和倒塌川。风遇到建筑物时,将在建筑物外表产生压力或吸力,这种风力作用称为风荷载。风荷载是各种工程结构特别是高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载。气流一遇到结构的阻塞,就形成高压气幕。风速愈大,对结构产生的压力也愈大,从而使结构产生大的变形和振动。结构物如果抗风设计不当,或者产生过大的变形会使结构不能正常的工作,或者使结构产生局部破坏,甚至整体破坏。可见,风对高层建筑结构的影响包括平安性、适用性、耐久性三个方面,而结构可靠度理论是研究结构平安性、适用性和耐久性的根本方法。可靠度理论更加真实、客观地反映了结构抗力和风荷载的特性,结构的抗风设计应该扎根于这个坚实的理论根底,使抗风设计更加科学,更加符合客观实际。因此,为了防止工程事故重演和减少经济损失,在工程结构设计中实现平安与经济的目的,就要进行抗风可靠性分析。随着地球气温的不断升高,台风造成的灾害将越来越严重,我国沿海地区建筑行业有必要重视建筑结构的抗台风可靠性分析。4.2结构抗风可靠性分析的研究现状4.2.1国外结构抗风可靠性分析的研究现状：1.在国际上,加拿大学者Dvaenport在研究风荷载作用响应的不确定性因素影响时,提出了风荷载链概率模型,该方法只给出了风荷载的不确定性影响,未涉及结构参数的不确定性;2.Karenel根据试验和现场实测的研究,讨论了风环境、气象数据、风的脉动、风与结构相互作用和结构参数的不确定性因素,并利用MnoetCarl方法对钢筋混凝土烟囱进行了响应的不确定性分析，研究了风环境以及结构的许多不确定性因素对结构风荷载响应极大值及其变异性的影响,采用简单数值模拟技术进行不确定性参数误差传递分析,应用一次二阶矩法计算结构的可靠度指标；3.PrenLnger等对于悬索桥和斜拉桥分别进行了抗风可靠性研究,讨论了风荷载作用下主梁跨中截面应力引起的结构失效概率,但该研究没有考虑抖振作用对结构可靠度的影响。4.2.2国内结构抗风可靠性分析的研究现状：国内的研究集中在风荷载的不确定性研究以及桥梁、塔架、渡槽、幕墙等结构的抗风可靠性分析。欧进萍等在建筑结构设计统一标准(GBJ68一84)规定的随机静风荷载(平均风压)的根底上,校准了结构抗风设计的可靠指标并讨论了动风效应峰值因子的取值和影响,从而为结构抗风可靠度分析和设计提供了方便实用的风荷载模型。1.金伟良等根据宁波市郸县历史台风记录统计资料,选择了代表性的9015号台风和9711号台风,分析得出其风压概率特性。2.李创地、李桂青等用板理论建立了幕墙的线性和非线性风振响应分析模型,继而用振型分解法建立了线性风振响应的计算公式,给出了幕墙线性和非线性抗风动力可靠性分析的一套方法。3.何学兵等基于蒙特卡罗法,提出了点支幕墙体系抗风挠度控制可靠性分析方法,得到了不同风压分布模型下幕墙最大位移的累积分布函数和抗风可靠度。4.高险峰等分析了大型塔架结构在风载下的可靠度,根据塔架体系的特点,在危险区段内寻找主要失效路径,借助有限元法同时考虑多种构件失效模型,建立失效构件及失效路径的失效函数,并用Ditlvesne窄界限法确定结构可靠度。5.罗乃东、赵国藩利用风荷载作用下的高层、高耸建筑结构动响应特性,采用振型分解法并结合《建筑结构荷载标准》推导出结构动力响应统计参数的计算公式,并根据随机振动的极值理论,利用得到的统计参数,采用正态分布法计算了抗风结构在一次强风作用下的动力可靠度,然后通过风荷载出现频率的泊松分布假设,分析得到了抗风结构在设计基准期内的动力可靠度计算公式。6.罗乃东等认为在动力响应分析中,最大的荷载效应与最大的荷载之间没有完全的对应关系,在结构的抗风动力可靠度分析中是否可以采用设计基准期最大荷载取决于给出的限值水平,但一般采用年最大风荷载进行可靠度分析均可以得到较可靠的结论。7.董安正、赵国藩在《建筑结构设计统一标准》给出的年最大风压分布模型的根底上,得出了高层建筑结构在两种实用计算模式下结构顶点位移的概率分布及其统计参数,结合《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JG3J一91)规定的结构顶点位移限值,得出了高层建筑结构在统一标准下的年最大风压模型作用下位移控制的失效及其可靠度指标。4.3结构抗风可靠度理论分析研究等效风荷载的可靠度必然涉及到结构抗风可靠度理论。风是随机性极强的自然现象，一次强风平均风速的大小是随机的，而在强风作用的时间内，风速的大小又是随时间随机变化的。因此风荷载的随机性包括两个方面：平均风的随机变量性和脉动风的随机过程性。因此结构抗风可靠度分析应该分为两步，首先求出在平均风强度为确定值时的风荷载作用下结构不失效的条件概率，在根据平均风概率分布，求出结构在任意的风荷载作用下的可靠度。4.3.1结构在一次强风作用下的动力可靠度分析当平均风为一确定值时，脉动风为一随机过程，那么结构在风载持时内的响应也为一随机过程。所以，结构在该次强风中的可靠度，即为结构风振响应在强风作用时间[0,T]内没有穿越界限值的概率。而如前文所述，结构动力可靠度分析存在两种破坏机制：首次超越破坏机制和疲劳破坏机制。前者因其简单实用而得到广泛的研究，本文也采用这种破坏机制。首次超越破坏机制认为当结构控制参数超过一定的限值结构即破坏，此时结构在一次强风中的可靠度为：〔4.1〕式中，s(t)为平均风和脉动风作用下结构响应的叠加.第三章已经列出了多种动力可靠度的求解方法：Rayleigh分布法、Gauss分布法、Poisson过程法、蒙特卡罗法以及第四章推导的基于随机过程精确极值分布的动力可靠度算法。由于最后一种算法有其固有的优越性，本文采用该算法进行动力可靠度分析。4.3.2结构在任意一次强风作用下的动力可靠度分析风荷载的随机性还表达在任意一次强风的平均强度也是不确定的，因此上节所求的实际上是平均风为特定值下的条件概率，因此结构在任意一次强风作用下的可靠度应为：〔4.2〕4.3.3等效风荷载可靠度分析在实际的结构设计时，一般通过控制等效风荷载作用下结构的响应来保证结构的平安。但是通过前文的分析可知，实际自然界中的风随机性相当强，那么结构在实际风作用下的响应就有可能大于等效风荷载作用下的响应，此时结构失效的可能性就大大增加。因此，我们可以将等效风荷载的可靠度等价为实际风荷载作用下结构的响应不超过等效风荷载作用下结构响应的概率。5建筑结构抗震可靠度分析5.1基于可靠度的结构地震易损性分析地震易损性是指在不同强度地震作用下结构发生各种破坏状态的条件概率,相当于结构的一种广义抗力。地震易损性分析是地震风险分析的重要组成局部,是结构抗震可靠度理论在地震风险分析领域的进一步延伸;同时,地震易损性又是在更为广义的地震动层面上的结构整体抗震可靠度的组成局部。目前,结构的地震易损性分析主要有两大类方法,第一类称为“经验易损性分析”,通常由专家根据大量的震害调查数据和经验,给出破坏概率矩阵,然后对破坏概率进行曲线拟合,从而绘制出地震易损性曲线;第二类称为“解析易损性分析”,当前国内外的研究者们主要采用基于确定性有限元分析的蒙特卡洛模拟法获得大量的地震易损性数据,作为统计分析的样本。5.2基于可靠度的结构抗震性能设计基于性能的抗震设计理论的核心思想是使所设计的结构在设计基准期内,在未来的地震灾害作用下,能够满足各种预定的性能目标或功能要求。目前国内外已经提出了多种具体的抗震性能设计方法,如基于位移的设计方法、基于能量的设计方法、基于损伤的设计方法、能力设计方法、延性设计方法等,但是这些方法都是确定性的。事实上,地震的发生在时间、空间和强度上都具有强烈的随机性同时,地震动还具有随机过程特性。在随机地震作用下,工程结构的地震反响(或需求)自然具有随机性。此外,由于观测误差、制造缺陷、数学模型能力的缺乏、试验数据的样本有限以及各种人为错误等因素,也会造成结构的需求和能力存在大量的不确定性。因此,在设计过程中,设计者应该充分考虑这些不确定性,采用基于可靠度概率设计方法。随着结构可靠度理论的开展和成熟,基于可靠度的概率设计方法已经成为当前各类工程结构设计总的开展趋势。作为结构抗震设计的未来开展方向,基于性能的结构抗震设计也应该以结构可靠度理论为根底。目前,性能设计的发源地“太平洋地震工程研究中心”正在制定抗震性能设计的概率框架。采用基于可靠度的概率设计方法已经成为抗震性能设计理论的必然开展趋势。现行结构抗震设计方法采用的是荷载抗力系数设计表达形式,这种设计方法实质上是基于构件承载能力极限状态的近似概率设计,存在很多缺点:其一,荷载与抗力分项系数是利用按以往标准设计的结构构件的平均可靠度进行校准得到的,这样设计出来的结构可靠度指标不一致,有可能分布在一个很大的范围内;其二,结构内力计算模式与构件承载力计算模式不一致,结构的内力分析采用的是一阶线弹性理论,而在计算构件的承载力时,却考虑几何非线性或材料非线性的影响;其三,现行设计理论以结构构件为设计对象,只能保证结构构件承载能力极限状态的名义可靠度水平,而不能保证结构体系承载极限状态的可靠度水平;其四,现行抗震设计标准只在承载能力极限状态方面实现了近似概率设计,而在弹性变形验算和弹塑性变形验算方面仍然停留在确定性的验算水平。因此,现行的荷载抗力系数设计方法应该向更能表达结构整体设计水平的需求能力系数设计方法转变。需求能力系数设计方法是在结构体系层次上的一种解析表达形式,目前,结构整体可靠度理论和需求能力系数设计方法相结合,正在对钢框架结构以及其他结构体系形式进行概率抗震性能设计研究。5.3基于可靠度的结构抗震优化设计基于可靠度的结构优化设计属于水准四的最优概率设计,是结构概率设计的最高层次,难度也最大,因此一直是国内外的热点研究课题。该方法以结构的全生命周期费用最小为优化目标,将结构体系或构件的可靠度满足预定的目标可靠度作为约束条件。目前,结构在未来地震作用下的全生命周期费用最小已经成为抗震性能设计理论的最终开展目标。通过对抗震结构最优设防烈度决策理论和全寿命预期总费用最小优化设计方法的研究,可以证明抗震结构最优设防烈度与最优可靠度的一致性。6.钢结构疲劳可靠度设计方法6.1钢结构疲劳可靠度现状疲劳失效是承受循环荷载的构件或连接的主要失效模式之一。以往结构疲劳分析采用的是确定性方法，现在国内外钢结构疲劳分析开始向可靠度方向开展。２０世纪７０年代，Ｗｉｒｓｃｈｉｎｇ首先对承受随机波浪荷载的海洋工程结构管节点进行了可靠度分析［１］，此后逐渐在钢桥、风机、核电站等结构中拓展。90年代至近期，Zhao，Byers，Szerszen，Chryssnthopoulos，Assakkaf等学者进行了这方面的研究工作。2005年，欧盟公布实施EC3标准，对钢结构疲劳采用了可靠度设计方法。国内在钢结构疲劳可靠度方面研究很少，尚处于起步阶段，主要的研究成果有：潘际炎对铁路钢桥疲劳问题做了较多的试验和理论研究；幸坤涛对在役钢结构吊车梁疲劳剩余寿命进行了评估，并对中国钢结构标准中８类构造细节进行了目标可靠指标校准分析；王春生利用线弹性断裂力学方法对国内几座铆接钢桥的疲劳可靠度进行了评估；邓扬基于结构健康监测数据对钢桥的疲劳可靠性进行了研究；方华灿、胡毓仁等在海洋钢结构疲劳可靠度方面做了许多工作。6.2钢结构疲劳可靠度分析的目的：1.建立以可靠度理论为根底的设计方法；2.对已服役结构的可靠度评估。第２个问题可从两个方面着手：〔1〕ＳＮ曲线构造分类法。S-N曲线构造分类法依据钢结构构造细节的疲劳试验获取的S-N曲线，并辅以疲劳累积损伤原理〔Miner准那么〕来分析钢结构的疲劳问题；〔2〕断裂力学方法〔Paris定律〕。与S-N曲线构造分类法不同，断裂力学方法是以疲劳裂纹的扩展为出发点，结合结构可靠度理论分析钢结构的疲劳问题。6.3基于可靠度理论的钢结构标准疲劳设计方法为表达标准的一致性，钢结构标准〔如EC3标准〕疲劳可靠度设计仍应采用分项系数的形式，便于工程设计人员查用。以下介绍几个疲劳可靠度设计分项系数确实定方法。1.1990年，Roik撰写了钢－混凝土组合结构栓钉疲劳可靠度的研究报告，报告采用了极限状态设计法确定栓钉疲劳抗力和疲劳荷载效应的分项系数。如疲劳荷载效应与疲劳抗力服从对数正态分布，那么分项系数的计算式为：(6.1)(6.2)其中：〔6.3〕式中：,分别是疲劳荷载效应和疲劳抗力的分项系数；β为可靠指标；、分别为疲劳荷载效应和疲劳抗力的标准差；、可分别称为疲劳荷载效应和疲劳抗力离散性的分位值因子。假设确定了分位值因子，且疲劳抗力的标准差、疲劳荷载效应的标准差、目标可靠指标时，那么可利用公式(6.1)计算疲劳抗力和疲劳荷载效应的分项系数。1999年，Assakkaf提出了船舶结构疲劳可靠度设计的荷载抗力分项系数设计法，设计表达式为：〔6.4〕式中：ｋｔ为疲劳应力计算不确定性因子；，A为相应疲劳抗力分项系数；、，为相应疲劳荷载效应的分项系数；A,m为构造细节的性能参数。2005年，欧盟公布并且实施了EC3标准，采用了以概率论为根底的极限状态设计法，以分项系数的形式用于构件和连接的疲劳设计。EC3标准的奉献在于：〔1〕统计了使用跨度达30年的钢结构构造细节的疲劳强度数据，建立了疲劳强度数据库，并给出了构造细节分类表格和疲劳强度曲线，供设计人员查用；〔2〕分别给出了疲劳荷载效应和疲劳抗力分项系数建议值，前者建议取1.0，后者建议，根据疲劳失效后果的4种程度可分别取1.0,1.2,1.25,1.35。3.2006年，Eurocode3part-6吊车梁设计标准开始征求意见稿，采用了与EC3标准相同的疲劳设计表达式、疲劳荷载效应和疲劳抗力的分项系数建议值。4.2008年，Kosteas提出了欧洲铝合金结构疲劳设计的可靠度方法，给出了疲劳强度标准差、疲劳荷载效应标准差、可靠指标、分项系数之间的关系式如下：(6.5)6.4基于S-N曲线构造分类法的疲劳可靠度评估疲劳强度曲线，即疲劳破坏时的强度与循环次数〔寿命〕的关系曲线，简称为S-N曲线。S-N曲线由疲劳试验数据经回归分析得到，一般以对数化后的直线方程表示：(6.6)(6.7)式中:为常幅应力幅；N为在常幅应力幅作用下疲劳破坏时的循环次数〔寿命〕。6.5疲劳失效极限状态方程由于疲劳问题中存在大量不确定性因素，如：材料性能、工作环境的不确定性；变量的分布特征和分布函数的统计推断带来的不确定性等，如何在疲劳失效极限状态方程中考虑这些不确定性因素是保证预测结果准确与否的关键所在。国内外一些学者建立了多个典型的疲劳失效极限状态方程，现分析如下。线性S-N曲线极限状态方程19世纪70年代，Wirsching承当了海洋工程结构焊接管节点疲劳设计的研究课题，经过四年的努力，取得了丰硕的研究成果。1984年，Wirsching根据损伤准那么建立了海洋工程结构焊接管节点疲劳失效极限状态方程：(6.8)式中：Ｂ为描述疲劳应力计算的不确定性随机变量;Ω为应力参数6.5.2疲劳失效动态极限状态方程钢结构在服役期间，疲劳荷载和疲劳抗力会随时间的开展而变化，即疲劳荷载和疲劳抗力都为随机过程。疲劳动态可靠性定义为：在规定的时间内，在正常使用和维护条件下，考虑疲劳荷载与疲劳抗力随时间变化，结构不发生疲劳破坏的概率。由疲劳动态可靠性的定义可知，在疲劳失效极限状态方程中考虑时间的变化被认为更与实际相符。幸坤涛认为在钢结构服役期间，疲劳荷载没有较大变化，疲劳荷载与时间无关。但将疲劳失效极限状态方程中的日循环次数Ｎｔ视为确定值。而Deng的研究说明，日循环次数的变异性对可靠指标的影响不能无视，但研究中同样也未做低应力修正。6.6需要进一步研究的问题以上综述的国内外一些疲劳失效极限状态方程已应用在海洋工程、工业建筑、钢桥等多个领域。随着研究的深入，提出的疲劳失效极限状态方程逐渐趋于更加精细化，考虑因素增多，出现了双线性、动态疲劳失效极限状态方程，促使钢结构的疲劳寿命评估更为精确。但是，必须成认，目前钢结构疲劳可靠度的研究严重匮乏，远远落后于设计的需要。究其原因，是由于疲劳问题受到许多微观和细观因素、局部构造细节的影响，十分复杂。正是由于疲劳问题的复杂性，目前还需要通过大量的试验来掌握疲劳性能的规律，然而，目前投入于疲劳试验的经费极其有限。为了开展和完善钢结构疲劳可靠度设计，还需在以下一些方面开展更多的研究：〔1〕确定钢结构疲劳设计的分项系数是一个难度很大的问题，需要获得众多构造细节的疲劳强度试验的统计数据。可通过以下两种互补的途径去实现：一是收集归纳以往的疲劳试验数据，但由于年代已久，数据记录保存不当，这往往难以收集全面；二是进行新的疲劳试验，这需要大量经费和时间的投入。〔2〕在钢结构疲劳失效极限状态方程中，重要的统计参数之一是疲劳应力幅的分布特征。因此开展疲劳荷载效应的长期实测分析就显得尤为必要。在这方面工作中，海洋