结构可靠性设计基础教案-第1章-概述

结构可靠性设计基础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结构可靠度第一章绪论第二章结构可靠性的概率统计基础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统计分析第六章结构构件抗力的统计第七章结构可靠性设计推荐参考书张新培主编：建筑结构可靠度分析与设计杨伟军等编著：土木工程结构可靠度理论与设计李国强.工程结构荷载与可靠度设计原理.中国建筑工业出版社,1999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规范：工程结构可靠性设计统一标准(GB50153-2008)

建筑结构可靠度设计统一标准(GB500682001)引言工程中的不确定性结构可靠性的基本概念及基本术语结构可靠性设计的过程和目的结构设计方法的演变第一章概述1.1引言第一章概述1.1引言工程结构工程结构的设计步骤结构设计计算的两个方面

在我们周围，存在着各种各样的结构，如土木工程结构、机械结构、航空航天结构等，它们是为了某种使用目的而设计，在给定的环境条件下能够承受和传递可能发生的荷载作用的一种工程构造。以土木工程为例，由钢、木、砌体、混凝土、钢筋混凝土等建造的各种建筑物或构筑物，包括工业与民用建筑、桥梁、公路、铁路、码头、堤坝、海洋平台、涵洞、渡槽、水闸、管道和容器等统称为工程结构。土木工程结构特点：由墙、板、梁、柱、拱、索等不同结构构件组成，犹如人体中的骨架，构成了房屋、桥梁、隧道等各类土建工程设施的主体。1.1引言1.工程结构的定义1.1引言1.工程结构的定义工程结构在相当长的使用期内，需要安全地承受各种使用荷载，经受气象作用，以及波浪、地震等自然作用。它们的安全与否，不但影响工农业生产，而且还关系到人身安危。对结构的要求：结构及其构件具备在各种外加作用下防止破坏倒塌、保护人员财产不受损失的能力。特别是对一些重要的纪念性建筑物，作为一个划时代的文化特征，将流传后世，对安全、适用、美观、耐久等方面，还有更高的要求。

1.1引言2.工程结构的设计步骤

选择合理的结构方案:第一步是调查研究、分析对比，在满足预定功能的条件下，选择合理的结构方案和型式；

根据选定的结构型式设计结构或构件的截面和可行的施工方案:第二步包括结构或构件截面内力或应力的分析，以及根据截面的内力或应力，选择截面尺寸、确定材料用量等。通常称为结构计算。本课程主要是讨论在结构计算中，截面或构件设计的安全性和可靠性的问题。

1.1引言3.结构设计计算的两个方面如何使结构的力学分析日趋完善：结构设计计算主要解决两方面的问题：一方面是如何考虑材料固有的性能，使结构的力学分析日趋完善；结构设计理论由于采用了现代力学方法、计算机和完善的实验，所以更精确。

如何合理地选择影响结构安全的参数：另一方面是如何合理地选择影响结构安全的参数，如荷载值、材料强度值以及安全系数等。若不考虑荷载、材料强度等参数的不确定性和它们对结构安全的影响，那就会与日益精确的力学分析不相匹配。例如安全系数取大些，荷载值取大些，就多用材料造成不必要的浪费；反之就会造成危险。所以如何在结构的可靠性与经济性之间选择一种最佳的平衡，力求以最经济的途径使所建造的结构以适当的可靠度满足各种预定的功能要求是结构设计要解决的根本问题。。

1.1引言3.结构设计计算的两个方面KS≤R以受弯构件为例，其一般表达式为

M≤Mp/K

式中：

Mp——截面破坏时的抵抗弯矩

K——构件承载力安全系数

M——标准荷载作用下的截面弯矩。1.1引言3.结构设计计算的两个方面

图1.1结构可靠性设计

1.2工程中的不确定性第一章概述不确定性信息分类1.2工程中的不确定性1.2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；1.2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1.2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1.2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，所以采用结构可靠度理论研究结构的可靠性问题。1.3结构可靠性的基本概念及基本术语第一章概述1.3结构可靠的基本概念及基本术语结构的可靠性与可靠度设计使用年限与设计基准期结构的功能要求设计状况作用和作用效应结构抗力极限状态极限状态方程1.3结构可靠的基本概念及基本术语1.可靠性与可靠度建筑结构的可靠性指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。包括安全性、适用性和耐久性三项要求。结构可靠度是结构可靠性的概率度量，其定义是：结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用维护），完成预定功能的概率，称为结构可靠度。必须指出：结构可靠度与使用年限长短有关，结构可靠性设计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。1.3结构可靠的基本概念及基本术语2.设计使用年限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。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。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。1.3结构可靠的基本概念及基本术语

《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068—2001规定：结构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2.设计使用年限1.3结构可靠的基本概念及基本术语3.设计基准期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。怎么取？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。《建筑结构可靠度设计统一标准》规定：设计基准期为50年。国际上对设计基准期的取值并不统一，例如：国际“结构安全度联合委员会”(JCSS)建议的结构设计基准期为50年，加拿大“国际建筑法规”取30年。注意：设计基准期不等同于建筑结构的设计使用年限。设计基准期，设计使用年限≠使用寿命超过设计使用年限或设计基准期的结构，并不见得就得报废，而仅仅是它的可靠度有所降低（失效概率有所增加）而已。1.3结构可靠的基本概念及基本术语4.结构的功能要求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。具体地讲，结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：1、在正常施工和正常使用时，能承受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、在正常维护下具有足够的耐久性；4、在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳定性。1.3结构可靠的基本概念及基本术语

1项、4项

结构安全性的要求

2项

结构适用性的要求

3项

结构耐久性的要求

结构在规定的时间（设计使用年限）内，在规定的条件下（正常设计、正常施工、正常使用），完成预定功能的能力－结构的可靠性，包括结构的安全性、适用性和耐久性。4.结构的功能要求1.3结构可靠的基本概念及基本术语◆安全性①．结构在预定的使用期间内（一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。②．在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏而造成生命财产的严重损失。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。4.结构的功能要求1.3结构可靠的基本概念及基本术语◆适用性

③．结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。◆

耐久性④．结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。即在各种因素的影响下（混凝土碳化、钢筋锈蚀），结构的承载力和刚度不应随时间有过大的降低，而导致结构在其预定使用期间内丧失安全性和适用性，降低使用寿命。4.结构的功能要求从工程概念上讲，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。1.3结构可靠的基本概念及基本术语5.极限状态的定义和分类衡量一个结构是否可靠，或者说是否完成功能要求，应有明确的标志－－极限状态。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态(达到极限承载力；失稳；变形、裂缝宽度超过某一规定限制等)

，就不能满足设计规范所要求的某一项功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。当结构能够完成预定的功能时，称结构处于可靠状态。当结构不能完成预定的功能时，称结构处于失效状态。极限状态实质上是结构可靠（有效）或者不可靠（失效）的界限，所以也有称为“界限状态”的。结构的极限状态

结构失效的临界状态1.3结构可靠的基本概念及基本术语5.极限状态的定义和分类极限状态的分类国际上对极限状态的分类方法有很多种，《建筑结构可靠度设计统一标准》规定，结构的极限状态分为：承载能力极限状态

保证结构或构件的安全性正常使用极限状态

保证结构或构件的适用性、耐久性1.3结构可靠的基本概念及基本术语6.承载能力极限状态承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载功能的状态。结构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变，虽未达到最大承载能力，但已经彻底不能使用，也属于这种极限状态。疲劳破坏是在使用中由于荷载在多次重复作用而的达到的承载能力极限状态。承载能力极限状态可靠性应该很好；承载能力极限状态的出现概率应当很低。因为它可能导致人身伤亡和大量的财产损失。1.3结构可靠的基本概念及基本术语6.承载能力极限状态

承载能力极限状态标志（出现下列状态之一）（1）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；（2）结构构件或连接因超过材料强度而破坏(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）结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；（5）地基丧失承载力而破坏（如失稳等）。

保证结构或构件的安全性1.3结构可靠的基本概念及基本术语7.正常使用极限状态可理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某个限值的状态。例如，某些构件必须控制变形、裂缝才能满足使用要求。因过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落、填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的裂缝会影响结构的耐久性；过大的变形、裂缝也会造成用户心理上的不安全感。与承载能力极限状态相比较，由于其对生命的危害较小，故允许出现的概率可较高。所以这种极限状态的可靠性可以适当低一些，但不等于不重视。注意：对于钢筋混凝土结构，过大的裂缝不仅有损建筑物观瞻和影响结构的耐久性，而且有时也会导致重大的工程事故。例如，1980年5月一个上午，西柏林会议厅的马鞍形壳顶突然倒塌。破坏的起因是由于拱与壳板交接处裂缝开展，不断渗水，终于导致钢筋锈蚀，悬索断裂，引起世界震惊的倒塌事故。1.3结构可靠的基本概念及基本术语7.正常使用极限状态

正常使用极限状态标志（出现下列状态之一）（1）影响正常使用或外观的变形（2）影响正常使用或耐久性的局部破坏(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（例：渗漏、冻害等)保证结构或构件的适用性、耐久性1.3结构可靠的基本概念及基本术语7.逐渐破坏极限状态指偶然作用后产生的次生灾害限度，即结构因偶然作用造成局部破坏后，其余部分不致发生连续破坏的状态。偶然作用包括超过设计烈度的地震、爆炸、车辆撞击及基础塌陷等等。1.3结构可靠的基本概念及基本术语7.逐渐破坏极限状态设计时，应遵循的原则为：1）按考虑偶然事件所造成的荷载效应的偶然组合进行设计或采取保护措施，使主要承重结构不致因偶然事件而丧失承载力；2）应使主要承重结构因偶然事件而发生局部破坏后，其剩余部分仍具有适当的安全度，在一段时间内不致于连续倒塌，以避免生命和经济的重大损失，并为修复提供条件。1.3结构可靠的基本概念及基本术语8.结构的三种设计状况根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，结构的三种设计状况分为：1、持久状况—在结构使用过程中一定出现，其持续期很长(一般与设计使用年限为同一数量级)的状况。2、短暂状况—在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续期很短的状况。如施工和维修等。3、偶然状况—在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾、爆炸、撞击等。1.3结构可靠的基本概念及基本术语8.结构的三种设计状况

建筑结构的三种设计状况应分别进行极限状态设计1、对三种状况，均应进行承载力极限状态设计2、对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计3、对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计1.3结构可靠的基本概念及基本术语9.作用和作用效应作用action

引起结构效应的原因。例如施加在结构上的集中力或分布力(直接作用，也称为荷载)和引起结构外加变形或约束变形的原因(间接作用)。直接作用（荷载）：施加在结构上的集中或分布荷载；例如：结构自重、设备、人群、车辆、风荷载、雪荷载、土压力、水压力等等。间接作用：引起结构外加变形或约束变形的原因；例如：温度变化、材料的收缩和膨胀变形、焊接残余变形、不均匀地基沉降、地震作用等等。1.3结构可靠的基本概念及基本术语按随时间的变异分类：1)永久作用permanent

action

在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用（例如结构自重、土压力、预应力等）。2)可变作用variableaction

在设计基准期内其量值随时间变化且其变化与平均值相比不可忽略的作用（（例如楼面活荷载、屋面活荷载和积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、多遇地震等）。

3)偶然作用accidentalaction

在设计基准期内不一定出现而一旦出现其量值很大且持续时间很短的作用（例如罕遇地震、爆炸力、撞击力等）。

设计基准期

designreferenceperiod

为确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。（例如我国规范定为50年）

9.作用和作用效应1.3结构可靠的基本概念及基本术语作用效应

effectofanaction

由作用引起的结构或结构构件的反应，例如内力、变形和裂缝等。荷载效应S（荷载引起结构构件的内力、位移等）9.作用和作用效应1.3结构可靠的基本概念及基本术语10.结构抗力结构抗力是指结构抵抗破坏或变形的能力，如极限内力、极限强度、刚度以及抗滑力、抗倾力矩等。结构抗力R(构件的承载力、挠度限值、裂缝宽度限值等)1.3结构可靠的基本概念及基本术语11.功能函数和极限状态方程结构的功能函数(performancefunction)

按极限状态方法设计建筑结构时，要求所设计的结构具有一定的预定功能，这可用包括各有关变量在内的结构功能函数来表达，即极限状态方程(limitstateequation)1.3结构可靠的基本概念及基本术语11.功能函数和极限状态方程结构的功能函数(performancefunction)

1.4结构设计的目标和任务第一章概述1.4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1.4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）。1.4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1.5结构设计方法的演变第一章概述1.5结构设计方法的演变容许应力设计法破损阶段设计法多系数极限状态设计法概率极限状态设计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：1.4～1.6，脆性材料：2.5～3.0。1.5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。1.5结构设计方法的演变2.破损阶段设计法(DFD)

设计表达式：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。1.5结构设计方法的演变1.5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：

承载能力极限状态正常使用极限状态1.5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(16Mn)

取1.40(受弯)或1.55(受压)。3.多系数极限状态设计法(MFLSD)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；1.5结构设计方法的演变

对不同荷载、影响抗力的不同因素采用不同系数；部分荷载和材料强度的确定采用了统计的方法，对调查数据统计分析确定的。荷载和抗力抗力系数仍然是经验系数，对确定的极限状态没有明确的保证概率。特点：1.5结构设计方法的演变4.结构可靠度设计方法

20世纪70年，以概率论为基础的可靠度理论趋于成熟；发展了基于构件可靠度设计的荷载抗力分项系数设计方法；各个国家、不同行业的设计规范逐步向LRFD设计方法过渡；在特别重要的重大工程结构设计中采用全概率设计法。4.1结构可靠度设计方法发展概况1.5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;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；荷载和抗力分项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。4.2近似概率极限状态设计特点：采用多系数的表达形式1.5结构设计方法的演变Level1:确定性设计表达式＋半经验半概率系数，(MFLSD)；Level2: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)Level3:完全概率设计方法；Level4:以总造价（期望）为目标的优化方法。4.3结构可靠度设计方法（规范）的概率水平1.6结构可靠度发展概况第一章概述国外结构可靠度发展状况国内结构可靠度发展状况结构可靠度计算方法发展概况1.6结构可靠度发展概况1.6结构可靠度发展概况

1.6.1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AngA.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