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1、大纲,结构可靠度分析的基本概念 结构可靠度分析的发展 结构可靠度分析的规范要求 极限状态 继续研究的问题,结构的功能要求,能承受在正常施工和正常 使用时可能出现的各种作用 在偶然事件发生时及发生 后，仍能保持必需的整体稳定性。 在正常维护下具有足够的 耐久性能 在正常使用时具有良好的 工作性能,基本概念,安全性,耐久性,适用性,结 构 的 可 靠 性,结构可靠度,结构可靠度是结构可靠性的概率量度，即在规定的时间 内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。 规定的时间结构设计基准期 规定的条件正常设计、正常施工、正常使用条件 结构的功能函数为结构的抗力减去荷载效应：,基本概念,结构可靠 可靠度,结
2、构失效 失效概率,结构处于极限状态,承载能力极限状态 正常使用极限状态,基本概念,结构体系的可靠度,对于结构功能来说，整体结构的失效分析对结构可靠性设计的意义比 结构构件的可靠度计算的意义要更大。,结构构件的失效性质：脆性构件，延性构件,结构构件的 失效模型：,串联模型：结构中任一构件失效则整个结构失效。 （静定结构和静定程度不高的脆性超静定）,并联模型：结构中一个或一个以上构件失效，其余的 构件或与失效的延性构件仍能维持结构功能。 （超静定结构）,串-并联模型：结构的最终失效形态不限于一种 （延性超静定结构）,结构可靠度分析的一次二阶矩法,基本概念,实际工程中结构功能函数常为非线性函数，大多
3、数基本随机 变量不服从正态分布，需要采用近似方法一次二阶矩法。 只需要随机变量的一阶矩和二阶矩，且只需考虑功能函数泰 勒级数展开式的一次项。,一 次 二 阶 矩 法,中心点法 验算点法 映射变换法 实用分析法,需要考虑随机变量的分布概型,工程结构可靠度习称安全度。其处理方法随着实践经验的积累和工程力学、材料试验、设计理论等各种学科的发展而不断地演变，由直接经验阶段、以经验为主的安全系数阶段而开始进入了以概率理论为基础的定量分析阶段。 直接经验阶段： 早期对工程结构的建造，不倒不垮就认为安全可靠；后来通过经验累积，进一步按结构构件的尺寸比例规定结构安全度。这阶段主要依靠工匠们代代相传的经验而进行
4、营建活动。,发展历史,结构可靠度分析的发展历史,安全系数阶段： 17世纪材料力学的兴起和发展，使结构设计进入了弹性的力学分析时期，从而开始采用容许应力设计法，以凭经验判断决定的单一安全系数度量结构的安全度。 到20世纪30年代，由于对结构材料与结构破坏性能的研究逐步深入，在结构设计上考虑结构的破坏阶段工作状况，随之出现了破坏强度设计法，亦称极限荷载设计法。 进入50年代后,苏联学者提出了极限状态设计法,用多系数（超载系数、材料匀质系数、工作条件系数）代替单一安全系数度量结构的安全度，并订入国家设计规范。由于这些方法仅对荷载和材料强度的特征值分别采用概率取值而未将荷载和抗力进行联合的概率分析，所
5、以也称“半概率法”。其荷载系数和抗力系数本质上仍然是一种以经验确定的安全系数。,发展历史,以概率理论为基础的阶段： 20世纪40年代，美国A.M.弗罗伊登塔尔将统计数学概念引入可靠度理论的研究。60年代，美国一些学者对建筑结构可靠度分析，提出了一次二阶矩法，简称一次概率法，并为国际结构安全度联合委员会(JCSS)所采用。这种方法只须考虑随机变量的平均值和方差（方差又称为二阶中心矩），并在计算中对结构非线性功能函数取一次近似 一次概率法含有“可靠指标 ”的概念,而 为结构功能函数这一随机变量的平均值与标准差的比值。从理论上讲，只要分布一定, 与失效概率便有一一对应的关系。即根据一定的计算原则,可
6、由 求出相应的失效概率，从而对结构可靠度进行定量分析。,发展历史,发展历史,工程结构可靠性研究的近年发展状况,学 术 会 议,国际结构安全性和可靠性会议,国际土木工程中统计学与概率论的应用学术会议,亚太地区结构可靠性及其应用的学术会议,工程结构可靠性学术会议（我国）,刊物：国际结构安全性,国家基础性研究重大项目：重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究,结构可靠度分析的规范要求,70年代末，以一次概率法为基础，制订了建筑结构设计统一标准，作为各设计规范修订或制订的准则。 现在使用的规范为工程结构可靠性设计统一标准（GB50153-2008）。 工程结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危
7、及人的生命，造成经济损失、对社会或环境产生影响等）的严重性，采用不同的安全等级。如下表：,规范要求,工程结构中各类结构构件的安全等级，宜于结构的安全等级相同，对其中部分结构构件的安全等级可进行调整，但不得低于三级。 可靠度水平的设置应根据结构构件的安全等级、失效模式和经济因素等确定。对结构的安全性和适用性可采用不同的可靠度水平。 当有充分的统计数据时，结构构件的可靠度宜采用可靠指标 度量。结构构件设计时采用的可靠指标，可根据对现有结构构件的可靠度分析，并结合使用经验和经济因素等确定。 各类结构构件的安全等级每相差一级，其可靠指标的取值宜相差0.5。,规范要求,工程结构设计时，应规定结构的设计使
8、用年限。房屋建筑结构、铁路桥涵结构公路桥涵结构和港口工程结构的设计使用年限均应符合规范规定。 工程结构设计时应对环境影响进行评估，当结构所处的环境对其耐久性有较大影响时，应根据不同的环境类别采用相应的结构材料、设计构造、防护措施、施工质量要求等，并应制定结构在使用期间的定期检修和维护制度，使结构在设计使用年限内不致因材料的劣化而影响其安全或正常工作。 为保证工程结构具有规定的可靠度，除应进行必要的设计计算外，还应对结构的材料性能、施工质量、使用和维护等进行相应的控制。,规范要求,规范要求,中外规范对比 钢结构稳定系数为例,(1)钢梁稳定系数大小排名:加拿大,美国和我国,然后是日本; (2)除我
9、国外,各国活荷载系数取值大的,钢梁稳定系数倾向于取平均值; (3)美国规范钢梁稳定系数的可靠指标分析表明,对活荷载占比大的钢梁 可靠指标不足; (4)GB50017-20003钢梁稳定系数取值在世界各国排名第2,但是活荷载 系数是世界上最低的。,极限状态设计原则,极 限 状 态,极限状态,承载能力极限状态,正常使用极限状态,结构构件或连接破坏或过大变形 结构或部分作为刚体失去平衡 结构变成机动体系 结构或构件丧失稳定 结构因局部破坏而连续倒塌 地基丧失承载力 结构或构件疲劳破坏,影响正常使用或外观的变形 影响正常使用或耐久性能的局部破坏 影响正常使用的振动 影响正常使用的其他特定状态,结构丧失
10、 承载力,结构不适 正常使用,极限状态,设 计 状 况,持久 短暂 偶然 地震,均应进行 承载能力 极限状态 设计,可不进行 正常使用 极限状态 设计,基本组合,偶然组合,地震组合,必须进行正常使用 极限状态设计,承载能力 极限状态 设计,正常使用 极限状态 设计,标准组合（不可逆） 频遇组合（可逆） 准永久组合（长期效应）,对每一种作用组合，工程结构的设计均应采 用其最不利的效应设计值进行,继续研究的问题,未来发展,1.“统一标准”采用可靠度分析的一次二阶矩法，对于线性 或非线性程度不高的功能函数具有足够的精度，但对于工程 中非线性程度较高的功能函数和基本变量变异系数很大的情 况精度还是略显
11、不够。 2.“统一标准”中采用的一次二阶矩法，假定随机变量是相 互独立的，但实际工程中，不少变量之间存在着相关关系。 因此，需根据工程中实际存在的相关问题，研究相关随机变 量的可靠度分析方法。 3.目前规范中所指的可靠度是构件或者构件截面的可靠度， 而不是由构件组成的结构体系的可靠度，也不是上部结构与 地基基础耦合的整个体系的可靠度。而整个结构体系的可靠 度是决策者及设计者更为关注的问题。,未来发展,4.目前对于正常使用极限状态的可靠度分析，研究还是 比较缺少。特别是正常使用极限状态判别“正常”与 “不正常”的界限具有明显的“模糊性”，如仍采用随 机可靠度的分析方法则与工程实际情况有所偏离。 5.结构可靠度是指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。但规定的条件是指正常设计、 正常施工和正常使用。由于建造期结构的可靠度分析跟 投入使用的结构可靠度分析有区别。以后需要深化对施 工建造期结构可靠度的研究。 同时需要研究老化期结构的可靠度。,
