土木工程在役结构可靠度分析毕业论文

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1、河北大学工商学院 2008 届本科生毕业论文（设计）1一 引言1.1 课题来源及意义各国建筑结构设计规范以结构可靠性理论为基础得到修订和完善，并在结构设计中得到应用。这些规范都是以构件可靠性为理论基础，以设计基准期为依据，按结构的正常使用阶段来考虑的，没有考虑结构系统的可靠性，也没有考虑结构的全寿命过程。结构的全寿命过程可以划分为 3 个主要阶段，即建造阶段、使用阶段和老化阶段。据调查，结构在全寿命过程中平均失效率高的是建造阶段和老化阶段，也是当前结构可靠性领域研究较少的阶段。实际上，任何结构的兴建都是为了使用，也就是使在役结构完成其预定的功能，而结构的功能能否实现主要取决于它在整个服役过程中

2、的表现，所以不仅需要继续提高结构可靠性设计水平，目前更现实、更迫切的任务是研究在役结构的可靠性评定理论。尽管土木、水利工程结构是一个传统的学科，但在开展系统得基础性研究方面还不能令人满意。我国结构设计规范取定的安全度标准是世界上是偏低的。由于长期以来片面强调节约原材料，而忽视了耐久性，很多在役结构缺乏科学管理，任意增加结构荷载，改变结构功能，破坏了结构的正常使用状态。据有关资料和专家预测，我国现有建筑结构至少有 50%在 2000 年以前因安全性和耐久性过低而面临退役的威胁 。50 年代和 60 年代建造的大量水坝也已进入老化阶段。美国联邦公路管理局2,1（FHWA）的资料表明，美国的 1.3

3、58105座桥有结构性缺陷 。从当前我国的宏观经济4,3发展来看，一方面需要建造愈来愈多的新结构，另一方面国家资金有限，必须充分利用已有的结构，以结构可靠度为控制参数，对其进行评定，确认是维修还是拆除。因此，研究在役结构的可靠度评定理论和方法不仅有重要的科学价值，而且有广泛的工程应用前景和重大社会效益和经济效益。1.2 国内外发展状况可 靠 度 的 研 究 早 在 20 世 纪 30 年 代 就 开 始 ， 当 时 主 要 是 围 绕 飞 机 失 效 进 行 研 究 。可 靠 度 在 结 构 设 计 中 的 应 用 大 概 从 20 世 纪 40 年 代 开 始 。 1946 年 ， 弗 罗

4、伊 詹 特（ A.M.Freudenthal） 发 表 题 为 结 构 的 安 全 度 的 论 文 ， 开 始 较 为 集 中 地 讨 论 这 个 问题 。 同 期 ， 苏 联 的 尔 然 尼 钦 提 出 了 一 次 二 阶 矩 理 论 的 基 本 概 念 和 计 算 结 构 失 效 概 率 的 方法 及 对 应 的 可 靠 指 标 公 式 。 美 国 柯 涅 尔 （ C.A.Cornell） 在 尔 然 尼 钦 工 作 的 基 础 上 ，于 1969 年 提 出 了 与 结 构 失 效 概 率 相 联 系 的 可 靠 指 标 作 为 衡 量 结 构 安 全 度 的 一 种 统一 数 量 指

5、标 ， 并 建 立 了 结 构 安 全 度 的 二 阶 矩 模 式 。 1971 年 加 拿 大 的 林 德（ N.C.Lind） 对 这 种 模 式 采 用 分 离 函 数 方 式 ， 将 可 靠 指 标 表 达 成 设 计 人 员 习 惯 采用 的 分 项 系 数 形 式 。 这 些 进 程 都 加 速 了 结 构 可 靠 度 方 法 的 实 用 化 。 美 国 伊 利 诺 斯 大 学洪 华 生 （ A.H.S.Ang） 对 各 种 结 构 不 定 性 作 了 分 析 ， 提 出 了 广 义 可 靠 度 概 率 法 。 他 同 邓汉 忠 （ W.H.Tang） 合 写 的 工 程 规 划

6、和 设 计 中 的 概 率 概 念 一 书 在 世 界 上 已 广 为 应 用 。河北大学工商学院 2008 届本科生毕业论文（设计）21976 年 ， 国 际 “结 构 安 全 度 联 合 委 员 会 ”(JCSS)， 采 用 拉 克 维 茨 （ Rackwitz） 和 菲 斯莱 （ Fiessler） 等 人 提 出 的 通 过 “当 量 正 态 ”的 方 法 以 考 虑 随 机 变 量 实 际 分 布 的 二 阶矩 模 式 。 这 对 提 高 二 阶 矩 模 式 的 精 度 意 义 极 大 。 至 此 ， 二 阶 矩 模 式 的 结 构 可 靠 度 表 达 式与 设 计 方 法 开 始

7、进 入 实 用 阶 段 2。我 国 的 结 构 可 靠 度 研 究 始 于 上 世 纪 50 年 代 ， 1970 年 代 ， 我 国 工 业 与 民 用 建 筑 、公 路 桥 梁 、 水 利 水 电 工 程 以 及 港 口 工 程 等 设 计 规 范 已 经 开 始 涉 及 所 谓 “可 靠 度 ”的 概念 ， 1980 年 代 ， 在 结 构 可 靠 度 的 基 本 理 论 和 设 计 方 法 方 面 进 行 了 大 量 的 研 究 工 作 。 1984 年 ， 我 国 颁 布 了 建 筑 结 构 统 一 标 准 （ GBJ68-84） , 这 标 志 着 我 国 建 筑 设 计 理论 与

8、 设 计 规 范 进 入 了 一 个 新 的 阶 段 ， 即 采 用 以 概 率 理 论 为 基 础 的 极 限 状 态 设 计 方 法 的 阶段 。 全 国 结 构 可 靠 度 委 员 会 自 1987 年 起 ， 每 两 年 组 织 召 开 一 次 全 国 性 的 学 术 会 议 ， 实际 上 ， 在 此 后 的 若 干 年 间 ， 一 直 在 酝 酿 着 一 部 新 规 范 的 诞 生 。 由 建 设 部 会 同 有 关 部 门 共同 修 订 的 建 筑 结 构 可 靠 度 设 计 统 一 标 准 （ GB50068 2002） 和 建 筑 结 构 荷 载 规范 （ GB5009 200

9、1） 终 于 经 建 设 部 批 准 并 分 别 于 2002 年 3 月 1 日 起 实 行 ， 同 时 进行 修 订 的 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 (GB 50010-2002)， 在 结 构 可 靠 度 、 设 计 计 算 、 配 筋构 造 等 方 面 均 有 一 系 列 的 重 大 更 新 和 补 充 ， 经 过 专 家 审 查 、 专 题 论 证 、 试 设 计 、 两 次 征求 全 国 有 关 单 位 意 见 ， 提 高 了 规 范 的 科 学 合 理 性 与 先 进 性 ， 进 一 步 适 应 了 现 代 建 筑 混 凝土 结 构 设 计 的 需 要 。 因 此 ， 从

10、 上 世 纪 80 至 90 年 代 末 ， 我 国 广 大 结 构 工 程 设 计 人 员 、有 关 技 术 人 员 以 及 大 专 院 校 师 生 就 不 断 地 面 临 着 一 个 熟 悉 新 规 范 、 掌 握 新 规 范 和 贯 彻 实施 新 规 范 的 任 务 。1.3 课题研究目标、内容本课题系统地总结了当前有关结构可靠度分析方法的一些理论成果，概述了结构可靠度理论的发展历史、理论的基本概念和几种基本的结构可靠度分析方法，并对当前一些前沿的分析方法做了扼要的论述。在役结构可靠度评估中，荷载估计的准确程度将直接影响可靠度评定的最终结果。然而，目前在世纪工程中仍然按照结构设计的荷载规

11、范来确定在役结构的荷载值，这对于自身有着不同特点的在役结构来说是不合理的。本文基于文献 提出的荷载分析方法，对在役结构的荷载的取值进行了深讨。论文主要内容6,5分三部分：第一部分介绍了可靠度理论的基本概念；第二部分介绍了几种基本的结构可靠度分析方法：随机变量相互独立时的一次二阶矩方法，即中心点法、JC法、映射变换法和实用分析法，为本文的重点。第三部分介绍了在役结构荷载的统计分析，结构上的荷载按其随时间的变异分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载,本文分析了它们具有的不同特点并分别给出了荷载估计方法。二 结构可靠度基本理论河北大学工商学院 2008 届本科生毕业论文（设计）32.1 结构可靠度概述结构

12、可靠性是用可靠度来度量的，结构可靠度定义为在规定时间内和规定条件下，结构完成预定功能的概率，表示为 。相反，如果结构不能完成预定功能，称相应的概sp率为结构失效的概率，表示为 。结构的可靠与失效为两个互不相容的事件，因此，结f构的可靠概率 与失效概率 是互补的，即：spf1sfp（2.1）在结构可靠度分析中，结构的极限状态一般由功能函数描述。当有 n 个随机变量影响结构的可靠度时，结构的功能函数为：),(21nxgZL（2.2）式中： 是结构上的作用效应、结构构件的性能等基本变量。(1,2)ixnL当 时，结构处于可靠状态； 时，结构达到极限状态； 时，结构处于失效0Z0Z0Z状态。其中方程)

13、,(21nxgL（2.3）成为结构的极限状态方程 3。构件功能函数出现小于零（Z0 时，结构处于可靠状态；Z0)即结构的fP可靠度 。用公式表示为rPdZmZZf 0 2)(1exp2)( （2.8）201()exp()2Zr ZPd（2.9）由概率论知： ，即失效概率和可靠度是互补关系。1fr2.2 结构的极限状态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，称为结构的可靠度。这里规定的时间，指的是结构的设计基准期；规定的条件指的是设计预先确定的结构各种施工和使用条件。完成各项功能的标志则由极限状态来衡量。结构整体或部分在超过河北大学工商学院 2008 届本科生毕业论文（设计）5某

14、状态时，结构就不能满足设计规定的某一功能的要求的这种状态，称为结构的极限状态。极限状态是区分结构工作状态为可靠与不可靠的标志。结构的极限状态一般可分为如下三类：一、承载能力极限状态。这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力，或达到不适于继续承载的变形。当出现了下列状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：1.整个结构或某一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等） ；2.结构构件或连接处因超过材料强度而破坏（包括疲劳破坏） ；或因很大塑性变形而不适于继续承载；3.结构变为机构；4.结构或结构构件丧失稳定（如压屈等） 。二、正常使用极限状态。这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用和耐久性的某项规

15、定限值。当出现了下列状态之一时，即认为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损坏（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。三、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。国际上通常采用前两类极限状态。一般情况下，一个结构或构件的设计需同时考虑承载能力极限状态和正常使用极限状态。河北大学工商学院 2008 届本科生毕业论文（设计）6三 结构可靠度分析方法在 20 世纪 50 年代中期，统计数学应用到了工程设计。在设计中开始考虑荷载及抗力的一阶矩以及二

16、阶矩等简单统计特征，产生了所谓半概率法（即水准法） 。由于半概率法没有很好地考虑荷载及抗力的变异性与破坏概率的联系，安全系数仍需由经验取定，特别是半概率法将荷载和抗力分开来进行概率处理，低估了结构的失效概率。为了准确地对结构进行概率分析，直接用概率密度函数计算失效概率来度量结构可靠度，此即全概率法（即水准法） 。这需要对各种基本变量分别采用随机变量或随机过程的概率模型来描述。目前，除某些重要结构外，由于对荷载及抗力的信息不足，很难普遍应用于设计实践。基于此，在 20 世纪 70 年代中期发展了比较理想而又可资应用的近似概率法（即水准法） 。近似概率法计算失效概率的公式建立在随机变量的一阶矩和二阶矩基础上，在计算时将非线性的状态方程线性化，故也称为一次二阶矩法。一次二阶矩方法没有考虑极限状态曲面的凹凸性，当极限状态方程的非线性程度较高时，误差可能较大。对于结构功能函数在验算点附近的非线性