荷载与结构设计方法：第一章 绪论

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1、结构可靠度结构可靠度结构结构可靠度可靠度的地位和作用的地位和作用l力学知识和工程结构知识联系的纽带，力学知识和工程结构知识联系的纽带，是一门专业基础课。是一门专业基础课。l结构健康监测可靠度安全评定的理论基结构健康监测可靠度安全评定的理论基础础l结构工程质量检测可靠度安全评定的理结构工程质量检测可靠度安全评定的理论基础论基础元件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性元件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性 o所有承载结构，如航空航天器、建筑物、桥梁和海洋平台等都所有承载结构，如航空航天器、建筑物、桥梁和海洋平台等都会由于地震

2、、火灾、飓风等自然灾害或长期作用的疲劳、腐蚀会由于地震、火灾、飓风等自然灾害或长期作用的疲劳、腐蚀等原因而产生不同程度的损伤。等原因而产生不同程度的损伤。结构的健康监测结构的健康监测是指利用现场是指利用现场的传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达的传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或劣化的目的；健康监测实现了最小人工干预到检测结构损伤或劣化的目的；健康监测实现了最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测，根据结构的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测，根据结构同一位置上不同时间的测量结果变化来识别结构的状态，其识同一位置上不同时

3、间的测量结果变化来识别结构的状态，其识别精度依赖于传感器和解释算法；基于此优势，健康监测有可别精度依赖于传感器和解释算法；基于此优势，健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测转变为在线、能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测转变为在线、动态、实时的监测与控制，从而导致工程结构安全监控、减灾动态、实时的监测与控制，从而导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。结构健康监测是近年迅速发展的一项应防灾领域的一场革命。结构健康监测是近年迅速发展的一项应用技术，涉及结构的连续监测、检查以及损伤探测，最终目的用技术，涉及结构的连续监测、检查以及损伤探测，最终目的是是增加结构的可靠

4、性和安全性，降低结构维修的成本增加结构的可靠性和安全性，降低结构维修的成本。 o结构检测结构检测是在主体结构质量验收前，相应分项工程监理（建设）、施工单位验收合格后，在设计、监理（建设）、施工单位共同参与见证下由检测机构对影响结构主体质量的主要项目进行的验证性现场检测。 结构检测的范围应为涉及结构安全的柱、墙、梁等结构构件的重要部位。结构检测报告是主体结构质量评定和验收的主要依据。 结构可靠度结构可靠度第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论第二章第二章第二章第二章 概率论基础与结构可靠度基本理论概率论基础与结构可靠度基本理论概率论基础与结构可靠度基本理论概率论基础与结构可靠度基本理论第三章

5、第三章第三章第三章 结构构件可靠度的计算方法结构构件可靠度的计算方法结构构件可靠度的计算方法结构构件可靠度的计算方法第四章第四章第四章第四章 结构体系可靠度结构体系可靠度结构体系可靠度结构体系可靠度第五章第五章第五章第五章 结构荷载的随机模型结构荷载的随机模型结构荷载的随机模型结构荷载的随机模型第六章第六章第六章第六章 结构构件抗力的随机模型结构构件抗力的随机模型结构构件抗力的随机模型结构构件抗力的随机模型第七章第七章第七章第七章 结构的荷载抗力系数设计法结构的荷载抗力系数设计法结构的荷载抗力系数设计法结构的荷载抗力系数设计法推荐参考书推荐参考书l欧进萍，段忠东欧进萍，段忠东. . 结构可靠度

6、荷载抗力系数设结构可靠度荷载抗力系数设计法。校内讲义。计法。校内讲义。l李继华李继华, 林忠民等林忠民等. 建筑结构概率极限状态设计建筑结构概率极限状态设计. 中国建筑工业出版社中国建筑工业出版社, 1990 l赵国藩赵国藩. .工程结构可靠性理论与应用工程结构可靠性理论与应用. 大连理工大大连理工大学出版社学出版社,1996 l李国强李国强. 工程结构荷载与可靠度设计原理工程结构荷载与可靠度设计原理. 中国建中国建筑工业出版社筑工业出版社, 1999lAndrzej S.Nowak Kevin R.Collins. Andrzej S.Nowak Kevin R.Collins. Relia

7、bility of Structures Reliability of Structures l工程中的不确定性工程中的不确定性l结构可靠度发展概况结构可靠度发展概况l结构设计的目标和任务结构设计的目标和任务l结构设计方法的演变结构设计方法的演变第一章第一章 概概 述述1. 1 工程中的不确定性工程中的不确定性第一章第一章 概概 述述1. 1 工程中的不确定性工程中的不确定性1. 1. 工程中的不确定性信息主要有三类工程中的不确定性信息主要有三类l随机信息：客观不可控因素随机信息：客观不可控因素 概率理论概率理论, ,随机过程理论，数理统计等随机过程理论，数理统计等l不准确或不完整的信息不准确

8、或不完整的信息: : 对自然现象认识不足或无能对自然现象认识不足或无能 凸集理论，证据理论等。凸集理论，证据理论等。l模糊信息：主观描述和表达模糊信息：主观描述和表达 模糊数学等；模糊数学等；1. 1 工程中的不确定性工程中的不确定性l客观不确定性客观不确定性 随机信息随机信息l主观不确定性主观不确定性 模糊信息，不准确或不完整信息模糊信息，不准确或不完整信息 如：材料的破坏、地震的机理等如：材料的破坏、地震的机理等2. 2. 不确定性信息可分为：不确定性信息可分为：3. 3. 按照产生的原因，不确定性可归为：按照产生的原因，不确定性可归为：l自然因素自然因素 荷载如风、地震、雪、冰荷载等；荷

9、载如风、地震、雪、冰荷载等；l人为因素人为因素 制造、加工、施工误差等制造、加工、施工误差等4. 4. 本课程主要的研究土木工程中的随机性可以归为：本课程主要的研究土木工程中的随机性可以归为：l物理性质的不确定性物理性质的不确定性 荷载和抗力的内在随机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如：风、地震、雪、冰荷载以及材料性能等1. 1 工程中的不确定性工程中的不确定性l统计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由于样本容量有限带来的统计模型和统计参数的随机性型和统计参数的随机性l计算模型的不确定性计算模型的不确定性 各种假设、简化和模型化引各种假设、简

10、化和模型化引起的随机性起的随机性 l结构的设计、施工和使用过程中存在大量的随机不确定结构的设计、施工和使用过程中存在大量的随机不确定性因素；性因素；5. 5. 总总 结结1. 1 工程中的不确定性工程中的不确定性l荷载及结构的抗力不是确定性的量，它们是随机变量，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！因此绝对可靠的结构设计是不存在的！l由于结构的荷载和抗力存在随机不确定性，所以采用结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。构可靠度理论研究结构的可靠性问题。1. 2 结构可靠度发展概况结构可靠度发展概况第一章第一

11、章 概概 述述1.2 结构可靠度发展概况结构可靠度发展概况 1.2.1 1.2.1 国外结构可靠度发展状况国外结构可靠度发展状况l1947年，年，Freudenthal在历史上首次提出在历史上首次提出“结构的安全性结构的安全性”问题。问题。1956年，第一次明确提出结构的年，第一次明确提出结构的失效概率失效概率和和可靠指标可靠指标的概念。的概念。l1969年，年，Cornell在历史上第一个明确给出可靠指标的计算公式；至在历史上第一个明确给出可靠指标的计算公式；至1974年，与年，与Ang A. H.-S.（洪华生）建立了均值一次二阶矩方法的基（洪华生）建立了均值一次二阶矩方法的基本理论，并将

12、其应用于结构设计中。本理论，并将其应用于结构设计中。l1983年，年，Shinozuka首次将设计点的确定表达为约束优化问题，并首次将设计点的确定表达为约束优化问题，并证明设计点是证明设计点是“最可失效点最可失效点”；同时，第一次将；同时，第一次将“重要抽样法重要抽样法”引入引入结构可靠度的数值模拟分析。结构可靠度的数值模拟分析。l 1983年，年，Hohenbichler和和Rackwitz第一次提出了结构体系可靠度第一次提出了结构体系可靠度的的FORM近似。近似。l1989年，意大利女学者年，意大利女学者Faravelli首次提出结构可靠度分析的响应面首次提出结构可靠度分析的响应面法。法。

13、 1.2 结构可靠度发展概况结构可靠度发展概况l同济大学：高大钊教授，在岩土工程可靠度方面；李杰教授，同济大学：高大钊教授，在岩土工程可靠度方面；李杰教授，在随机结构可靠度、结构动力可靠度、生命线工程抗震可靠度等在随机结构可靠度、结构动力可靠度、生命线工程抗震可靠度等方面；李国强教授在钢结构体系可靠度方面。方面；李国强教授在钢结构体系可靠度方面。l大连理工大学：赵国藩院士，在结构可靠度理论及应用的各方大连理工大学：赵国藩院士，在结构可靠度理论及应用的各方面；程耿东院士，在基于可靠度的结构优化设计方面。面；程耿东院士，在基于可靠度的结构优化设计方面。l 哈尔滨工业大学：王光远院士，欧进萍院士，在

14、结构动力可靠哈尔滨工业大学：王光远院士，欧进萍院士，在结构动力可靠度、结构广义可靠度、结构安全评定与健康监测等方面，吕大刚度、结构广义可靠度、结构安全评定与健康监测等方面，吕大刚教授在结构抗震可靠度方面，段忠东教授在海洋工程可靠度方面。教授在结构抗震可靠度方面，段忠东教授在海洋工程可靠度方面。1.2.2 1.2.2 国内结构可靠度发展状况国内结构可靠度发展状况l清华大学：陈肇元院士、刘西拉教授，在结构安全性基本问题清华大学：陈肇元院士、刘西拉教授，在结构安全性基本问题和混凝土结构耐久性方面；秦权教授，在随机有限元方面；董聪和混凝土结构耐久性方面；秦权教授，在随机有限元方面；董聪教授，结构系统可

15、靠度方面。教授，结构系统可靠度方面。1.2 结构可靠度发展概况结构可靠度发展概况l重庆大学：李继华教授，在结构可靠性数学方面；戴国欣在钢重庆大学：李继华教授，在结构可靠性数学方面；戴国欣在钢结构可靠度方面。结构可靠度方面。l武汉理工大学：李桂青教授，在结构动力可靠度、结构时变可武汉理工大学：李桂青教授，在结构动力可靠度、结构时变可靠度等方面。靠度等方面。l建设部标准定额研究所：邵卓民研究员，在建筑结构概率极限建设部标准定额研究所：邵卓民研究员，在建筑结构概率极限状态设计方面。状态设计方面。l浙江大学：金伟良教授，在结构可靠度数值模拟、混凝土结构浙江大学：金伟良教授，在结构可靠度数值模拟、混凝土

16、结构耐久性等方面；朱位秋院士在非线性随机结构动力学与可靠性方耐久性等方面；朱位秋院士在非线性随机结构动力学与可靠性方面。面。l河海大学：吴世伟教授（已故），刘宁教授，在随机有限元、河海大学：吴世伟教授（已故），刘宁教授，在随机有限元、水工结构可靠度等方面。水工结构可靠度等方面。l西安建筑科技大学：牛荻涛教授，在结构动力可靠度、混凝土西安建筑科技大学：牛荻涛教授，在结构动力可靠度、混凝土结构耐久性方面。结构耐久性方面。1.2 结构可靠度发展概况结构可靠度发展概况1. 结构构件可靠度结构构件可靠度l一次二阶矩法一次二阶矩法 均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法，均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法

17、，JC法等。法等。l 高次高阶矩法高次高阶矩法 二次二阶矩法、二次四阶矩法。二次二阶矩法、二次四阶矩法。l 响应面法响应面法 多项式响应面法、神经网络响应面法、支持向量机响应面法等。多项式响应面法、神经网络响应面法、支持向量机响应面法等。l 蒙特卡罗法蒙特卡罗法 常规随机抽样法、重要性随机抽样法，分层随机抽样法等。常规随机抽样法、重要性随机抽样法，分层随机抽样法等。l随机有限元法随机有限元法 Taylor展开随机有限元法、摄动随机有限元法、展开随机有限元法、摄动随机有限元法、Neumann随随 机有限元法机有限元法 等。等。1.2.3 1.2.3 结构可靠度计算方法发展概况结构可靠度计算方法发

18、展概况1.2 结构可靠度发展概况结构可靠度发展概况2. 结构体系可靠度结构体系可靠度l 失效模式法失效模式法:失效模式分析（失效模式分析（Failure Modes Analysis，FMA)l 响应面法响应面法:响应面分析也是一种最优化方法，它是将体系的响应作为一个或响应面分析也是一种最优化方法，它是将体系的响应作为一个或多个因素的函数，运用图形技术将这种函数关系显示出来，以供我们凭借直觉的多个因素的函数，运用图形技术将这种函数关系显示出来，以供我们凭借直觉的观察来选择试验设计中的最优化条件观察来选择试验设计中的最优化条件 l 蒙特卡罗法蒙特卡罗法:蒙特卡洛蒙特卡洛(Monte Carlo)

19、方法，或称计算机随机模拟方法，方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于是一种基于“随机数随机数”的计算方法。这一方法源于美国在第一次世界大战进研制的计算方法。这一方法源于美国在第一次世界大战进研制原子弹的原子弹的“曼哈顿计划曼哈顿计划”。 l 半解析法半解析法:1. 3 结构设计的目标和任务结构设计的目标和任务第一章第一章 概概 述述1.3 结构设计的目标和任务结构设计的目标和任务1. 1. 目标目标: : 以最经济的途径达到所期望的功能要求以最经济的途径达到所期望的功能要求l 能承受正常施工和使用期间可能出现的各种能承受正常施工和使用期间可能出现的各种作用作用； 安全性安全性l 在正常使用时

20、具有良好的工作性能；在正常使用时具有良好的工作性能； 适用性适用性l 在正常维护下具有足够的耐久性；在正常维护下具有足够的耐久性； 耐久性耐久性l 遭受偶然作用时，能保持必要的整体稳定性。遭受偶然作用时，能保持必要的整体稳定性。 安全性安全性 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：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结构的安全性、适用性和耐久性构成结构可靠性1.3 结构设计的目标和任务结构设计的目标和任务2. 2. 结构设计的两个基本步骤：结构设计的两个基本步骤：l 结构的方案设计结构的方案

21、设计 在满足结构预定功能的条件下，选择合理的结构型式。在满足结构预定功能的条件下，选择合理的结构型式。l 结构的详细设计结构的详细设计 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）。计算（结构构件截面尺寸和材料用量）。1.3 结构设计的目标和任务结构设计的目标和任务3. 结构设计的任务：结构设计的任务：l 各种自然和人为作用及其作用效应的特性和规律的认识；各种自然和人为作用及其作用效应的特性和规律的认识；荷载及其荷载效应荷载及其荷载效应设计理论设计理论就是在结构荷载效应和抗力之间进行合就是在结构荷载效应和抗力

22、之间进行合理平衡的方法理平衡的方法。l结构抵抗各种自然和人为作用的能力的把握；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及构件抗力l结构的作用和抗力之间的合理平衡结构的作用和抗力之间的合理平衡 设计理论方法设计理论方法1. 4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变第一章第一章 概概 述述1. 1. 容许应力设计法容许应力设计法 （WSD)WSD) 设计表达式：设计表达式： 其中，其中， ， 是材料的弹性极限强度。是材料的弹性极限强度。 称为安全系数，称为安全系数， 延性材料：延性材料：1.41.41.61.6，脆性材料：，脆性材料：2.52.53.03.0。1.4 结构设计方

23、法的演变结构设计方法的演变l 在近代力学理论和试验方法建立之前，依靠模仿、比较、直在近代力学理论和试验方法建立之前，依靠模仿、比较、直觉的觉的“设计设计”，直到，直到1717世纪；世纪；特点特点 所有不确定因素（包括荷载和抗力）用一个所有不确定因素（包括荷载和抗力）用一个 系数考虑；系数考虑； 安全系数凭经验确定；安全系数凭经验确定； 材料极限强度没有统一的准则。材料极限强度没有统一的准则。 不能考虑材料的塑性能力。不能考虑材料的塑性能力。1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变2. 2. 破损阶段设计法破损阶段设计法 (DFD)(DFD) 设计表达式：设计表达式： 其中，其中， 为结构破

24、损状态时的承载力为结构破损状态时的承载力 为设计标准荷载引起的内力为设计标准荷载引起的内力( (荷载效应荷载效应) ) 为安全系数，约为为安全系数，约为2.02.0特点特点 所有不确定因素（包括荷载和抗力）用一个所有不确定因素（包括荷载和抗力）用一个 系数考虑；系数考虑； 安全系数凭经验确定；安全系数凭经验确定； 考虑了材料的塑性。考虑了材料的塑性。与容许应力设计法的不同：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。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

25、构设表达的物理意义：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。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。包含容许应力设计法考虑的内容，还包括截面塑性发展。1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变3. 3. 多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法 (MFLSD)(MFLSD) 结构的极限状态的定义：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

26、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：结构的极限状态分类： 承载能力极限状态承载能力极限状态:对应于结构或构件达到最大承载能力对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形或不适于继续承载的变形 正常使用极限状态：正常使用极限状态：对应于结构或构件达到正常使用或对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限制耐久性能的某项规定限制1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变 设计表达式：设计表达式： 其中，其中， 和和 为恒荷载效应和活荷载效应标准值为恒荷载效应和活荷

27、载效应标准值 和和 为恒荷载系数和活荷载系数为恒荷载系数和活荷载系数 是抗力，是抗力， 是抗力系数是抗力系数 是材料强度标准值，是材料强度标准值， 是相应的分项系数。是相应的分项系数。单一安全系数设计表达式：单一安全系数设计表达式： 为荷载系数，为荷载系数， 为构件强度系数；为构件强度系数； 为考虑结构重为考虑结构重要性的安全系数，一般取要性的安全系数，一般取1.0。，称基本安全系数，取，称基本安全系数，取1.41(A31.41(A3钢钢) )或或1.45(16Mn)1.45(16Mn) 取取1.40(1.40(受弯受弯) )或或1.55(1.55(受压受压) )。3. 3. 多系数极限状态设

28、计法多系数极限状态设计法 (MFLSD)(MFLSD)1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变l 分不同极限状态进行设计：承载能力极限状态，正常使用极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，耐久性性极限状态限状态，耐久性性极限状态l 荷载标准值采用统计方法，对调查数据统计，并按一定保证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；率确定；l 荷载和抗力系数按照确定的目标概率标定，因此，设计的结荷载和抗力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。构具有明确的可靠概率。概率极限状态设计概率极限状态设计特点：特点：采用多系数的表达形式采用多

29、系数的表达形式1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变Level 1: Level 1: 确定性设计表达式半经验半概率系数，确定性设计表达式半经验半概率系数， (MFLSD)(MFLSD)；Level 2: Level 2: 近似概率设计方法近似概率设计方法 如：确定性设计表达式可靠度方法校准的系数，如：确定性设计表达式可靠度方法校准的系数，(LRFD)(LRFD)Level 3: Level 3: 完全概率设计方法；完全概率设计方法；Level 4: Level 4: 以总造价（期望）为目标的优化方法。以总造价（期望）为目标的优化方法。结构可靠度设计方法（规范）的概率水平结构可靠度设计方

30、法（规范）的概率水平l 明确了按不同极限状态进行设计：承载能力极限状态，正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；常使用极限状态；1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变l 对不同荷载、影响抗力的不同因素采用不同系数；对不同荷载、影响抗力的不同因素采用不同系数；l 部分荷载和材料强度的确定采用了统计的方法，对调查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。据统计分析确定的。l荷载和抗力抗力系数仍然是经验系数，对确定的极限状态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。没有明确的保证概率。特点：特点：1.4 结构设计方法的演变结构设计方法的演变4. 4. 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法l 20 20世纪世纪7070年，以概率论为基础的可靠度理论趋于成熟；年，以概率论为基础的可靠度理论趋于成熟；l 发展了基于构件可靠度设计的荷载抗力系数设计方法；发展了基于构件可靠度设计的荷载抗力系数设计方法；l 各个国家、不同行业的设计规范逐步向各个国家、不同行业的设计规范逐步向LRFDLRFD设计方法过渡；设计方法过渡；l 在特别重要的重大工程结构设计中采用全概率设计法。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 4.1 结构可靠度设计方法发展概况结构可靠度设计方法发展概况第一章第一章 结束结束