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1、第七章第七章 结构的荷载抗结构的荷载抗力系数设计法力系数设计法第七章 结构的荷载抗力系数设计法7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法7.1 基于可靠度理论的结构设计规范基于可靠度理论的结构设计规范主要内容主要内容7.3 全概率直接可靠度设计法全概率直接可靠度设计法7.1 基于可靠度理论的结构设计规范基于可靠度理论的结构设计规范第七章第七章 结构的荷载抗力系数设计法结构的荷载抗力系数设计法7.1 基于可靠度理论的结构设计规范基于可靠度理论的结构设计规范11 7.1.1 规范的作用规范的作用 建筑结构的建造过程包括：设计，构件制造，运输，建筑结构的建造过程包括：设计，构件制造，运输， 建建造
2、，验收，使用，维修，撤除。造，验收，使用，维修，撤除。 设计规范的作用是保证建造结构满足社会可接收的安全水平。设计规范的作用是保证建造结构满足社会可接收的安全水平。 它是设计，建造，承包和投资人沟通交流的依据。它是设计，建造，承包和投资人沟通交流的依据。投资人投资人设计人设计人承包人承包人建造人建造人规规范范7.1 基于可靠度理论的结构设计规范基于可靠度理论的结构设计规范2 7.1.2 基于可靠度理论的设计规范基于可靠度理论的设计规范General Principles on Reliability for Structures (ISO2394: 1998)1. 国际标准国际标准2. 中国规
3、范中国规范建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准 (GB50153 92)7.1 基于可靠度理论的结构设计规范基于可靠度理论的结构设计规范31. 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准 (GB50068 2001)2. 公路结构可靠度设计统一标准公路结构可靠度设计统一标准 (GB/T50283 1999)3. 铁路结构可靠度设计统一标准铁路结构可靠度设计统一标准 (GB50216 94)4. 水工结构可靠度设计统一标准水工结构可靠度设计统一标准 (GB50119 94)5. 港口结构可靠度设计统一标准港口结构可靠度设计统一标准 (GB50158 92)7.1 基于可
4、靠度理论的结构设计规范基于可靠度理论的结构设计规范2 7.1.3 规范的设计水平规范的设计水平 水平水平 : 基于经验的确定性设计规范基于经验的确定性设计规范 水平水平 : 近似概率极限状态设计法（荷载抗力系数设计法）近似概率极限状态设计法（荷载抗力系数设计法） 水平水平 : 全概率直接可靠度设计方法全概率直接可靠度设计方法 水平水平 : 全寿命设计方法。全寿命设计方法。7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法第七章第七章 结构的荷载抗力系数设计法结构的荷载抗力系数设计法7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法1 7.2.1 结构设计的目标结构设计的目标式中式中,和目标可靠指标和目标可
5、靠指标。, , 分别是分别是目标目标 安全概率安全概率, 目标失效概率，目标失效概率， (1) (2) (3) 第三个公式是工程中常用的公式第三个公式是工程中常用的公式 。7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法2 7.2.2 目标可靠指标目标可靠指标结构可靠结构可靠 最佳平衡点最佳平衡点 经济经济l确定确定 考虑的因素：考虑的因素： 公众心理公众心理 =2.5-4.0。 结构很安全结构很安全5 10-5结构安全结构安全5 10-4结构较安全结构较安全5 10-3公众心里公众心里50年基准期失效率年基准期失效率工程结构在设计基准期内公众能接受的失效概率工程结构在设计基准期内公众能接受的失效
6、概率7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法3 社会经济承受力社会经济承受力-经济越发达，经济越发达， 越高。越高。 结构重要性结构重要性 结构破坏性质结构破坏性质-脆性结构的脆性结构的 应高于延性结构的应高于延性结构的 延性破坏延性破坏-结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆。结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆。 脆性破坏脆性破坏-结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆。结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆。次要的房屋次要的房屋不严重不严重三级三级一般的房屋一般的房屋严重严重二级二级重要的房屋重要的房屋很严重很严重一级一级建筑物类型建筑物类型破坏后果破坏后果安全等级安全等级建筑结构
7、安全等级划分建筑结构安全等级划分7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法4 承认传统设计结构所具有可靠度的合理性，通过计算得承认传统设计结构所具有可靠度的合理性，通过计算得出传统设计结构的可靠度水平，以该可靠度水平作为参考目出传统设计结构的可靠度水平，以该可靠度水平作为参考目标可靠水平，标可靠水平，考虑使用经验和经济因素等确定目标可靠水平。考虑使用经验和经济因素等确定目标可靠水平。l校准法确定目标可靠指标的计算步骤（单一系数确定性设校准法确定目标可靠指标的计算步骤（单一系数确定性设 计法）计法） （1）明确设计表达式，由此确定简单荷载组合情况功）明确设计表达式，由此确定简单荷载组合情况功能
8、函数，明确各荷载、抗力的统计参数（均值系数能函数，明确各荷载、抗力的统计参数（均值系数 和变异系数和变异系数 ），活荷载效应与恒荷载效应比），活荷载效应与恒荷载效应比 。l校准法校准法7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法5 （3）根据荷载、抗力标准值和其统计参数，确定其相应的）根据荷载、抗力标准值和其统计参数，确定其相应的荷载效应和抗力的均值和标准值。荷载效应和抗力的均值和标准值。 （4）根据功能函数和荷载效应和抗力的均值和标准值，采）根据功能函数和荷载效应和抗力的均值和标准值，采用验算点法确定结构可靠指标。用验算点法确定结构可靠指标。 （2）假定活荷载效应标准值）假定活荷载效应标准值
9、 ，由荷载效应比确定恒荷，由荷载效应比确定恒荷载效应标准值载效应标准值 ，由设计表达式确定抗力标准值，由设计表达式确定抗力标准值 。 （5）对不同荷载效应比的结构可靠指标求均值，得到最终）对不同荷载效应比的结构可靠指标求均值，得到最终的结果的结果。7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法6 已知一钢筋混凝土轴心受压构件在恒荷载已知一钢筋混凝土轴心受压构件在恒荷载 FG 和楼面活荷载和楼面活荷载 FL作用下，其对应荷载效应分别为作用下，其对应荷载效应分别为 SG和和 SL。该构件按中国该构件按中国TJ9-74规范设计，假定活荷载与恒荷载效应比为规范设计，假定活荷载与恒荷载效应比为 ，试标定该
10、构件所具有的可靠指标。试标定该构件所具有的可靠指标。已知荷载和抗力的统计参数分别为已知荷载和抗力的统计参数分别为:服从对数正态分布服从对数正态分布服从正态分布服从正态分布服从极值服从极值 I型分布型分布 l例例 7.1 中国中国TJ9-74规范关于钢筋混凝土轴心受压构件的安全系数为规范关于钢筋混凝土轴心受压构件的安全系数为7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法7解：解： (1) 确定结构极限状态对应的功能函数确定结构极限状态对应的功能函数(2) 假定楼面活荷载标准值，并确定恒荷载和抗力标准值假定楼面活荷载标准值，并确定恒荷载和抗力标准值7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法8(4)
11、 用用JC法计算构件的可靠指标法计算构件的可靠指标(3) 确定个随机变量的的均值和标准差确定个随机变量的的均值和标准差l作业作业 对于例对于例7.1，荷载效应比为，荷载效应比为 时，试标定结构的可靠指标。时，试标定结构的可靠指标。7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法9结构构件承载力极限状态的可靠指标结构构件承载力极限状态的可靠指标 （GB50068-2001） l中国建筑结构构件目标可靠度水平中国建筑结构构件目标可靠度水平7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法10式中式中,为荷载效应均值；为荷载效应均值；为结构抗力均值；为结构抗力均值；为中心安全系数。为中心安全系数。 7.2.3
12、 单一系数设计表达式单一系数设计表达式 基于随机变量均值单一系数设计表达式基于随机变量均值单一系数设计表达式:R 和和 S 服从正态分布情况服从正态分布情况R 和和 S 服从对数正态分布情况服从对数正态分布情况7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法11式中式中,是荷载效应的标准值；是荷载效应的标准值；是结构抗力的标准值；是结构抗力的标准值；是特征安全系数。是特征安全系数。基于随机变量标准值的单一系数设计表达式基于随机变量标准值的单一系数设计表达式7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法12荷载效应均值、标准值和乘系数值的关系荷载效应均值、标准值和乘系数值的关系, 荷载效应荷载效应荷载
13、均值荷载均值荷载标准值荷载标准值荷载乘系数值荷载乘系数值 p7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法13结构抗力均值、标准值和乘系数值结构抗力均值、标准值和乘系数值, 抗力抗力抗力均值抗力均值抗力标准值抗力标准值乘系数抗力值乘系数抗力值 p7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法14 7.2.4 多系数设计表达式多系数设计表达式 (荷载抗力系数法荷载抗力系数法)特征抗力乘系数值特征抗力乘系数值总特征荷载效应乘系数值总特征荷载效应乘系数值式中式中：构件荷载效应的特征值（标准值），构件荷载效应的特征值（标准值）， 是荷载分项系数，是荷载分项系数，是构件抗力的特征值（标准值），是构件抗力的特
14、征值（标准值），是抗力分项系数是抗力分项系数。l荷载抗力系数法的表达式：荷载抗力系数法的表达式：7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法15l荷载抗力系数法的确定荷载抗力系数法的确定7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法16 7.2.5 荷载抗力系数设计法规范设计表达式荷载抗力系数设计法规范设计表达式式中式中： 结构重要性系数；结构重要性系数； 恒荷载分项系数；恒荷载分项系数； , 分别为第分别为第1个和个和 i 个可变荷载分个可变荷载分项系数；项系数； 恒荷载效应标准值；恒荷载效应标准值； 主导可变荷载效应标准值；主导可变荷载效应标准值； 7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计
15、法17 第第 i 个可变荷载效应标准值；个可变荷载效应标准值； 第第 i 个可变荷载的组合系数；个可变荷载的组合系数； 结构构件的抗力函数；结构构件的抗力函数； 构件抗力分项系数；构件抗力分项系数； 结构材料性能的特征值；结构材料性能的特征值； 构件几何参数的特征值。构件几何参数的特征值。 在实际工程中，常应用第二个公式，因为恒荷载一般都在实际工程中，常应用第二个公式，因为恒荷载一般都 是主要荷载。是主要荷载。7.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法18 7.2.6 荷载抗力系数的标定方法荷载抗力系数的标定方法 （3）对于各种构件在不同的荷载效应比值下，按所选定的）对于各种构件在不同的荷载
16、效应比值下，按所选定的各分项系数进行结构设计，所具有的可靠指标与目标可靠指各分项系数进行结构设计，所具有的可靠指标与目标可靠指标最为接近。标最为接近。1、荷载抗力系数的标定、荷载抗力系数的标定 （1）同一作用对于各种构件受力类型具有相同的荷载分项）同一作用对于各种构件受力类型具有相同的荷载分项系数，各个作用有各自的分项系数。系数，各个作用有各自的分项系数。 （2）对于不同类型的构件有各自的抗力分项系数，对于）对于不同类型的构件有各自的抗力分项系数，对于同一种构件在任何荷载作用下，其抗力系数不变。同一种构件在任何荷载作用下，其抗力系数不变。l标定原则：标定原则：6.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力
17、系数设计法19（1）明确分析对象，已知荷载和抗力的统计参数与概率模型、）明确分析对象，已知荷载和抗力的统计参数与概率模型、 荷载效应比、目标可靠指标和规范设计表达式。荷载效应比、目标可靠指标和规范设计表达式。l标定的步骤：标定的步骤：（3）根据简单荷载工况和规范设计表达式可确定简单荷载工）根据简单荷载工况和规范设计表达式可确定简单荷载工 况下的极限状态设计表达式和极限状态方程。况下的极限状态设计表达式和极限状态方程。（2）根据分析工程结构的荷载特点，确定其荷载工况，并确）根据分析工程结构的荷载特点，确定其荷载工况，并确 定简单荷载组合工况。定简单荷载组合工况。6.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力
18、系数设计法20（4）采用优化的方法确定荷载分项系数。）采用优化的方法确定荷载分项系数。恒荷载有利情况，荷载分项系数恒荷载有利情况，荷载分项系数.恒荷载不利情况，荷载分项系数恒荷载不利情况，荷载分项系数.6.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法21（5）采用最小二乘法确定抗力分项系数）采用最小二乘法确定抗力分项系数（6）按确定的荷载抗力系数计算设计表达式所具有的可靠度）按确定的荷载抗力系数计算设计表达式所具有的可靠度水平，检验是否满足精度要求。水平，检验是否满足精度要求。l标定的流程：标定的流程：开始 最小二乘法确定抗力系数最小二乘法确定抗力系数否否是是 输出结果输出结果 目标可靠指标目标可
19、靠指标下抗力标准值抗力标准值 功能函数功能函数 多组荷载系数多组荷载系数 最小二乘法确定抗力系数最小二乘法确定抗力系数 确定简单荷载组合工况确定简单荷载组合工况 设计表达式设计表达式输入已知条件：随机变量的概率参数和分布类型，极限状态方程输入已知条件：随机变量的概率参数和分布类型，极限状态方程 给定荷载系数给定荷载系数下抗力标准值抗力标准值 优化法确定荷载分项系数优化法确定荷载分项系数l验算点法求抗力的计算流程验算点法求抗力的计算流程开始否否 在在 处对非正态随机变量等效正态化处对非正态随机变量等效正态化计算敏感性系数计算敏感性系数是是输入已知条件：可靠指标输入已知条件：可靠指标,随机变量的概
20、率参数和分布类型随机变量的概率参数和分布类型,功能函数功能函数计算验算点计算验算点: 假定随机变量初始取值假定随机变量初始取值: ,输出结果输出结果 6.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法22 基本思想就是采用荷载组合系数来保证多可变荷载作用时基本思想就是采用荷载组合系数来保证多可变荷载作用时的可靠指标与单可变荷载作用时的可靠指标具有一致性。的可靠指标与单可变荷载作用时的可靠指标具有一致性。 0.6 风荷载为主要可变荷载的荷载工况风荷载为主要可变荷载的荷载工况0.7 其它可变荷载工况其它可变荷载工况2、荷载组合系数的标定、荷载组合系数的标定6.2 荷载抗力系数设计法荷载抗力系数设计法23
21、 为了区别不同结构的安全等级提出，可通过结构重要为了区别不同结构的安全等级提出，可通过结构重要性系数实现对不同安全等级结构目标可靠指标的调整。性系数实现对不同安全等级结构目标可靠指标的调整。 1.1 重要结构重要结构0.9 次要结构次要结构1.0 一般结构一般结构2、结构重要性系数的标定、结构重要性系数的标定7.3 全概率直接可靠度设计法全概率直接可靠度设计法第七章第七章 结构的荷载抗力系数设计法结构的荷载抗力系数设计法7.3 全概率直接可靠度设计法全概率直接可靠度设计法1l定义：定义：直接基于结构可靠度分析理论的设计方法。直接基于结构可靠度分析理论的设计方法。 l应用对象：应用对象：重大工程结构。重大工程结构。l简单示例简单示例 已知结构构件的极限状态方程已知结构构件的极限状态方程 ，以及，以及荷载效应荷载效应 S和抗力和抗力R的统计参数，求抗力的标准值的统计参数，求抗力的标准值 。S服从正态分布服从正态分布R服从正态分布服从正态分布统计参数统计参数统计参数统计参数7.3 全概率直接可靠度设计法全概率直接可靠度设计法1第七章第七章 结束结束本课程结束本课程结束谢谢大家谢谢大家
