结构可靠度设计.ppt

Changsha University of Science&Technology第第6章章 结构可靠性设计结构可靠性设计杨春侠杨春侠长沙理工大学土木工程学院长沙理工大学土木工程学院20121东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology第第6章章 结构可靠性设计结构可靠性设计确定目标可靠指标的方法确定目标可靠指标的方法校准法校准法截面设计截面设计设计实用表达式设计实用表达式分项系数确定方法分项系数确定方法2Changsha University of Science&Technology一、设计要求一、设计要求 RS 不能绝对满足，只能在一定概率意义下满足，即不能绝对满足，只能在一定概率意义下满足，即:PRS=ps 可靠度可靠度ps的大小对结构设计的影响的大小对结构设计的影响6.1 结构设计的目标结构设计的目标ps太大太大ps太小太小成本高成本高失效概率大失效概率大目标可靠度目标可靠度的确定应考虑经济与安全的合理平衡的确定应考虑经济与安全的合理平衡20123东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology二、目标可靠度（设计可靠指标）的定义二、目标可靠度（设计可靠指标）的定义设计（目标）可靠指标是设计规范规定的作为设设计（目标）可靠指标是设计规范规定的作为设计依据的可靠指标，它表示设计所预期达到的结计依据的可靠指标，它表示设计所预期达到的结构可靠度。构可靠度。如何选择结构的最优失效概率或设计可靠指标是如何选择结构的最优失效概率或设计可靠指标是关系到社会、政治、经济、生命财产等一系列方关系到社会、政治、经济、生命财产等一系列方面的重要问题。面的重要问题。目前一般采用类比法或校准法来确定设计可靠指标目前一般采用类比法或校准法来确定设计可靠指标20124东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology三、三、设计可靠指标的确定设计可靠指标的确定1、确定设计可靠指标的影响因素：、确定设计可靠指标的影响因素：(1)公众心理；公众心理；(2)结构重要性；结构重要性；(3)结构破坏性质；结构破坏性质；(4)社会经济承受力。社会经济承受力。2、采用类比法考虑公众心理的影响、采用类比法考虑公众心理的影响 参照人们在日常活动中所经历的各种风险或危险率，确定参照人们在日常活动中所经历的各种风险或危险率，确定一个为公众所能接受的失效概率即可靠指标。一个为公众所能接受的失效概率即可靠指标。20125东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology事故事故年死亡率年死亡率事故事故年死亡率年死亡率爬山、赛车爬山、赛车汽车旅行汽车旅行飞机旅行飞机旅行游泳游泳采矿采矿结构施工结构施工房屋失火房屋失火电击电击雷击雷击暴风暴风一些事故的年死亡率一些事故的年死亡率20126东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology年危险率年危险率可承受人群可承受人群10-3胆大的人胆大的人10-4一般的人一般的人10-5不再考虑其危险性不再考虑其危险性50年失效率年失效率公众心理公众心理较安全较安全安全安全很安全很安全不同人群可承受的年危险率不同人群可承受的年危险率公众对公众对5050年失效率的接受程度年失效率的接受程度20127东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technologyu据此建议结构的年失效概率为据此建议结构的年失效概率为1 10-5,大致相当于房屋在正大致相当于房屋在正常使用年限常使用年限50年的失效概率为年的失效概率为5 10-4。当功能函数为正态分。当功能函数为正态分布时，相当于可靠指标布时，相当于可靠指标 3.29。u由于对风险水平的接受程度因人而异，所以用类比法确定由于对风险水平的接受程度因人而异，所以用类比法确定设计可靠指标不易为人们所公认。设计可靠指标不易为人们所公认。u所谓校准法，就是通过对所谓校准法，就是通过对现行设计规范现行设计规范安全度的校核（反演安全度的校核（反演计算），找出隐含于计算），找出隐含于现行规范现行规范中的可靠指标，再经过综合分中的可靠指标，再经过综合分析和调整，据以制定今后设计（规范）采用的目标可靠指标。析和调整，据以制定今后设计（规范）采用的目标可靠指标。u现行设计规范现行设计规范指校准法所要反演计算的规范。指校准法所要反演计算的规范。3、采用校准法确定设计可靠指标、采用校准法确定设计可靠指标20128东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology5、结构破坏性质的影响、结构破坏性质的影响 脆性结构脆性结构 ps 延性结构延性结构 ps6、社会经济承受力的影响、社会经济承受力的影响 经济越发达经济越发达 ps4、结构重要性的影响、结构重要性的影响一般结构一般结构 ps重要结构重要结构 ps 次要结构次要结构 ps 脆性结构脆性结构延性结构延性结构20129东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology四、校准法四、校准法1、制订规范的基本思想制订规范的基本思想u规规范范与与科科学学技技术术的的结结论论并并不不能能等等同同。同同一一个个时时期期，世世界界上上可可以以同同时时存存在在几几十十种种结结构构设设计计规规范范，根根据据它它们们进进行行设设计计，一般来讲都是安全的。一般来讲都是安全的。u规规范范的的制制定定，不不仅仅与与科科学学技技术术发发展展有有关关，还还与与一一个个国国家家特特定定时时期期特特定定的的技技术术经经济济条条件件和和国国家家方方针针政政策策、社社会会心心理理等等因素有关。因素有关。u加加拿拿大大的的林林德德曾曾经经说说：“规规范范无无非非是是有有代代表表性性的的专专家家对对结结构构的一种权衡的一种权衡”。u要要求求设设计计者者遵遵循循一一种种规规范范，就就是是规规定定他他们们必必须须按按照照统统一一的的一套算法做设计，按照规定的步骤设计。一套算法做设计，按照规定的步骤设计。201210东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology2、修改规范的基本思想、修改规范的基本思想规范体系本身也需要规范体系本身也需要“设计设计”，修改规范最重要的步骤就是规，修改规范最重要的步骤就是规定恰当的可靠度水平，同时在每一个具体的步骤中贯彻它。定恰当的可靠度水平，同时在每一个具体的步骤中贯彻它。澳地利舒勒和梅尔彻斯谈到修改规范时说澳地利舒勒和梅尔彻斯谈到修改规范时说“如果要有什么改如果要有什么改变，也只能是逐步的和微小的，以便不引起规范使用者们的变，也只能是逐步的和微小的，以便不引起规范使用者们的不安和苦恼。规范修订所导致的安全度水平的变化若大于不安和苦恼。规范修订所导致的安全度水平的变化若大于10%10%，就常常会大得使实际工作者们恐慌，从而拒绝接受，就常常会大得使实际工作者们恐慌，从而拒绝接受”。因此人们认为编写新规范可以看成是对旧规范的一种因此人们认为编写新规范可以看成是对旧规范的一种“校准校准”(Calibrating)”(Calibrating)。我国、美国、加拿大和欧洲的一些国家都采用校准法。我国、美国、加拿大和欧洲的一些国家都采用校准法。201211东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology3、我国老规范存在的问题、我国老规范存在的问题我国老规范在可靠度方面存在着不少缺陷，如果用统一的我国老规范在可靠度方面存在着不少缺陷，如果用统一的可靠指标来进行分析，就会发现其中最主要的问题是各本可靠指标来进行分析，就会发现其中最主要的问题是各本规范以及同一本规范中各个结构构件，甚至同一种构件在规范以及同一本规范中各个结构构件，甚至同一种构件在不同条件下可靠度水平都不一致。不同条件下可靠度水平都不一致。修改规范，就需要采用校准法来分析原有规范的可靠度水修改规范，就需要采用校准法来分析原有规范的可靠度水平，同时根据本国的实际经济和科技情况确定新规范的目平，同时根据本国的实际经济和科技情况确定新规范的目标可靠度水平（可靠指标），这个指标应当更为合理，但标可靠度水平（可靠指标），这个指标应当更为合理，但是又不能偏离原规范太远。亦即在引入许多新观念和方法是又不能偏离原规范太远。亦即在引入许多新观念和方法的同时，对老规范也必须具有很大程度的继承性。的同时，对老规范也必须具有很大程度的继承性。201212东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology4、对老规范校准的基本思想、对老规范校准的基本思想校准法承认传统设计所具有的可靠度的合理性，通过计算校准法承认传统设计所具有的可靠度的合理性，通过计算校准法承认传统设计所具有的可靠度的合理性，通过计算校准法承认传统设计所具有的可靠度的合理性，通过计算得出的传统设计的可靠度水平作为参考目标可靠度；得出的传统设计的可靠度水平作为参考目标可靠度；得出的传统设计的可靠度水平作为参考目标可靠度；得出的传统设计的可靠度水平作为参考目标可靠度；校准法实质上充分考虑了工程建设常年积累的实践经验，校准法实质上充分考虑了工程建设常年积累的实践经验，继承了老规范中隐含的结构设计可靠度水准；继承了老规范中隐含的结构设计可靠度水准；认为老规范总体上是合理的，可靠度水平为绝大部分人所认为老规范总体上是合理的，可靠度水平为绝大部分人所接受；接受；我国现行规范规定的结构构件设计可靠指标，就是通过对我国现行规范规定的结构构件设计可靠指标，就是通过对老规范中的老规范中的14种具有代表性的结构构件，进行所谓校准并种具有代表性的结构构件，进行所谓校准并经适当调整而制定的。经适当调整而制定的。201213东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology5、校准法的计算步骤、校准法的计算步骤（1 1）选取可变荷载效应与永久荷载效应的比值选取可变荷载效应与永久荷载效应的比值 S SQKQK/S SGKGK，假定假定S SGKGK值，可得值，可得S SQKQK=S SGKGK ；（2 2）根据老规范设计公式计算抗力标准值）根据老规范设计公式计算抗力标准值R RK K=K(SK(SQKQK+S SGKGK)；（3 3）根据荷载和抗力的统计分析结果及）根据荷载和抗力的统计分析结果及S SQKQK、S SGKGK、R RK K确定随确定随机变量机变量S SQ Q、S SG G、R R的概率模型和统计参数；的概率模型和统计参数；（4 4）用验算点法计算）用验算点法计算Z Z=R-SR-SQ Q-S SG G=0=0对应的可靠指标；对应的可靠指标；（5 5）改变荷载效应比，重复（）改变荷载效应比，重复（1 1）-（4 4）逐个对）逐个对14种具有代表种具有代表性的结构构件在不同荷载效应比下的可靠指标；性的结构构件在不同荷载效应比下的可靠指标；（6）计算可靠指标的加权平均值得老规范的总体可靠指标。）计算可靠指标的加权平均值得老规范的总体可靠指标。201214东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology【例【例【例【例6-16-1】承受恒载和楼面活荷载的钢筋混凝土轴心受压短柱，承受恒载和楼面活荷载的钢筋混凝土轴心受压短柱，已知恒载效应已知恒载效应NG为正态分布，活载效应为正态分布，活载效应NL为极值为极值型分布，抗型分布，抗力力R为对数正态分布，统计参数分别为为对数正态分布，统计参数分别为KG=NG/NGK1.06，NG0.07，KL=NL/NLK 0.7，NL0.29，KR=R/RK1.33，R0.17，试求当，试求当 =2时，与老规范轴心受压构件的安时，与老规范轴心受压构件的安全系数全系数K=1.55相对应的可靠指标相对应的可靠指标 值。值。【解解】(1)设设NGk5，因，因 2，故，故NLk10。(2)根据老规范的表达式有：根据老规范的表达式有：R=K(NGkNLK)1.55（5+10)23.25(3)列出极限状态方程：列出极限状态方程：R-NG-NL=0201215东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology(4)求极限状态方程中各随机变量的统计参数：求极限状态方程中各随机变量的统计参数：RKRRK=1.3323.2530.92 R=RR30.920.175.26 NGKGNGK=1.0655.3 NG NG NG5.30.07=0.37 NLKLNLK=0.710=7.0 NL NL NL70.29=2.03(5)按按第第3章章验验算算点点法法，可可求求得得 3.61，相相应应的的pf1.53104(计算过程略计算过程略)。201216东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology五、五、设计可靠指标设计可靠指标 设计(目标)可靠度指标（建筑结构）破坏类型破坏类型重要结构重要结构一般结构一般结构 次要结构次要结构延性结构延性结构3.73.22.7脆性结构脆性结构4.23.73.2在在编编制制统统一一标标准准过过程程中中，选选择择了了老老规规范范中中的的14种种具具有有代代表表性性的的结结构构构构件件进进行行了了分分析析，在在三三种种基基本本荷荷载载组组合合下下，14种种构构件件可可靠靠指指标标的的总总平平均均值值为为3.3，属属于于延延性性破破坏坏的的构构件件的的可可靠靠度度平平均均值值为为3.22。这这反反映映了了我我国国老老规规范范规规定定的的建建筑筑结结构设计可靠度的一般水准。构设计可靠度的一般水准。201217东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology破坏破坏类类型型安全等安全等级级一一 级级二二 级级三三 级级延性破坏延性破坏4.74.23.7脆性破坏脆性破坏5.24.74.2公路桥梁结构的目标可靠指标公路桥梁结构的目标可靠指标 值值安全等安全等级级一一 级级二二 级级三三 级级目目标标可靠指可靠指标标1.641.281.04公路路面结构的目标可靠指标公路路面结构的目标可靠指标 值值201218东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technologyu可靠度复核：可靠度复核：u直接设计法：直接设计法：一、概念一、概念 已知抗力和荷载效应的概率分布和统计参数，求解可靠已知抗力和荷载效应的概率分布和统计参数，求解可靠指标和各变量在验算点处的坐标值。指标和各变量在验算点处的坐标值。以目标可靠指标以目标可靠指标 及各基本变量的统计特征，反求构件及各基本变量的统计特征，反求构件抗力来设计构件截面。抗力来设计构件截面。6.2 结构概率可靠度的直接设计法结构概率可靠度的直接设计法u直接概率设计法主要应用于：直接概率设计法主要应用于：（1）根据规定的可靠度，校准分项系数模式中的分项系数；）根据规定的可靠度，校准分项系数模式中的分项系数；（2）在特定情况下，直接设计某些重要的工程（如核电站的）在特定情况下，直接设计某些重要的工程（如核电站的安全壳、海上采油平台、大坝等）；安全壳、海上采油平台、大坝等）；（3）对不同设计条件下的结构可靠度进行一致性对比。）对不同设计条件下的结构可靠度进行一致性对比。201219东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology二、直接设计法的基本思路二、直接设计法的基本思路（1）极限状态方程为线性）极限状态方程为线性R和和S均服从正态分布，则抗力平均值为均服从正态分布，则抗力平均值为给定结构可靠指标给定结构可靠指标，且已知，且已知S的统计参数的统计参数 S、dS和和R的的统计参数统计参数kR、dR，由上式，由上式可求得可求得 R，并可求出抗力标准，并可求出抗力标准值值Rk根据根据Rk进行截面设计。进行截面设计。201220东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology需要利用验算点法联立求解某一变量需要利用验算点法联立求解某一变量Xi的平均值的平均值 Xi。在一般情。在一般情况下，需进行非线性与非正态的双重迭代才能求出况下，需进行非线性与非正态的双重迭代才能求出 Xi值，计算值，计算复杂。复杂。（2）极限状态方程为非线性，或含有非正态基本变量）极限状态方程为非线性，或含有非正态基本变量【例【例6-2】承受恒载和楼面活荷载的钢筋混凝土轴心受压短柱，】承受恒载和楼面活荷载的钢筋混凝土轴心受压短柱，已知恒载产生的轴向力已知恒载产生的轴向力NG为正态分布，活载产生的轴向力为正态分布，活载产生的轴向力NL为为极值极值型分布，抗力型分布，抗力R为对数正态分布，统计参数分别为为对数正态分布，统计参数分别为 NG636kN，NG0.07，NL840kN，NL0.29，R0.17，极，极限状态方程为限状态方程为ZRNGNL0，试求目标可靠指标，试求目标可靠指标=3.7时的时的截面抗力平均值截面抗力平均值 R。若。若KR=1.33,C30混凝土，混凝土，HRB335钢筋，试钢筋，试设计截面尺寸和配筋。设计截面尺寸和配筋。201221东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology直接概率设计法的计算步骤直接概率设计法的计算步骤（1）列出极限状态方程及基本变量概率模型、统计参数；）列出极限状态方程及基本变量概率模型、统计参数；（2）赋初值：令）赋初值：令（3）当量正态化，可得）当量正态化，可得（4）计算方向余弦）计算方向余弦（5）计算新一轮验算点坐标）计算新一轮验算点坐标（6）重复（）重复（2）-（5），直到验算点坐标满足精度要求；），直到验算点坐标满足精度要求；（7）将最后一轮迭代的验算点作为设计验算点，计算抗力）将最后一轮迭代的验算点作为设计验算点，计算抗力R的当量正态均值的当量正态均值 ；201222东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology直接概率设计法的计算步骤（续）直接概率设计法的计算步骤（续）（8 8）计算抗力）计算抗力R R的均值，由的均值，由得得（9 9）计算抗力标准值）计算抗力标准值（1010）假定截面尺寸，计算钢筋用量）假定截面尺寸，计算钢筋用量201223东南大学6章 结构可靠性设计Changsha University of Science&Technology三、截面复核的计算步骤三、截面复核的计算步骤复复核核步步骤骤为为根根据据已已知知的的设设计计基基本本变变量量的的概概率率分分布布和和统统计计参参数数，由由极极限限状状态态方方程程，应应用用验验算算点点法法求求出出可可靠靠度度指指标标 值值。如如果果 T，则截面可靠度满足要求，反之则不满足要求。，则截面可靠度满足要求，反之则不满足要求。【例【例6-3】已知钢筋混凝土短柱的截面尺寸】已知钢筋混凝土短柱的截面尺寸b300mm,h=500mm,配筋率配筋率 =0.015,C30混凝土，混凝土，HRB335钢筋，钢筋，T=3.7，荷载效应荷载效应总标准值总标准值Nk2187kN，轴向力，轴向力NG为正态分布，活载产生的轴向为正态分布，活载产生的轴向力力NL为极值为极值型分布，抗力型分布，抗力R为对数正态分布，活载效应与恒载为对数正态分布，活载效应与恒载效应的比值为效应的比值为 NLk/NGk1,KG=1.06,KL=0.7,NG=0.07,NL=0.29，试复核该截面面积是否安全。，试复核该截面面积是否安全。201224东南大学6章 结构可靠性设计