第十章 结构概率可靠度设计法.ppt
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1、荷载与结构设计方法第十章第十章结构概率可靠度设计法结构概率可靠度设计法第十章 结构概率可靠度设计法本章内容本章内容第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则第三节第三节 结构概率可靠度直接设计法结构概率可靠度直接设计法第四节第四节 结构概率可靠度设计的实用表达式结构概率可靠度设计的实用表达式第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展弹性理论弹性理论极限状态理论极限状态理论定值法定值法概率法概率法u设计理论设计理论u设计方法设计方法按材料进入塑性状态截面所能抵抗的内力建立公式按材
2、料进入塑性状态截面所能抵抗的内力建立公式缺点:采用总安全系数估计荷载与材料的离散性缺点:采用总安全系数估计荷载与材料的离散性截面应力截面应力材料容许应力材料容许应力一、容许应力设计法二、破损阶段设计法第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展即即(1)结构极限状态概念)结构极限状态概念(2)承载能力极限状态设计的多系数表达)承载能力极限状态设计的多系数表达三、多系数极限状态设计法特点:特点:规定承载能力、变形、裂缝出现和开展三种极限状态。规定承载能力、变形、裂缝出现和开展三种极限状态。以多个系数来分别反映荷载、材料性能及工作条件等方以多个系数来分别反映荷载、材料
3、性能及工作条件等方面随机因素的影响:面随机因素的影响:第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展(3)标准荷载和材料标准强度的统计取值标准荷载和材料标准强度的统计取值式中式中 qik 标准荷载或其效应;标准荷载或其效应;ni 相应荷载的超载系数;相应荷载的超载系数;m 结构构件的工作条件系数;结构构件的工作条件系数;fsk、fck 钢筋和混凝土的标准强度;钢筋和混凝土的标准强度;ks、kc 钢筋和混凝土的材料匀质系数;钢筋和混凝土的材料匀质系数;a 结构构件的截面几何特征。结构构件的截面几何特征。将荷载及材料强度作为随机变量,以数理统计手段统计确定。将荷载及材料
4、强度作为随机变量,以数理统计手段统计确定。第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展概率极限状态设计法:概率极限状态设计法:四、基于可靠性理论的概率极限状态设计法 以可靠性理论为基础,将影响结构可靠性的几乎所有参以可靠性理论为基础,将影响结构可靠性的几乎所有参数都作为随机变量,运用概率论和数理统计分析全部参数或数都作为随机变量,运用概率论和数理统计分析全部参数或部分参数,计算结构的可靠指标或失效概率,以此设计或校部分参数,计算结构的可靠指标或失效概率,以此设计或校核结构。核结构。第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展水准水准半
5、概率法半概率法 对效应和抗力的变量部分地进行数理统计分析,并引对效应和抗力的变量部分地进行数理统计分析,并引入某些经验系数,因而不能定量地估计结构的可靠性。入某些经验系数,因而不能定量地估计结构的可靠性。水准水准近似概率法近似概率法 以结构的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性,并以结构的失效概率或可靠指标来度量结构可靠性,并建立结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系,设建立结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系,设计时则采用分项系数的简便实用表达式。计时则采用分项系数的简便实用表达式。目前使用方法目前使用方法第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展该方
6、法目前不成熟,仍处于研究阶段该方法目前不成熟,仍处于研究阶段水准水准全概率法全概率法 对整个结构采用精确的概率分析,求得结构最优失对整个结构采用精确的概率分析,求得结构最优失效概率作为可靠度的直接度量。效概率作为可靠度的直接度量。第一节第一节 土木工程结构设计方法的演变发展土木工程结构设计方法的演变发展 在一定的经济条件下,赋予结构一定的可靠度,使在一定的经济条件下,赋予结构一定的可靠度,使得结构在规定的设计使用年限内能满足设计所预定的各得结构在规定的设计使用年限内能满足设计所预定的各种功能要求,即安全性、适用性和耐久性要求。种功能要求,即安全性、适用性和耐久性要求。工程结构设计的基本目标:工
7、程结构设计的基本目标:第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则u设计基准期:设计基准期:u设计使用年限:设计使用年限:我国工程结构我国工程结构一、结构的设计使用年限 确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。的时间参数。结构在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应结构在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限。达到的使用年限。建筑结构建筑结构50年,桥梁结构年,桥梁结构100年,水泥混凝土路面结构不大年,水泥混凝土路面结构不大于于30年,沥青混凝土路面结构不大于年,沥青混凝土路面结构不大于15年。年。第
8、二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则类 别设计使用年限(年)示 例15 临时性结构225 易于替换的结构构件350 普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构l结构可靠度与结构设计使用年限的关系结构可靠度与结构设计使用年限的关系 实际使用年限超过设计使用年限后,结构失效概率将实际使用年限超过设计使用年限后,结构失效概率将比设计预期值增大,并不意味结构立即丧失功能或报废。比设计预期值增大,并不意味结构立即丧失功能或报废。各类建筑结构设计使用年限见下表。各类建筑结构设计使用年限见下表。l设计使用年限设计使用年限设计基准期设计基准期第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设
9、计的目标和原则安全等级破坏后果建筑物类型一 级很严重重要的房屋(如核电站、影剧院、体育馆等)二 级严 重一般的房屋(如一般工业与民用建筑)三 级不严重次要的房屋(如临时仓库、车棚等)表a 建筑结构的安全等级二、结构的安全等级 根据结构破坏可能产生的各种后果(危及人的生命、造根据结构破坏可能产生的各种后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重程度,对不同的工程成经济损失、产生社会影响等)的严重程度,对不同的工程结构采用不同的安全等级。结构采用不同的安全等级。l我国将工程结构的安全等级划分为三级我国将工程结构的安全等级划分为三级第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则安
10、全等级路面结构桥涵结构一 级高速公路路面特大桥、重要大桥二 级一级公路路面大桥、中桥、重要小桥三 级二级公路路面小桥、涵洞表b 公路工程结构的安全等级l注意:注意:同一结构中各类构件的安全等级宜与整体结构同同一结构中各类构件的安全等级宜与整体结构同级,同一技术等级公路路面结构的安全等级也宜相同。级,同一技术等级公路路面结构的安全等级也宜相同。第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则三、结构的设计方法和设计状况u根据结构在施工和使用中的环境条件和影响,分三种状况:根据结构在施工和使用中的环境条件和影响,分三种状况:1.持久状况持久状况在结构使用过程中一定出现,其持续期很长在结构使用
11、过程中一定出现,其持续期很长的状况(如结构承受自重等的状况(如结构承受自重等););2.短暂状况短暂状况在结构施工和使用过程中出现概率较大,而在结构施工和使用过程中出现概率较大,而与设计使用年限相比,持续期很短的状况(如施工和维修等)与设计使用年限相比,持续期很短的状况(如施工和维修等);3.偶然状况偶然状况指在结构使用过程中出现的概率很小,且持指在结构使用过程中出现的概率很小,且持续期很短的状况(如火灾、爆炸、撞击等)。续期很短的状况(如火灾、爆炸、撞击等)。第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则三种设计状况应分别进行下列极限状态设计:三种设计状况应分别进行下列极限状态设计:
12、1.对三种设计状况,均应进行承载能力极限状态设计;对三种设计状况,均应进行承载能力极限状态设计;2.对持久状况,尚应进行正常使用极限状态设计;对持久状况,尚应进行正常使用极限状态设计;3.对短暂状况,可根据需要进行正常使用极限状态设计。对短暂状况,可根据需要进行正常使用极限状态设计。第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则目标可靠指标:目标可靠指标:四、结构的目标可靠指标预先给定作为结构设计依据的可靠指标,预先给定作为结构设计依据的可靠指标,表示结构设计应满足的可靠度要求。表示结构设计应满足的可靠度要求。综合各种因素优化确定:综合各种因素优化确定:(1)公众心理)公众心理对工程结
13、构,年失效概率小于对工程结构,年失效概率小于110-4较为安全,年失较为安全,年失效概率小于效概率小于110-5是安全的,而年失效概率小于是安全的,而年失效概率小于110-6则是则是很安全的。很安全的。第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则(2)结构重要性)结构重要性以一般结构的目标可靠指标为基准,对于重要结构或次以一般结构的目标可靠指标为基准,对于重要结构或次要结构分别使其失效概率减小或增加一个数量级。要结构分别使其失效概率减小或增加一个数量级。(3)结构破坏性质)结构破坏性质 按延性和脆性破坏确定可靠指标,脆性的要大于延性。按延性和脆性破坏确定可靠指标,脆性的要大于延性。(
14、4)极限状态)极限状态 承载能力极限状态失效后果严重,可靠度水准应高些。承载能力极限状态失效后果严重,可靠度水准应高些。(5)社会经济发展水平)社会经济发展水平 社会经济越发达,对工程结构可靠性的要求就越高。社会经济越发达,对工程结构可靠性的要求就越高。第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则破坏类型安全等级一 级二 级三 级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2表a 建筑结构构件的目标可靠指标 值u承载能力极限状态设计:承载能力极限状态设计:我国标准的要求我国标准的要求 建筑和公路建筑和公路统一标准统一标准规定了目标可靠指标规定了目标可靠指标 值,值,见表见表a、
15、表、表b和表和表c。第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则破坏类型安全等级一 级二 级三 级延性破坏4.74.23.7脆性破坏5.24.74.2表b 公路桥梁结构的目标可靠指标 值安全等级一 级二 级三 级目标可靠指标1.641.281.04表c 公路路面结构的目标可靠指标 值第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则u正常使用极限状态设计:正常使用极限状态设计:建筑建筑统一标准统一标准:宜按照结构构件作用效应的可逆程宜按照结构构件作用效应的可逆程度,在度,在01.5范围内选取。范围内选取。l可逆程度较高的结构构件可逆程度较高的结构构件取较低值取较低值l可逆程度较低
16、的结构构件可逆程度较低的结构构件取较高值取较高值可逆可逆产生超越正常使用极限状态的作用被移掉后,产生超越正常使用极限状态的作用被移掉后,将不再保持超越状态。将不再保持超越状态。第二节第二节 结构设计的目标和原则结构设计的目标和原则u可靠度复核:可靠度复核:u直接设计法:直接设计法: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。第三节第三节 结构概率可
17、靠度直接设计法结构概率可靠度直接设计法(1)根据规定的可靠度,校准分项系数模式中的分项系根据规定的可靠度,校准分项系数模式中的分项系数;数;直接概率设计法主要应用于:直接概率设计法主要应用于:(2)在特定情况下,直接设计某些重要的工程(如核电在特定情况下,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);站的安全壳、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。第三节第三节 结构概率可靠度直接设计法结构概率可靠度直接设计法u直接设计法的基本思路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
18、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可靠指标给定可靠指标,已知,已知R和和S的统计参数的统计参数kR、d dR、S 和和d dS,由上式,由上式可求得可求得 R,从而求出抗力标准值,从而求出抗力标准值Rk根据根据Rk进行截面设计。进行截面设计。第三节第三节 结构概率可靠度直接设计法结构概率可靠度直接设计法(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 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。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一般情况下,需进
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