结构荷载与可靠度设计原.ppt

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1、结构荷载与可靠度设计原理主讲教师：李鸿晶教授、博士 孙广俊副教授、博士南京工业大学土木工程学院12023/5/16目的和任务 n认识工程领域中普遍存在的不确定性因素及其对工程安全性的影响，掌握不确定性概念与基本的概率分析方法。n了解工程设计规范中的可靠度理论基础，掌握工程可靠度概念及其基本的结构可靠度评估方法。n熟悉不同结构荷载的产生背景及其物理特征，掌握这些荷载的计算方法。22023/5/16基本要求n掌握结构可靠度理论的基本概念和基本求解方法；n掌握现行结构设计规范的理论背景和实用设计方法；n了解荷载与抗力的概率模型与统计分析方法；n掌握工程结构设计时需考虑的各种主要荷载的产生背景及计算方

2、法。32023/5/16前期课程要求n高等数学、概率论；n理论力学、材料力学、结构力学；n混凝土结构、钢结构。42023/5/16课程内容1 1.结构设计理论与结构可靠度结构设计理论与结构可靠度 2 2.结构可靠度分析结构可靠度分析3 3.结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法4 4.结构荷载统计分析结构荷载统计分析5 5.结构抗力统计分析结构抗力统计分析6 6.重力计算重力计算7 7.侧压力力计算侧压力力计算8 8.风荷载计算风荷载计算9 9.其他作用计算其他作用计算1010.典型结构的荷载计算示例典型结构的荷载计算示例第一部分第一部分重点：结构可靠度分析的概念和原理、荷载与结构抗力的统计分析

3、重点：结构可靠度分析的概念和原理、荷载与结构抗力的统计分析难点：理论性强且较抽象，较难理解与掌握难点：理论性强且较抽象，较难理解与掌握 第二部分第二部分重点：各种重要荷载的概念、原理和计算方法重点：各种重要荷载的概念、原理和计算方法难点：涉及的荷载形式多样，容易产生混淆难点：涉及的荷载形式多样，容易产生混淆52023/5/16参考教材和相关规范62023/5/16第 1 讲结构设计理论与结构可靠度 72023/5/16结构设计理论的发展 l工程结构：工程结构：n工业与民用建筑结构工业与民用建筑结构n公路、铁路（桥梁）结构公路、铁路（桥梁）结构n水利工程等结构水利工程等结构l工程结构的设计步骤工

4、程结构的设计步骤 n选择合理的结构方案和型式选择合理的结构方案和型式n根据选定的结构型式设计结构或构件的截面根据选定的结构型式设计结构或构件的截面 它们在相当长的使用期内，需要安全地承受各种使用荷载，经受气象它们在相当长的使用期内，需要安全地承受各种使用荷载，经受气象作用，以及波浪、地震等自然作用。作用，以及波浪、地震等自然作用。它们的安全与否，不但影响工农业生产，而且还关系到人身安危。它们的安全与否，不但影响工农业生产，而且还关系到人身安危。特别是对一些重要的纪念性建筑物，作为一个划时代的文化特征，将特别是对一些重要的纪念性建筑物，作为一个划时代的文化特征，将流传后世，对安全、适用、美观、耐

5、久等方面，还有更高的要求。流传后世，对安全、适用、美观、耐久等方面，还有更高的要求。82023/5/16结构设计理论的发展 l结构设计的目的：结构设计的目的：设计满足功能要求的结构设计满足功能要求的结构,也就是把外也就是把外界作用对结构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较，以界作用对结构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较，以达到结构设计达到结构设计既安全又经济的目的。既安全又经济的目的。l结构设计计算的两个方面结构设计计算的两个方面 n如何考虑材料固有的性能，使结构的力学分析日趋完善；如何考虑材料固有的性能，使结构的力学分析日趋完善；结构设计中所用结构设计理论由于采用了现代力学方法、结构设计中所

6、用结构设计理论由于采用了现代力学方法、计算机和完善的实验，所以更精确。计算机和完善的实验，所以更精确。n如何合理地选择影响结构安全的参数，如荷载值、材料强如何合理地选择影响结构安全的参数，如荷载值、材料强度值以及安全系数等。若不考虑荷载、材料强度等参数的度值以及安全系数等。若不考虑荷载、材料强度等参数的不确定性和它们对结构安全的影响，那就会与日益精确的不确定性和它们对结构安全的影响，那就会与日益精确的力学分析不相匹配。例如安全系数取大些，荷载值取大些，力学分析不相匹配。例如安全系数取大些，荷载值取大些，就多用材料造成不必要的浪费；反之就会造成危险。就多用材料造成不必要的浪费；反之就会造成危险。

7、92023/5/16结构设计理论的发展 l结构设计的根本问题：结构设计的根本问题：如何在结构的可靠性与经济性之间如何在结构的可靠性与经济性之间选择一种最佳的平衡，力求以最经济的途径使所建造的结选择一种最佳的平衡，力求以最经济的途径使所建造的结构以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。构以适当的可靠度满足各种预定的功能要求。102023/5/16结构设计理论的发展 l结构设计的发展：结构设计的发展：从伽利略至今三百余年里，结构设计经从伽利略至今三百余年里，结构设计经历了各种演变，可从以下两个方面进行归纳：历了各种演变，可从以下两个方面进行归纳：从结构设计理论上从结构设计理论上 弹性理论弹性理论 极

8、限状态理论极限状态理论 从设计方法上从设计方法上 定值设计法定值设计法 概率设计法概率设计法 l结构设计计算的理论和方法结构设计计算的理论和方法n容许应力法容许应力法 n破损阶段设计法破损阶段设计法 n多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法 n基于可靠性理论的概率极限状态法基于可靠性理论的概率极限状态法112023/5/16结构设计理论的发展 l容许应力法容许应力法构件截面的最大应力达到或超过材料的容许应力时，构件即失效（破坏）。构件截面的最大应力达到或超过材料的容许应力时，构件即失效（破坏）。钢筋混凝土构件钢筋混凝土构件混凝土应力混凝土应力钢筋应力钢筋应力式中：式中：分别为安全系数。分别为

9、安全系数。122023/5/16结构设计理论的发展 n特点特点安全系数安全系数k是个大于是个大于1的数字，的数字，k越大，结构的安全度就越越大，结构的安全度就越高，同时材料的用量就越多；高，同时材料的用量就越多；没有考虑结构功能的多样性要求；对于结构一方面要考虑没有考虑结构功能的多样性要求；对于结构一方面要考虑承载能力，另一方面也许考虑其承载能力，另一方面也许考虑其 正常使用时裂缝、变形；正常使用时裂缝、变形；安全系数安全系数的确定主要凭借经，缺乏严格科学依据。的确定主要凭借经，缺乏严格科学依据。n适用情况适用情况 当结构是非杆件结构（如大体积坝体、空间薄壳结构等）当结构是非杆件结构（如大体积

10、坝体、空间薄壳结构等）时，因规范没有给出明确的计算公式，则弹性力学方法仍时，因规范没有给出明确的计算公式，则弹性力学方法仍是较实用的分析方法。是较实用的分析方法。132023/5/16结构设计理论的发展 l破损阶段设计法破损阶段设计法构件在外界作用下，某截面的内力达到某极限内力时，构件即失效（破坏）。构件在外界作用下，某截面的内力达到某极限内力时，构件即失效（破坏）。式中：式中：为截面中内力，为截面中内力，为截面所能承受的极限弯矩，为截面所能承受的极限弯矩，为为安全系数安全系数 受弯构件受弯构件142023/5/16结构设计理论的发展 n特点特点考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接

11、考虑了材料塑性和强度的充分发挥，极限荷载可以直接 由试验验证，构件的总安全度较为明确由试验验证，构件的总安全度较为明确;安全系数的确定依赖经验，且是一个定值安全系数的确定依赖经验，且是一个定值;没有考虑结构功能的多样性要求没有考虑结构功能的多样性要求,由于采用了极限平衡的由于采用了极限平衡的理论理论，对荷载作用下结构的应力分布及位移变化，无法做，对荷载作用下结构的应力分布及位移变化，无法做出适当的预计。出适当的预计。152023/5/16式中：式中：为标准荷载或效应，为标准荷载或效应，为相应的超载系数，为相应的超载系数，为钢筋及混为钢筋及混凝土的强度，凝土的强度，为相应的均质系数，为相应的均质

12、系数，为工作条件系数，为工作条件系数，为截面为截面几何特性。几何特性。结构设计理论的发展 l多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法 n构件的极限状态，不仅包括承载力的极限状态，而且包括挠度（变形）构件的极限状态，不仅包括承载力的极限状态，而且包括挠度（变形）及裂缝宽度的极限状态，这已经包含了安全性和适用性的一些概念及裂缝宽度的极限状态，这已经包含了安全性和适用性的一些概念 n对于承载能力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单对于承载能力极限状态，针对荷载、材料的不同变异性，不再采用单一系数，即多系数法。一系数，即多系数法。承载能力极限多系数状态表达式：承载能力极限多系数状态表达式：

13、162023/5/16结构设计理论的发展 材料强度，根据统计后按照一定的保证率，取其下限分位材料强度，根据统计后按照一定的保证率，取其下限分位值；值；荷载值也尽可能根据各种荷载的统计资料，按照一定的保荷载值也尽可能根据各种荷载的统计资料，按照一定的保证率，取其下限分位值；证率，取其下限分位值；材料强度系数、荷载系数仍按经验确定，对不同的荷载变材料强度系数、荷载系数仍按经验确定，对不同的荷载变异大小，取用不同的系数。异大小，取用不同的系数。n特点特点安全系数的选取已经从纯经验性到了部分采用概率统计值；安全系数的选取已经从纯经验性到了部分采用概率统计值；设计方法的本质依然是一种半经验半概率的方法。

14、设计方法的本质依然是一种半经验半概率的方法。172023/5/16结构设计理论的发展 l基于可靠性理论的概率极限状态设计法基于可靠性理论的概率极限状态设计法 n水准水准半概率设计法，只对影响结构可靠度的某些参半概率设计法，只对影响结构可靠度的某些参数，用数理统计进行分析，并与经验相结合，然后引入某数，用数理统计进行分析，并与经验相结合，然后引入某些经验系数，该法对结构的可靠度还不能作出定量的估计。些经验系数，该法对结构的可靠度还不能作出定量的估计。n水准水准近似概率设计法，运用概率论和数理统计，对近似概率设计法，运用概率论和数理统计，对工程结构、构件或截面设计的可靠概率作出较为近似的相工程结构

15、、构件或截面设计的可靠概率作出较为近似的相对估计；分析中忽略或简化了变量随时间的关系，非线性对估计；分析中忽略或简化了变量随时间的关系，非线性极限状态方程线性化。极限状态方程线性化。n水准水准全概率设计法，在对整个体系进行精确概率分全概率设计法，在对整个体系进行精确概率分析的基础上，以结构失效概率作为结构的直接度量。析的基础上，以结构失效概率作为结构的直接度量。182023/5/16结构设计中的不确定性因素 l不确定性不确定性n随机性：随机性：由于事件发生的条件不充分，使得在条件与事件由于事件发生的条件不充分，使得在条件与事件之间不能出现必然的因果关系，从而导致在事件的出现上之间不能出现必然的

16、因果关系，从而导致在事件的出现上表现出的不确定性，如表现出的不确定性，如“抛硬币抛硬币”等。等。人类认识到的人类认识到的第一种不确定性。第一种不确定性。解决手段：解决手段：概率论、数理统计、随机过程理论。概率论、数理统计、随机过程理论。n模糊性：模糊性：由于概念边界划分标准的模糊不清而产生的不确由于概念边界划分标准的模糊不清而产生的不确定性称为模糊性，例如，定性称为模糊性，例如，“高与矮高与矮”，“冷与热冷与热”等。等。解决手段：解决手段：模糊集合理论、模糊随机过程理论。模糊集合理论、模糊随机过程理论。n知识的不完善性：知识的不完善性：由于人类认识上的局限性而造成的，所由于人类认识上的局限性而

17、造成的，所以又叫主观认识的未确定性，如以又叫主观认识的未确定性，如“人体有多少根头发人体有多少根头发”等。等。解决手段：解决手段：灰色系统理论。灰色系统理论。在结构可靠性理论中以在结构可靠性理论中以随机性随机性为研究重点为研究重点192023/5/16结构设计中的不确定性因素 l随机性特点随机性特点n事件可以在基本相同的条件下重复进行。事件可以在基本相同的条件下重复进行。n在基本相同条件下某事件可能以多种方式表现出来，事先在基本相同条件下某事件可能以多种方式表现出来，事先不能确定它以何种特定方式发生。不能确定它以何种特定方式发生。n事先可以预见该事件以各种方式出现的所有可能性，预见事先可以预见

18、该事件以各种方式出现的所有可能性，预见它以某种特定方式出现的概率。它以某种特定方式出现的概率。202023/5/16结构设计中的不确定性因素l结构工程中的随机性结构工程中的随机性n物理、几何不确定性：如材料、杆件尺寸、截面积、残余物理、几何不确定性：如材料、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等相关因素。应力、初始变形等相关因素。n统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定经验技术性，这种不确定性称为统计的不确定性，来一定经验技术性

19、，这种不确定性称为统计的不确定性，是缺乏理论因素而成。是缺乏理论因素而成。n模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提假设、数学模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提假设、数学模型、边界条件以及目前结构技术水平难以在计算中反映模型、边界条件以及目前结构技术水平难以在计算中反映的种种因素，是很多不具备施工者完成因素，所导致理论的种种因素，是很多不具备施工者完成因素，所导致理论值实际承截力的差异，都归结为模型的不确定性。值实际承截力的差异，都归结为模型的不确定性。212023/5/16结构设计中的不确定性因素l总结总结n结构的设计、施工和使用过程中存在大量的随机不确定性结构的设计、施工和使用过程中

20、存在大量的随机不确定性因素；因素；n荷载及结构的抗力不是确定性的量，它们是随机变量，因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！此绝对可靠的结构设计是不存在的！n由于结构的荷载和抗力存在随机不确定性，所以必须采用由于结构的荷载和抗力存在随机不确定性，所以必须采用结构可靠度理论研究结构的可靠性问题。结构可靠度理论研究结构的可靠性问题。222023/5/16结构可靠度的概念 l结构的功能要求结构的功能要求1.能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用；能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用；2.保持良好的使用性能；保持良好的使用性能；3.具有足够的耐久性能；

21、具有足够的耐久性能；4.当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力；当发生火灾时，在规定的时间内可保持足够的承载力；5.当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时，结构能保持当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时，结构能保持必需的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防必需的整体稳固性，不出现与起因不相称的破坏后果，防止出现结构的连续倒塌。止出现结构的连续倒塌。（1）、（）、（4）、（）、（5）为结构的安全性；）为结构的安全性；（2）为结构的适用性；）为结构的适用性；（3）为结构的耐久性）为结构的耐久性统称为结构的可靠性统称为结构的可靠性232023/5/16结构可靠度的概念 l安全性安全

22、性n如（如（MMu）n结构在预定使用期间内（一般为结构在预定使用期间内（一般为50年），应能承受在正常年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。和收缩变形受到约束时）等的作用。n所需要考虑的问题有：所需要考虑的问题有：正常情况下荷载的随机性正常情况下荷载的随机性正常情况下结构构件材料强度的随机性正常情况下结构构件材料强度的随机性结构计算分析的误差：结构模型、承载力模型结构计算分析的误差：结构

23、模型、承载力模型242023/5/16结构可靠度的概念 l适用性适用性n如（如（f f）n结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。结构在正常使用期间，具有良好的工作性能。n如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振如不发生影响正常使用的过大的变形（挠度、侧移）、振动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂动（频率、振幅），或产生让使用者感到不安的过大的裂缝宽度。缝宽度。252023/5/16结构可靠度的概念 l耐久性耐久性n如（如（wmax wmax）n结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性结构在正常使用和正常维护条件下，应具有足够的耐久性。n在在各各种种环环境境作

24、作用用因因素素的的影影响响下下（如如温温度度、湿湿度度及及各各种种有有害害物物质质），结结构构材材料料的的性性能能不不应应在在预预定定使使用用期期限限内内产产生生明明显显的的劣劣化化或或腐腐蚀蚀，以以致致影影响响结结构构的的正正常常使使用用，甚甚至至导导致致结结构构的的承承载载力力和和刚刚度度明明显显降降低低，从从而而影影响响结结构构适适用用性性和和安安全全性性。n除环境作用因素外，结构长期承受疲劳荷载也会导致材料除环境作用因素外，结构长期承受疲劳荷载也会导致材料强度降低，也会影响结构的适用性和安全性。强度降低，也会影响结构的适用性和安全性。n结构的耐久性是以满足正常使用要求的时间，即使用寿命

25、结构的耐久性是以满足正常使用要求的时间，即使用寿命来衡量的。来衡量的。262023/5/16结构可靠度的概念 l结构可靠度结构可靠度结构在规定的时间内，规定的条件下结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率完成预定功能的概率。是是结构可靠性的概率度量。结构可靠性的概率度量。n规定的时间：一般是指设计使用基准期。在同样的条件下，规定的时间：一般是指设计使用基准期。在同样的条件下，规定的时间越长，结构的可靠度越低。规定的时间越长，结构的可靠度越低。n规定的条件：指正常设计、正常施工、正常使用、正常维规定的条件：指正常设计、正常施工、正常使用、正常维修，排除人为错误或过失因素。修，排除人为

26、错误或过失因素。l结构可靠性结构可靠性结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。力。272023/5/16极限状态设计原则l极限状态极限状态n结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是结构能够满足功能要求而良好地工作，则称结构是“可靠可靠”的或的或“有效有效”的。反之，则结构为的。反之，则结构为“不可靠不可靠”或或“失效失效”。n区分结构区分结构“可靠可靠”与与“失效失效”的临界工作状态称为的临界工作状态称为“极限极限状态状态”。整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足设计整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态成为该功能的极限状态。指定的某一功能要求，这个特定状态成为该功能的极限状态。按此状态进行设计的原则称为极限状态设计原则。按此状态进行设计的原则称为极限状态设计原则。282023/5/16第 1 讲结束结束29