結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理課件

1、結(jié)構(gòu)荷載與可靠度設(shè)計原理主講教師：李鴻晶教授、博士 孫廣俊副教授、博士南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院12022/7/28目的和任務(wù) 認(rèn)識工程領(lǐng)域中普遍存在的不確定性因素及其對工程安全性的影響，掌握不確定性概念與基本的概率分析方法。了解工程設(shè)計規(guī)范中的可靠度理論基礎(chǔ)，掌握工程可靠度概念及其基本的結(jié)構(gòu)可靠度評估方法。熟悉不同結(jié)構(gòu)荷載的產(chǎn)生背景及其物理特征，掌握這些荷載的計算方法。22022/7/28基本要求掌握結(jié)構(gòu)可靠度理論的基本概念和基本求解方法；掌握現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的理論背景和實用設(shè)計方法；了解荷載與抗力的概率模型與統(tǒng)計分析方法；掌握工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮的各種主要荷載的產(chǎn)生背景及計算方法。32022

2、/7/28前期課程要求高等數(shù)學(xué)、概率論；理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)；混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。42022/7/28課程內(nèi)容1.結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與結(jié)構(gòu)可靠度 2.結(jié)構(gòu)可靠度分析3.結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法4.結(jié)構(gòu)荷載統(tǒng)計分析5.結(jié)構(gòu)抗力統(tǒng)計分析6.重力計算7.側(cè)壓力力計算8.風(fēng)荷載計算9.其他作用計算10.典型結(jié)構(gòu)的荷載計算示例第一部分重點：結(jié)構(gòu)可靠度分析的概念和原理、荷載與結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計分析難點：理論性強且較抽象，較難理解與掌握 第二部分重點：各種重要荷載的概念、原理和計算方法難點：涉及的荷載形式多樣，容易產(chǎn)生混淆52022/7/28參考教材和相關(guān)規(guī)范62022/7/28第 1 講結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與結(jié)構(gòu)可靠度

3、72022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 工程結(jié)構(gòu)：工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)公路、鐵路（橋梁）結(jié)構(gòu)水利工程等結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計步驟 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案和型式根據(jù)選定的結(jié)構(gòu)型式設(shè)計結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的截面 它們在相當(dāng)長的使用期內(nèi)，需要安全地承受各種使用荷載，經(jīng)受氣象作用，以及波浪、地震等自然作用。它們的安全與否，不但影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且還關(guān)系到人身安危。特別是對一些重要的紀(jì)念性建筑物，作為一個劃時代的文化特征，將流傳后世，對安全、適用、美觀、耐久等方面，還有更高的要求。82022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的：設(shè)計滿足功能要求的結(jié)構(gòu),也就是把外界作用對結(jié)構(gòu)的效應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身的抵抗力來加以比較，以達(dá)到

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計既安全又經(jīng)濟的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的兩個方面 如何考慮材料固有的性能，使結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析日趨完善；結(jié)構(gòu)設(shè)計中所用結(jié)構(gòu)設(shè)計理論由于采用了現(xiàn)代力學(xué)方法、計算機和完善的實驗，所以更精確。如何合理地選擇影響結(jié)構(gòu)安全的參數(shù)，如荷載值、材料強度值以及安全系數(shù)等。若不考慮荷載、材料強度等參數(shù)的不確定性和它們對結(jié)構(gòu)安全的影響，那就會與日益精確的力學(xué)分析不相匹配。例如安全系數(shù)取大些，荷載值取大些，就多用材料造成不必要的浪費；反之就會造成危險。92022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 結(jié)構(gòu)設(shè)計的根本問題：如何在結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性之間選擇一種最佳的平衡，力求以最經(jīng)濟的途徑使所建造的結(jié)構(gòu)以適當(dāng)?shù)目煽慷葷M足各種預(yù)定

5、的功能要求。102022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展：從伽利略至今三百余年里，結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了各種演變，可從以下兩個方面進(jìn)行歸納： 從結(jié)構(gòu)設(shè)計理論上 彈性理論 極限狀態(tài)理論 從設(shè)計方法上 定值設(shè)計法 概率設(shè)計法 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算的理論和方法容許應(yīng)力法 破損階段設(shè)計法 多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法 基于可靠性理論的概率極限狀態(tài)法112022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 容許應(yīng)力法構(gòu)件截面的最大應(yīng)力達(dá)到或超過材料的容許應(yīng)力時，構(gòu)件即失效（破壞）。鋼筋混凝土構(gòu)件混凝土應(yīng)力鋼筋應(yīng)力式中： 分別為安全系數(shù)。122022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 特點安全系數(shù)k是個大于1的數(shù)字，k越大，結(jié)構(gòu)的安全度就

6、越高，同時材料的用量就越多； 沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求；對于結(jié)構(gòu)一方面要考慮承載能力，另一方面也許考慮其 正常使用時裂縫、變形； 安全系數(shù)的確定主要憑借經(jīng)，缺乏嚴(yán)格科學(xué)依據(jù)。適用情況 當(dāng)結(jié)構(gòu)是非桿件結(jié)構(gòu)（如大體積壩體、空間薄殼結(jié)構(gòu)等）時，因規(guī)范沒有給出明確的計算公式，則彈性力學(xué)方法仍是較實用的分析方法。132022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 破損階段設(shè)計法構(gòu)件在外界作用下，某截面的內(nèi)力達(dá)到某極限內(nèi)力時，構(gòu)件即失效（破壞）。式中： 為截面中內(nèi)力， 為截面所能承受的極限彎矩， 為安全系數(shù) 受彎構(gòu)件142022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 特點考慮了材料塑性和強度的充分發(fā)揮，極限荷載可以直接

7、由試驗驗證，構(gòu)件的總安全度較為明確; 安全系數(shù)的確定依賴經(jīng)驗，且是一個定值; 沒有考慮結(jié)構(gòu)功能的多樣性要求,由于采用了極限平衡的理論，對荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及位移變化，無法做出適當(dāng)?shù)念A(yù)計。152022/7/28式中： 為標(biāo)準(zhǔn)荷載或效應(yīng)， 為相應(yīng)的超載系數(shù)， 為鋼筋及混凝土的強度， 為相應(yīng)的均質(zhì)系數(shù)， 為工作條件系數(shù)， 為截面幾何特性。結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 多系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法 構(gòu)件的極限狀態(tài)，不僅包括承載力的極限狀態(tài)，而且包括撓度（變形）及裂縫寬度的極限狀態(tài)，這已經(jīng)包含了安全性和適用性的一些概念 對于承載能力極限狀態(tài)，針對荷載、材料的不同變異性，不再采用單一系數(shù)，即多系數(shù)法。承載能力極限多系

8、數(shù)狀態(tài)表達(dá)式：162022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 材料強度，根據(jù)統(tǒng)計后按照一定的保證率，取其下限分位值； 荷載值也盡可能根據(jù)各種荷載的統(tǒng)計資料，按照一定的保證率，取其下限分位值； 材料強度系數(shù)、荷載系數(shù)仍按經(jīng)驗確定，對不同的荷載變異大小，取用不同的系數(shù)。特點安全系數(shù)的選取已經(jīng)從純經(jīng)驗性到了部分采用概率統(tǒng)計值； 設(shè)計方法的本質(zhì)依然是一種半經(jīng)驗半概率的方法。 172022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展 基于可靠性理論的概率極限狀態(tài)設(shè)計法 水準(zhǔn)半概率設(shè)計法，只對影響結(jié)構(gòu)可靠度的某些參數(shù)，用數(shù)理統(tǒng)計進(jìn)行分析，并與經(jīng)驗相結(jié)合，然后引入某些經(jīng)驗系數(shù)，該法對結(jié)構(gòu)的可靠度還不能作出定量的估計。 水準(zhǔn)近似概

9、率設(shè)計法，運用概率論和數(shù)理統(tǒng)計，對工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面設(shè)計的可靠概率作出較為近似的相對估計；分析中忽略或簡化了變量隨時間的關(guān)系，非線性極限狀態(tài)方程線性化。水準(zhǔn)全概率設(shè)計法，在對整個體系進(jìn)行精確概率分析的基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)失效概率作為結(jié)構(gòu)的直接度量。182022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不確定性因素 不確定性隨機性：由于事件發(fā)生的條件不充分，使得在條件與事件之間不能出現(xiàn)必然的因果關(guān)系，從而導(dǎo)致在事件的出現(xiàn)上表現(xiàn)出的不確定性，如“拋硬幣”等。人類認(rèn)識到的第一種不確定性。 解決手段：概率論、數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程理論。模糊性：由于概念邊界劃分標(biāo)準(zhǔn)的模糊不清而產(chǎn)生的不確定性稱為模糊性，例如，“高與矮”，“冷與熱”

10、等。 解決手段：模糊集合理論、模糊隨機過程理論。知識的不完善性：由于人類認(rèn)識上的局限性而造成的，所以又叫主觀認(rèn)識的未確定性，如“人體有多少根頭發(fā)”等。 解決手段：灰色系統(tǒng)理論。在結(jié)構(gòu)可靠性理論中以隨機性為研究重點192022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不確定性因素 隨機性特點事件可以在基本相同的條件下重復(fù)進(jìn)行。在基本相同條件下某事件可能以多種方式表現(xiàn)出來，事先不能確定它以何種特定方式發(fā)生。事先可以預(yù)見該事件以各種方式出現(xiàn)的所有可能性，預(yù)見它以某種特定方式出現(xiàn)的概率。 202022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不確定性因素結(jié)構(gòu)工程中的隨機性物理、幾何不確定性：如材料、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力、初始變形等相關(guān)

11、因素。統(tǒng)計的不確定性：在統(tǒng)計與穩(wěn)定性有關(guān)的物理量和幾何量時，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù)，因此帶來一定經(jīng)驗技術(shù)性，這種不確定性稱為統(tǒng)計的不確定性，是缺乏理論因素而成。模型的不確定性：為了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，所提假設(shè)、數(shù)學(xué)模型、邊界條件以及目前結(jié)構(gòu)技術(shù)水平難以在計算中反映的種種因素，是很多不具備施工者完成因素，所導(dǎo)致理論值實際承截力的差異，都?xì)w結(jié)為模型的不確定性。212022/7/28結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不確定性因素總結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和使用過程中存在大量的隨機不確定性因素；荷載及結(jié)構(gòu)的抗力不是確定性的量，它們是隨機變量，因此絕對可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計是不存在的！由于結(jié)構(gòu)的荷載和抗力存在隨機不確定性，所以

12、必須采用結(jié)構(gòu)可靠度理論研究結(jié)構(gòu)的可靠性問題。222022/7/28結(jié)構(gòu)可靠度的概念 結(jié)構(gòu)的功能要求能承受在施工和使用期間可能出現(xiàn)的各種作用；保持良好的使用性能；具有足夠的耐久性能；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，在規(guī)定的時間內(nèi)可保持足夠的承載力；當(dāng)發(fā)生爆炸、撞擊、人為錯誤等偶然事件時，結(jié)構(gòu)能保持必需的整體穩(wěn)固性，不出現(xiàn)與起因不相稱的破壞后果，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。（1）、（4）、（5）為結(jié)構(gòu)的安全性；（2）為結(jié)構(gòu)的適用性；（3）為結(jié)構(gòu)的耐久性統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)的可靠性232022/7/28結(jié)構(gòu)可靠度的概念 安全性如（MMu）結(jié)構(gòu)在預(yù)定使用期間內(nèi)（一般為50年），應(yīng)能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現(xiàn)的各種荷載、外

13、加變形（如超靜定結(jié)構(gòu)的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）等的作用。所需要考慮的問題有：正常情況下荷載的隨機性正常情況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料強度的隨機性結(jié)構(gòu)計算分析的誤差：結(jié)構(gòu)模型、承載力模型242022/7/28結(jié)構(gòu)可靠度的概念 適用性如（f f ）結(jié)構(gòu)在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發(fā)生影響正常使用的過大的變形（撓度、側(cè)移）、振動（頻率、振幅），或產(chǎn)生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。252022/7/28結(jié)構(gòu)可靠度的概念 耐久性如（wmax wmax）結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，應(yīng)具有足夠的耐久性。在各種環(huán)境作用因素的影響下（如溫度、濕度及各種有害物質(zhì)），結(jié)構(gòu)材料

14、的性能不應(yīng)在預(yù)定使用期限內(nèi)產(chǎn)生明顯的劣化或腐蝕，以致影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力和剛度明顯降低，從而影響結(jié)構(gòu)適用性和安全性。除環(huán)境作用因素外，結(jié)構(gòu)長期承受疲勞荷載也會導(dǎo)致材料強度降低，也會影響結(jié)構(gòu)的適用性和安全性。結(jié)構(gòu)的耐久性是以滿足正常使用要求的時間，即使用壽命來衡量的。262022/7/28結(jié)構(gòu)可靠度的概念 結(jié)構(gòu)可靠度結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。是結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。 規(guī)定的時間：一般是指設(shè)計使用基準(zhǔn)期。在同樣的條件下，規(guī)定的時間越長，結(jié)構(gòu)的可靠度越低。規(guī)定的條件：指正常設(shè)計、正常施工、正常使用、正常維修，排除人為錯誤或過失因素。結(jié)構(gòu)可靠性結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間