工程結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算方法

第九章章結(jié)構(gòu)可可靠度度分析析內(nèi)容提提要第一節(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)可可靠度度基本本概念念一、結(jié)結(jié)構(gòu)的的功能能要求求二、極極限狀狀態(tài)、、極限限狀態(tài)態(tài)方程程三、結(jié)結(jié)構(gòu)的的可靠靠度四、結(jié)結(jié)構(gòu)可可靠指指標(biāo)第二節(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)可可靠度度分析析的實(shí)實(shí)用方方法一、中心心點(diǎn)法二、驗(yàn)算算點(diǎn)法第三節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)體體系的可可靠度一、基本本概念二、結(jié)構(gòu)構(gòu)體系可可靠度的的上下界界第一節(jié)結(jié)構(gòu)可靠靠度基本本概念一、結(jié)構(gòu)構(gòu)的功能能要求結(jié)構(gòu)在規(guī)規(guī)定的設(shè)計(jì)使用用年限內(nèi)應(yīng)滿足足下列功功能要求求：1、在正常常施工和和正常使使用時(shí)，，能承受受可能出出現(xiàn)的各各種作用用2、在正常常使用時(shí)時(shí)具有良良好的工工作性能能3、在正常常維護(hù)下下具有足夠的耐耐久性4、在設(shè)計(jì)計(jì)規(guī)定的的偶然事事件發(fā)生生時(shí)及發(fā)發(fā)生后，，仍能保保持必要要的整體穩(wěn)定定性1項(xiàng)、4項(xiàng)結(jié)構(gòu)安全全性的要要求2項(xiàng)結(jié)構(gòu)適用用性的要要求3項(xiàng)結(jié)構(gòu)耐久久性的要要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)時(shí)間（設(shè)計(jì)使使用年限限）內(nèi)，在規(guī)定的條條件下（正常設(shè)設(shè)計(jì)、正正常施工工、正常常使用）），完成預(yù)定定功能的的能力~結(jié)構(gòu)的可可靠性，，包括結(jié)結(jié)構(gòu)的安安全性、、適用性性和耐久久性(聯(lián)接)設(shè)計(jì)使用用年限(designworkinglife)-設(shè)計(jì)規(guī)定定的結(jié)構(gòu)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件不不需進(jìn)行行大修即即可按其其預(yù)期目目的使用的時(shí)時(shí)期-即房屋結(jié)結(jié)構(gòu)在正正常設(shè)計(jì)計(jì)、正常常施工、、正常使使用和正正常維護(hù)護(hù)下所應(yīng)應(yīng)達(dá)到的的使用年年限，如如達(dá)不到到這個(gè)年年限則意意味著在在設(shè)計(jì)、、施工、、使用與與維修的的某一環(huán)環(huán)節(jié)上出出現(xiàn)了非非正常情情況，應(yīng)應(yīng)查找原原因類別設(shè)計(jì)使用年限（年）示例15臨時(shí)性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)(返回)GB50068—2001規(guī)定：結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)使用年年限分類類設(shè)計(jì)基準(zhǔn)準(zhǔn)期(designreferenceperiod)--為確定可可變作用用及時(shí)間間有關(guān)的的材料性性能等取取值而選選用的時(shí)時(shí)間參數(shù)數(shù)規(guī)范所采采用的設(shè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)準(zhǔn)期為50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)準(zhǔn)期不等等同于建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)使用年年限足夠的耐耐久性--指結(jié)構(gòu)在在規(guī)定的的工作環(huán)環(huán)境中，，在預(yù)定定時(shí)期內(nèi)內(nèi)，其材材料性能能的惡化化不致導(dǎo)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)出現(xiàn)不不可接受受的失效效概率。。從工程概概念上講講，足夠夠的耐久久性就是是指在正正常維護(hù)護(hù)條件下下結(jié)構(gòu)能能夠正常常使用到到規(guī)定的的設(shè)計(jì)使使用年限限。整體穩(wěn)定定性--指在偶然然事件發(fā)發(fā)生時(shí)和和發(fā)生后后，建筑筑結(jié)構(gòu)僅僅產(chǎn)生局局部的損損壞而不不致發(fā)生生連續(xù)倒倒塌(返回)二、極限限狀態(tài)、、極限狀狀態(tài)方程程“極限狀狀態(tài)(limitstate)”定義整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)的一部部分超過(guò)過(guò)某一特定狀態(tài)態(tài)(達(dá)到極限限承載力力；失穩(wěn)穩(wěn)；變形形、裂縫縫寬度超超過(guò)某一一規(guī)定限限制等)就不能滿足足設(shè)計(jì)規(guī)定定的某一功功能要求，，此特定狀狀態(tài)稱為該功能的極極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限限狀態(tài)結(jié)構(gòu)失效的的臨界狀態(tài)態(tài)“極限狀態(tài)態(tài)”分類承載能力極極限狀態(tài)正常使用極極限狀態(tài)承載能力極極限狀態(tài)--結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到到最大承載載力或不適于繼續(xù)續(xù)承載的變變形承載能力極極限狀態(tài)標(biāo)標(biāo)志（1）整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的的一部分作作為剛體失失去平衡（2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件件或連接因因超過(guò)材料料強(qiáng)度而破破壞(包括疲勞破壞)，或因過(guò)度變形形而不適于于繼續(xù)承載載（3）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變變?yōu)闄C(jī)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)（4）結(jié)構(gòu)或結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪喪失穩(wěn)定性性(5)地基喪失承承載力而破破壞保證結(jié)構(gòu)或或構(gòu)件的安安全性正常使用極極限狀態(tài)-結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到到正常使用用或耐久性的某某項(xiàng)規(guī)定限限值正常使用極極限狀態(tài)標(biāo)標(biāo)志（1）影響正常常使用或外外觀的變形形（2）影響正常常使用或耐耐久性的局局部破壞(包括裂縫)（3）影響正常常使用的振振動(dòng)（4）影響正常常使用的其其它特定狀狀態(tài)（例：：滲漏、腐腐蝕、凍害害等)保證結(jié)構(gòu)或或構(gòu)件的適適用性、耐耐久性結(jié)構(gòu)的三種種設(shè)計(jì)狀態(tài)態(tài)（根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)在施工和和使用中的的環(huán)境條件件和影響））1、持久狀況—在結(jié)構(gòu)使用用過(guò)程中一一定出現(xiàn)，，其持續(xù)期很長(zhǎng)(一般與設(shè)計(jì)計(jì)使用年限限為同一數(shù)數(shù)量級(jí))的狀況。2、短暫狀況—在結(jié)構(gòu)施工工和使用過(guò)過(guò)程中出現(xiàn)現(xiàn)概率較大大，而與設(shè)設(shè)計(jì)使用年年限相比，，持續(xù)期很很短的狀況況。如施工工和維修等等。3、偶然狀況—在結(jié)構(gòu)使用用過(guò)程中出出現(xiàn)概率很很小，且持持續(xù)期很短短的狀況，，如火災(zāi)、、爆炸、撞撞擊等。建筑結(jié)構(gòu)的的三種設(shè)計(jì)計(jì)狀況應(yīng)分分別進(jìn)行承承載力極限限狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)1、對(duì)三種狀狀況，均應(yīng)進(jìn)行承載載力極限狀狀態(tài)設(shè)計(jì)2、對(duì)持久狀狀況，尚應(yīng)進(jìn)行正常常使用極限限狀態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)3、對(duì)短暫狀狀況，可根據(jù)需要要進(jìn)行正常使使用極限狀狀態(tài)設(shè)計(jì)極限狀態(tài)方方程基本變量:作用效應(yīng)S、結(jié)構(gòu)抗力R--隨機(jī)變量結(jié)構(gòu)的功能能函數(shù)Z=g(R,S)=R-S極限狀態(tài)方方程Z=g(R,S)=R-S=0SRZ=R-S=0Z>0可靠區(qū)Z<0失效區(qū)0三、結(jié)構(gòu)的的可靠度定義--結(jié)構(gòu)在規(guī)定定時(shí)間內(nèi)，，在規(guī)定條條件下完成成預(yù)定功能能的概率結(jié)構(gòu)可靠性性的概率度度量結(jié)構(gòu)可靠度度是以正常常設(shè)計(jì)、正正常施工、、正常使用用為條件的的，不考慮慮人為過(guò)失失的影響。。人為過(guò)失應(yīng)應(yīng)通過(guò)其他他措施予以以避免。結(jié)構(gòu)可靠度度的度量結(jié)構(gòu)可靠度度滿足：Z>0具有相當(dāng)大大的概率或Z<0具有相當(dāng)小小的概率結(jié)構(gòu)完成預(yù)預(yù)定功能的的概率Ps=P(Z0)--可靠概率結(jié)構(gòu)不能完完成預(yù)定功功能的概率率Pf=P(Z<0)--失效概率Ps+Pf=1→Pf=1-Ps采用失效概率Pf來(lái)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)的可靠度度四、結(jié)構(gòu)可可靠指標(biāo)若R~N(R,R)，S~N(S,S)，且R、S相互獨(dú)立Z=R-S~N(z,z)，z=R-S，2z=2R+2S可用結(jié)構(gòu)可可靠指標(biāo)來(lái)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)的可靠性性↓Ps+Pf=1=z/zPfPs↑Pf=1-()結(jié)構(gòu)可靠指指標(biāo)第二節(jié)結(jié)構(gòu)可靠度度分析的實(shí)實(shí)用方法中心點(diǎn)法~只適用于基基本變量為為正態(tài)分布布、功能函函數(shù)為線性性的情況一、中心點(diǎn)點(diǎn)法根據(jù)概率論論中心極限限定理，當(dāng)當(dāng)n，Z近似服從正正態(tài)分布=z/zPf=1-()驗(yàn)算點(diǎn)法（（JCSS建議）~能夠考慮非非正態(tài)基本本變量、非非線性極限限狀態(tài)方程程=z/zPf=1-()將Z在各變量的的均值點(diǎn)處處展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)，并取線性性項(xiàng)二、驗(yàn)算點(diǎn)點(diǎn)法（以兩個(gè)正正態(tài)基本變變量R、S情況為例））多個(gè)正態(tài)基基本變量情情況——自學(xué)多個(gè)非正態(tài)態(tài)基本變量量情況——自學(xué)將一般正態(tài)分布N（,）標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分分布N（0，1）坐標(biāo)變換極限狀態(tài)方方程：極限狀態(tài)方方程：驗(yàn)算點(diǎn)第四節(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)體系系的可靠度度結(jié)構(gòu)構(gòu)件(包括連接））的可靠度度結(jié)構(gòu)體系可可靠度?一、基本概概念1、結(jié)構(gòu)構(gòu)件件的失效性性質(zhì)（根據(jù)其材材料和受力力性質(zhì)不同同）脆性構(gòu)件--一旦失效立立即完全喪喪失功能的的構(gòu)件延性構(gòu)件--失效后仍能能維持原有有功能的構(gòu)構(gòu)件構(gòu)件失效性性質(zhì)的不同同，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)體系可靠靠度的影響響不同2、結(jié)構(gòu)體系系的失效模模型組成結(jié)構(gòu)的的方式（靜靜定、超靜靜定）構(gòu)件失效性性質(zhì)（脆性性、延性））串聯(lián)模型、、并聯(lián)模型型、串-并聯(lián)模型（1）串聯(lián)模型型若結(jié)構(gòu)中任任一構(gòu)件失失效，則整整個(gè)結(jié)構(gòu)也也失效，這這類結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)~串聯(lián)模型所有靜定結(jié)結(jié)構(gòu)的失效分析析~串聯(lián)模型由脆性構(gòu)件件做成的超超靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)的失效分析析~串聯(lián)模型PPPSS桁架桿件~若構(gòu)件中有有一個(gè)或一一個(gè)以上的的構(gòu)件失效效，剩余的的構(gòu)件或失失效的延性性構(gòu)件，仍仍能維持整整體結(jié)構(gòu)的的功能排架柱所有超靜定定結(jié)構(gòu)的失失效分析~并聯(lián)模型（2）并聯(lián)模型型(3)串—并聯(lián)模型在延性構(gòu)件件組成的超超靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)中，若結(jié)結(jié)構(gòu)的最終終失效狀態(tài)態(tài)不限于一一種，則這這類結(jié)構(gòu)系系統(tǒng)~串-并聯(lián)模型鋼構(gòu)架截面塑性鉸鉸元件15234111555244433212451345234由脆性構(gòu)件件組成的超超靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)并聯(lián)子系系統(tǒng)可簡(jiǎn)化化為一個(gè)單單元?串聯(lián)模型（當(dāng)一個(gè)元元件發(fā)生破破壞，就可可近似認(rèn)為為整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)破壞）二、結(jié)構(gòu)體體系可靠度度的上下界界同一結(jié)構(gòu)中中不同構(gòu)件件的失效有有一定相關(guān)關(guān)性各失效形態(tài)態(tài)間存在相相關(guān)性結(jié)構(gòu)體系可可靠度的上上、下界各構(gòu)件的工工作狀態(tài)Xi、失效狀態(tài)Xi、各構(gòu)件失效效概率Pfi結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失失效概率Pf1、串聯(lián)系統(tǒng)統(tǒng)▲元件（n個(gè)）工作狀狀態(tài)完全獨(dú)獨(dú)立▲元件（n個(gè)）工作狀狀態(tài)完全相相關(guān)▲一般串聯(lián)系系統(tǒng)失效概概率Pf對(duì)于靜定結(jié)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)體系的可可靠度總≤構(gòu)件的可靠靠度2、并聯(lián)系統(tǒng)統(tǒng)元件（n個(gè)）工作狀狀態(tài)完全獨(dú)獨(dú)立元件（n個(gè)）工