结构可靠度设计.ppt

Changsha University of Science & Technology 第6章 结构可靠性设计 杨春侠 长沙理工大学土木工程学院 Date1 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 第6章 结构可靠性设计 确定目标可靠指标的方法 校准法 截面设计 设计实用表达式 分项系数确定方法 2 Changsha University of Science & Technology 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: PRS=ps 可靠度ps的大小对结构设计的影响 6.1 结构设计的目标 ps太大 ps太小 成本高 失效概率大 目标可靠度的确定应考虑经济与安全的合理平衡 Date3 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 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 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 关系到社会、政治、经济、生命财产等一系列方 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 Date4 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 三、设计可靠指标的确定 1、确定设计可靠指标的影响因素： (1)公众心理； (2)结构重要性； (3)结构破坏性质； (4)社会经济承受力。 2、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 一个为公众所能接受的失效概率即可靠指标。 Date5 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 事故年死亡率事故年死亡率 爬山、赛 车 汽车旅行 飞机旅行游泳 采矿结构施工 房屋失火电击 雷击暴风 一些事故的年死亡率 Date6 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 年危险率可承受人群 10-3胆大的人 10-4一般的人 10-5不再考虑其危险性 50年失效率公众心理 较安全 安全 很安全 不同人群可承受的年危险率 公众对50年失效率的接受程度 Date7 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology u据此建议结构的年失效概率为110-5,大致相当于房屋在正 常使用年限50年的失效概率为510-4。当功能函数为正态分布 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 设计可靠指标不易为人们所公认。 u所谓校准法，就是通过对现行设计规范安全度的校核（反演 计算），找出隐含于现行规范中的可靠指标，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 。 u现行设计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 Date8 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 5、结构破坏性质的影响 脆性结构 ps 延性结构 ps 6、社会经济承受力的影响 经济越发达 ps 4、结构重要性的影响 一般结构 ps 重要结构 ps 次要结构 ps 脆性结构 延性结构 Date9 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 四、校准法 1、制订规范的基本思想 u规范与科学技术的结论并不能等同。同一个时期，世界上 可以同时存在几十种结构设计规范，根据它们进行设计， 一般来讲都是安全的。 u规范的制定，不仅与科学技术发展有关，还与一个国家特 定时期特定的技术经济条件和国家方针政策、社会心理等 因素有关。 u加拿大的林德曾经说：“规范无非是有代表性的专家对结构 的一种权衡”。 u要求设计者遵循一种规范，就是规定他们必须按照统一的 一套算法做设计，按照规定的步骤设计。 Date10 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 2、修改规范的基本思想 规范体系本身也需要“设计”，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。 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 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 10%，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“校准 ”(Calibrating)。 我国、美国、加拿大和欧洲的一些国家都采用校准法。 Date11 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 3、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 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 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 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 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。 Date12 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 4、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 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， 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 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 老规范中的14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。 Date13 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 5、校准法的计算步骤 （1）选取可变荷载效应与永久荷载效应的比值SQK/SGK， 假定SGK值，可得SQK= SGK ； （2）根据老规范设计公式计算抗力标准值RK=K(SQK+SGK)； （3）根据荷载和抗力的统计分析结果及SQK、SGK、RK确定随 机变量SQ、SG、R的概率模型和统计参数； （4）用验算点法计算Z= R-SQ-SG=0对应的可靠指标； （5）改变荷载效应比，重复（1）-（4）逐个对14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； （6）计算可靠指标的加权平均值得老规范的总体可靠指标。 Date14 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 【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， 已知恒载效应NG为正态分布，活载效应NL为极值型分布，抗 力R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 =2时，与老规范轴心受压构件的安全系 数K=1.55相对应的可靠指标值。 【解】(1) 设NGk5，因2，故NLk10。 (2)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：R-NG-NL=0 Date15 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： RKRRK=1.3323.2530.92 R= RR30.920.175.26 NGKGNGK=1.0655.3 NGNG NG5.30.07=0.37 NLKLNLK=0.710=7.0 NLNL NL70.29=2.03 (5)按第3章验算点法，可求得3.61，相应的pf1.5310 4 (计算过程略)。 Date16 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 五、设计可靠指标 设计(目标)可靠度指标（建筑结构） 破坏类型重要结构一般结构 次要结构 延性结构3.73.22.7 脆性结构4.23.73.2 在编制统一标准过程中，选择了老规范中的14种具有 代表性的结构构件进行了分析，在三种基本荷载组合下， 14种构件可靠指标的总平均值为3.3，属于延性破坏的构件 的可靠度平均值为3.22。这反映了我国老规范规定的建筑结 构设计可靠度的一般水准。 Date17 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology 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 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 公路路面结构的目标可靠指标 值 Date18 东南大学6章 结构可靠性设计 Changsha University of Science & Technology u可靠度复核： u直接设计法： 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 指标和各变量在验算点处的坐标值。 以目标可靠指标 及各基本变量的统计特征，反求构件 抗力来设计构件截面。 6.2 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： （1）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 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。 Date19 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 （1）极限状态方程为线性 R和S均服从正态分布，则抗力平均值为 给定结构可靠指标，且已知S的统计参数S 、dS和R的 统计参数kR 、dR，由上式可求得R，并可求出抗力标准 值Rk 根据Rk进行截面设计。 Date20 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Xi的平均值Xi。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Xi值，计算 复杂。 （2）极限状态方程为非线性，或含有非正态基本变量 【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， 已知恒载产生的轴向力NG为正态分布，活载产生的轴向力NL为 极值型分布，抗力R为对数正态分布，统计参数分别为NG 636kN，NG0.07， NL840kN， NL0.29， R0.17，极 限状态方程为ZRNGNL0，试求目标可靠指标=3.7时的 截面抗力平均值R。若KR=1.33, C30混凝土，HRB335钢筋，试 设计截面尺寸和配筋。 Date21 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 （1）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 （3）当量正态化，可得 （4）计算方向余弦 （5）计算新一轮验算点坐标 （6）重复（2）-（5），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 R的当量正态均值 ； Date22 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） （8）计算抗力R的均值，由 得 （9）计算抗力标准值 （10）假定截面尺寸，计算钢筋用量 Date23 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 复核步骤为根据已知的设计基本变量的