结构抗力统计分析.ppt

荷载与结构设计方法 7 1结构抗力的不定性 7 2抗力的统计参数和概率分布类型 7 3材料的标准强度及其设计取值 第7章结构抗力统计分析 结构抗力概念 构件抗力 R 指构件承受各种作用的能力 它与构件的荷载效应S相对应 结构抗力分四个层次 整体结构抗力 如整体结构承受风荷载的能力 结构构件抗力 如构件在轴力 弯矩作用下的承载能力 构件截面抗力 构件截面抗弯 抗剪的能力 截面各点的抗力 截面各点抵抗正应力 剪应力的能力 7 1结构抗力的不定性 荷载效应为作用内力 抗力为构件承载能力 荷载效应为作用变形 抗力为构件抵抗变形的能力 对结构抗力的讨论只针对结构构件 含构件截面 结构抗力与结构荷载效应相对应 即 承载力验算 针对结构构件 变形验算 针对结构构件或整体结构 7 1结构抗力的不定性 抗力分析方法 直接统计分析非常困难 采用间接方法 即 对抗力的各种主要影响因素进行统计分析 确定其统计参数 通过抗力与各有关因素的函数关系 从各种因素的统计参数推求抗力的统计参数和概率分布类型 确定构件抗力及其各项影响因素的统计参数时 采用以下近似公式 7 1结构抗力的不定性 误差传递公式 设随机变量Z为相互独立的X1 X2 Xn的函数 即 则Z的均值 方差 变异系数分别为 7 1结构抗力的不定性 影响构件抗力的不定性因素 材料性能 如强度 弹性模量 几何参数 如截面尺寸 惯性矩 计算模式的精确度 均为相互独立的随机变量 7 1结构抗力的不定性 材料性能的不定性 指材料质量因素以及工艺 加荷 环境 尺寸等因素引起的结构构件中材料性能的变异性 材料性能一般采用标准试件和标准试验方法确定 还要考虑实际构件与标准试件 实际工作条件与标准试验条件的差异 7 1结构抗力的不定性 7 1 1材料性能的不定性 材料性能的不定性 标准试件材料性能的不定性 试件材料性能换算为构件材料性能的不定性 以随机变量 f来表示构件材料性能的不定性 即 式中 fj 结构构件实际的材料性能值 fs 试件材料性能值 fk 规范规定的试件材料性能的标准值 w0 规范规定的反映结构构件材料性能与试件材料性能差别的系数 如考虑缺陷 尺寸 施工质量 加荷速度 试验方法等因素影响的系数或其函数 7 1结构抗力的不定性 7 1 1材料性能的不定性 令 则 式中 0 反映结构构件材料性能与试件材料性能差别的随机变量 fs 反映试件材料性能不定性的随机变量 7 1结构抗力的不定性 7 1 1材料性能的不定性 由误差传递公式 f的平均值与变异系数为 式中 随机变量 0 fs的平均值及试件材料性能fs的平均值 随机变量 0的变异系数及试件材料性能fs的变异系数 7 1结构抗力的不定性 7 1 1材料性能的不定性 几何参数的不定性 指制作尺寸偏差和安装误差等引起的结构构件几何参数的变异性 它反映了制作安装后的实际构件与所设计的标准结构构件之间几何上的差异 一般构件可仅考虑截面几何特征 如宽度 高度 有效高度 面积 面积矩 抵抗矩 惯性矩 箍筋间距等参数 的变异 而构件长度和跨度可按定值处理 7 1结构抗力的不定性 7 1 2几何参数的不定性 以随机变量 a来表示结构构件几何参数的不定性 即 式中a 结构构件的实际几何参数值 ak 结构构件的几何参数标准值 一般取设计值 则 a的统计参数为 式中 a a 构件几何参数的平均值及变异系数 7 1结构抗力的不定性 7 1 2几何参数的不定性 几何参数的变异性一般随几何尺寸的增大而减小 建筑工程 表7 2列出了我国对各类建筑结构构件几何参数进行大量实测得到的统计参数 公路工程 根据各级公路不同的目标可靠指标 将统计的变异范围分为低 中 高三级水平 见下表 7 1结构抗力的不定性 7 1 2几何参数的不定性 表a水泥混凝土路面面板厚度的变异系数 水泥混凝土路面 几何参数不定性主要指面板厚度的变异性 沥青路面 几何参数不定性则指结构层的底基层厚度 基层厚度和面层厚度的变异性 7 1结构抗力的不定性 7 1 2几何参数的不定性 表b沥青路面结构层厚度的变异系数 7 1结构抗力的不定性 7 1 2几何参数的不定性 计算模式的不定性 指抗力计算中采用的某些基本假定的近似性和计算公式的不精确性等引起的对结构构件抗力估计的变异性 反映了计算抗力与实际抗力间的差异 式中Ro 结构构件的实际抗力值 取试验值或精确计算值 Rc 按规范公式计算的结构构件抗力值 计算应采用材料性能和几何尺寸实际值 7 1结构抗力的不定性 7 1 3计算模式的不定性 不定性 f a和 p均是无量纲随机变量 其统计参数适用于各地区和各种使用情况 随着统计数据的不断充分和统计方法的不断完善 上述统计参数将会有所变化 我国规范通过对各类构件 p的统计分析 求得其平均值和变异系数 见表7 3 7 1结构抗力的不定性 7 1 3计算模式的不定性 单一材料构件 钢 木 砖等组成的结构构件 其实际抗力R的表达式为 式中Rk 按规范规定的材料性能和几何参数标准值及抗力计算公式求得的抗力标准值 可表达为 7 2结构抗力的不定性 7 2 1抗力的统计参数 由误差传递公式 可求得抗力R的平均值为 也可将抗力的平均值用无量纲的系数 R表示 即 抗力R的变异系数为 7 2结构抗力的不定性 7 2 1抗力的统计参数 多种材料构件 钢筋混凝土构件等抗力R的表达式为 考虑材料性能及几何参数不定性后 有 式中RP R 由计算公式确定的构件抗力值 它是各种材料性能和几何参数不定性的函数 7 2结构抗力的不定性 7 2 1抗力的统计参数 fci 构件中第i种材料的实际性能值 ai 与第i种材料相应的构件实际几何参数 fi 构件中第i种材料的材料性能随机变量 k0i 反映构件第i种材料的材料性能差异的影响系数 fki 构件中第i种材料的性能标准值 ai 与第i种材料相应的构件几何参数随机变量 aki 与第i种材料相应的构件几何参数标准值 7 2结构抗力的不定性 7 2 1抗力的统计参数 抗力Rp的均值 标准差和变异系数为 7 2结构抗力的不定性 7 2 1抗力的统计参数 Xi 有关的变量fi和ai 结构构件抗力R的统计参数为 其中 式中Rk R 按规范计算的抗力标准值 各种结构构件抗力的统计参数 R和 R见表7 4 7 2结构抗力的不定性 7 2 1抗力的统计参数 结构构件抗力R是多个随机变量的函数 如果已知每个随机变量的概率分布 通过多维积分求出抗力R的概率分布是很困难的 可采用模拟方法 如Monte Carlo模拟法 来推求抗力的概率分布函数 对实际工程 可由概率理论假定抗力的概率分布 7 2结构抗力的不定性 7 2 2结构构件抗力的分布类型 7 2结构抗力的不定性 抗力R的计算模式多为R X1X2X3 等形式 因此可近似认为 无论X1 X2 Xn为何种概率分布 结构构件抗力R的概率分布类型均可假定为对数正态分布 如Y X1X2 Xn 则 当n充分大时 lnY也近似服从正态分布 则Y近似服从对数正态分布 概率论的中心极限定理 若随机变量序列X1 X2 Xn中的任何一个都不占优势 当n充分大时 无论X1 X2 Xn具有怎样的分布 只要它们相互独立 则近似服从正态分布 7 2 2结构构件抗力的分布类型 7 3材料的标准强度及其设计取值 7 3 1材料强度的标准值 材料性能标准值是指符合规定质量的材料性能概率分布的某一分位值材料性能主要包括强度 弹性模量和变形模量等混凝土 钢材 砌体材料强度的概率分布一般服从正态分布材料强度标准值是结构设计时所采用的材料强度的基本代表值 用于结构正常使用极限状态的验算 7 3材料的标准强度及其设计取值 7 3 1材料强度的标准值 材料强度标准值的取值原则 在符合规定质量的材料强度实测总体中 强度标准值取具有95 保证率的强度值 即按材料强度概率分布的0 05分位值确定 7 3材料的标准强度及其设计取值 7 3 1材料强度的标准值 材料性能设计值是指材料强度的标准值除以材料分项系数 即 7 3材料的标准强度及其设计取值 7 3 2材料强度的设计值 1 立方体抗压强度fcu 混凝土强度等级混凝土的强度等级是用立方体抗压强度来划分的混凝土强度等级 边长150mm立方体为标准试件 在标准条件下 20 3 90 湿度 养护28天 用标准试验方法测得的具有95 保证率的立方体抗压强度 用符号C表示 C30表示fcuk 30N mm2 水工混凝土强度范围 从C10 C60共划分为11个强度等级 级差为5N mm2 根据新 规范 强度范围 从C15 C80共划分为14个强度等级 级差为5N mm2 与原 规范GBJ10 89 相比 混凝土强度等级范围由C60提高到C80 C50以上为高强混凝土 式中 为棱柱体强度与立方体强度之比 对混凝土强度等级为C50及以下的取 1 0 76 对C80取 1 0 82 在此之间按直线规律变化取值 为高强度混凝土的脆性折减系数 对C40及以下取 2 1 00 对C80取 2 0 87 中间按直线规律变化取值 0 88 为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系