岩土工程结构可靠度.ppt

岩土工程结构可靠度，李地元资源与安全工程学院lidi园123 1351747018，岩土工程结构可靠度课程： 32学期：9-14周，每周授课3次(6学期) 2单位：选修课程教材： 岩土工程结构可靠度邓建编着成绩：平日成绩30% :适当的作业和课程考试成绩70% :倒退或倒退-未定教育计划和管理，必要的专业背景知识，概率论与数理统计，结构设计原理与方法，岩石力学，土力学，其它与岩土工程、地下工程的相关设计等，第一章：绪论，1.0 1.2岩土工程中的不确定性、1.3可靠度理论与实践的发展、1.4可靠度分析的目的与程序、岩土工程结构可靠度与可靠度理论的差异与共同点，可靠度是“产品或系统在规定条件下完成规定功能的概率”。 可靠性理论着重于产品和系统的可靠性，主要是一些基础理论岩土工程结构的可靠性着重于工程领域的应用。 岩土工程本身也是一个系统，其可靠度的计算远比单批产品的可靠度的计算复杂。 1.1引言岩土工程结构可靠性与可靠性理论的不同和共同点，产品的低效率在具有浴槽曲线特征的岩土工程结构故障中也具有浴槽曲线特征，但其中区间一般较长，特征不明显。 岩土工程结构可靠度与可靠性理论的差异和共同点，彩色电视机的平均寿命为15000小时，假设遵循指数分布，我们每天使用2小时，5年的可靠度和10年的可靠度分别是多少，产品可靠度的计算，土坡工程，状态函数：正压力平均为100KPa， 标准偏差为20KPa，土的摩擦角平均为35度，标准偏差为5度，土的粘结力平均为50KPa，标准偏差为10KPa。 求出这个土坡的安全度。 岩土工程可靠度计算、传统工程结构设计、早期工程结构设计一般采用容许应力法。 允许应力法的原则是，在结构构件的截面上计算的应力小于或等于规定的材料允许应力，要求结构或构件的某个截面上的应力不超过材料允许应力。 随着工程结构分析方法的发展，出现了破损(或破坏)阶段的设计法。 破损阶段设计法与容许应力法的主要区别在于考虑材料的塑性性质，计算截面和构件在塑性状态下的承载能力。安全系数法、工程结构设计、容许应力法、破损阶段设计法、安全安全系数法使用方便，应用时间长，应用范围广。 但长期实践证明安全系数法是有限的，(1)安全系数是根据经验确定的数值，结构设计非常粗糙。 (2)安全系数法不是衡量结构可靠度的统一尺度。 例如，对于强度平均值相同但方差不同的材料，计算的安全系数相同但安全度不同。 (3)加大结构安全系数，不一定能成比例增加结构安全度。安全系数法固有的局限性，在传统的安全系数法设计中，材料性能、构件尺寸、结构载荷不是确定的单一量，而是随机几何量或物理量。 岩土强度测量偏差大(正态分布、方差大)时，结构构件的尺寸测量，每次测量结果必定有误差。 安全系数法只是用一个大致的安全系数隐藏这些不确定量。 为了克服这些缺点，人们发展了新学科的工程结构可靠性。 工程结构可靠度的定义，工程结构可靠度在规定时间内，在规定条件下，工程结构完成预定的功能能力。 可靠度是从概率的角度定量记述可靠性的东西。 可靠性设计假定承认结构可能失效(或破坏)。，(1)半经验半概率法-对影响结构可靠度的一些参数进行数学统计分析，结合经验引入一些经验系数。 该方法不能定量估计结构的可靠度。 (2)近似概率法一次二次矩法是用概率论的方法计算结构的可靠度，但不是正确的计算方法，而是用近似的方法计算结构的可靠度，是现在结构可靠度实际计算中应用最多的方法。 (3)是完全基于全概率法概率论的构造可靠度精密分析法。 计算复杂，目前很少直接使用这种方法。 工程结构设计方法、1.2岩土工程不确定性、岩土工程介质复杂。 以岩体为例，岩体是地质体的一部分，该地质体存在很多构造面，如节理、裂隙、断层等，以具有极其复杂的力学特性的土介质为例，土体的含水率不同，内部的空隙和构造不同，表现的力学性质(如强度)千差万别。 岩土工程的地质条件和岩体性质参数具有不确定性，岩土工程中的不确定性主要体现在三个方面： (1)岩土本身固有的不均匀性(2)统计不确定性(3)模型的不确定性。 (1)岩土本身固有的不均匀性，岩土介质和其他材料介质的根本差异是其性质和结构的不均匀性。 a、岩体中裂隙分布的不确定性：岩体中存在大量构造面(断层和节理)。 (照片) (in2)节理裂隙调查(in3)b，岩体力学性质的不确定性：岩体不是均质的各向异性体，各点间的性质大多不同，在同一试料中在同一试验条件下测量其强度的结果也显示出一定的偏差。 (岩石力学试验in4) (岩石力学试验结果in5)c，承受载荷的不确定性：地下岩体工程结构承受的载荷多种多样，同时也有不确定性，如岩石容重、地应力、地下水、地震、爆破振动、降雨等，这些载荷难以用确定性指标来描述，它们都是随机变量。 (2)统计不确定性、目前人们对岩体性质参数的掌握方法在现场取样、实验室测量、统计推测结果不可避免地具有不确定性，具体如下： (a )岩体本身固有的性质和结构不均匀性，在少量试验中难以得到岩体力学参数； 在产生不确定性的(b )取样和测试过程中，测试环境条件的变化和测试方法的不一致等结果存在差异(c )根据实验室实验的力学参数推断岩体力学参数，结果存在较大的不确定性。 不同的人、不同的单位在力学上计算相同的工序，计算结果有很大的不同并不奇怪。 (3)模型不正确产生的不确定性，通过岩土工程的设计和分析或数学模型或仿真(例如公式、方程、算法、计算仿真程序等)，实现输入变量或基本变量与所要求的输出量的关系。 岩体力学模型包括可采用弹性力学模型的损伤力学模型、弹塑性力学模型、流变力学模型等。 采用有限元进行力学计算通过输入岩体的弹性模型参数、体重、粘结力参数、内摩擦角参数、抗压强度等，得到了工程岩体变形量、应力分布、工程中各点的安全系数等结果。 用不同的模型计算，结果必然不同。 (4)岩盘工程可靠度研究的必要性，岩盘工程中存在的不确定性，使用安全系数来表示安全度是有疑问的。 岩土工程中的不确定性使目前的岩土力学分析难以满足工程的实际要求。 由于复杂岩土具有不确定性，传统的“确定”参数和安全系数概念不完全适用，确定性模型不足以概括复杂的岩石力学特性，可靠性理论可能为岩石力学提供更适当的分析手段。置信度分析方法对现有数据进行概率统计分析，量化多个不确定因素。 以上分析表明，用可靠性理论研究岩土工程确实具有重要意义。 基于随机可靠性理论将工程结构设计为极限状态是工程结构设计理论的重大发展。 1.3可靠度理论和可靠度标准的发展、可靠度的研究始于20世纪30年代，当时主要是关于飞机故障的研究。 可靠性在工程中的应用始于1940年代。 在我国，结构可靠性问题研究始于1950年代中期。 1984年提出的Matlab程序设计采用了基于国际发展和推动概率统计理论的极限状态设计方法。 1985年，建筑科学研究院与建设、铁路、公路、港工、水工等五个部门合作，开始编制全国“工程结构可靠度设计统一标准”。 同时，铁路施工结构、公路施工结构、港口施工结构、水电工程结构可靠度设计统一标准也陆续建立起来。 相继建立建筑结构设计统一标准 (GB50068-2001 )、建筑结构可靠度设计统一标准 (GB/T50283-1999 )、公路工程结构可靠度设计统一标准 (GB50158-92 )、港口工程结构可靠度设计统一标准 (GB50199-94 )和水利水电工程结构可靠度设计统一标准 (CB50216-94 )，并依据工程结构的可靠性设计岩土工程可靠度理论和实践的发展，岩土工程可靠性问题研究明显落后于结构工程。 岩土工程可靠度分析有边坡、采矿、隧道、挡土墙、地基、桩基、水库等多个应用领域(岩土工程的一些照片)。 我国岩土工程可靠性研究始于70年代末80年代初，主要集中在土坡、地基、桩基、隧道等工程上。 1.4工程结构可靠度研究的目的和研究程序，工程结构可靠度分析的目的大致分为三个： (1)了解结构尺寸、载荷、材料特性及目标可靠度指标，验证结构可靠度；(2)验证现行规范，给出与规范中相关系数相对应的安全水平；(3)在给定目标可靠度指标下，现行规范设计公式的系数工程结构可靠度分析步骤具体包括： (1)确定工程可靠度分析模型；(2)收集基本变量数据；(3)基本变量概率模型和统计参数；(4)建立工程极限状态方程；(5)计算可靠度和可靠度指标，进行决策。 第二章：工程随机数据采集与处理，工程随机数据采集，随机变量及其概率分布，随机过程及其最大值分布，工程随机数据处理方法，工程结构可靠性分析，首先确定工程结构基本变量和参数表示的随机信息，对基本变量和参数进行适当的概率演示可靠性分析过程是基本变量的随机信息采集、处理、仿真和应用过程。 随机信息采集、处理、仿真和应用过程、2.1工序随机数据采集、1、实验和观测方法(1)实现实测和观测是利用各种现代测量和观测工具获得随机变量样本数据的方法。 例如深部地应力可以通过实测得到。 所需样品容量大，需要大量人力和财力，有时需要破坏性实验。 (2)标准试样的试验这是在实验室进行的专业试验。 例如对某岩石标准试样进行单轴抗压试验，确定岩石单轴抗压强度的概率分布。 (3)仿真这是基于类似原理的实验方法。 用这个实验方法得到的数据完整性差。 由于现场测试复杂产品和大型工程系统困难，可采用该方法，经济实惠。 仿真实验分为物理仿真和数学仿真(数值仿真或计算机仿真)两种。2.1工序随机数据的收集，2，工序推定方法(1)在测试结果近似正态分布、平均值为x的情况下，根据经验选择随机变量的变异系数x，使用 3的原则，能够推定该随机变量的标准偏差x、最小值xmin和最大值xmax，(2)给出数据的偏差xx可以使用“3”的原则推定该随机变量的平均x和标准偏差x，(3)如果数据的变动范围xmin，xmax已知，则推定该随机变量的平均x和标准偏差x， 2.1可推定工程数据的收集；2 .如果工程推定方法(4)已知数据的最小值是xmin且变动系数是x并且数据小于xmin的概率是p，则可推定该随机变量的平均x的一个随机变量的类型是实际问题常用的随机变量有离散型随机变量和连续型随机变量两种： (1)在可以一个接一个地列举随机变量的值时，也就是说，在可以列举有限个或者无限个的值时，把x称为离散型随机变量。 掷骰子，出现的点数x可以逐个列出(X=1，X=2，X=6)，x是离散型随机变量。 (2)如果随机变量x的所有可能值满足某个区间(a，b )。 a称为-，b称为，x称为连续型随机变量。 测量批次零件的直径，若规定其偏差不超过1mm，则偏差为连续型随机变量。 2.2随机变量及其概率分布，2离散型随机变量的概率分布，(1)对于分布律，离散型随机变量x，其概率分布是其概率分布律，简称分布律。 给定离散随机变量x的一个可能值取其值的概率为pi，则x的分布规律由下式表示：离散随机变量x的分布规律满足两个性质： (1)X的每个可能值的概率a不为负； (2)对应于所有可由x取得的值的概率的和为1，即pi=1。 判断离散型随机变量条件，2.2随机变量及其概率分布，(2)累积分布函数或分布函数，累积分布函数的定义： x的值为x以下的概率为累积分布函数或分布函数，离散型随机变量x的分布函数为：离散型随机变量的分布函数F(x )具有以下3个性质： (1)F(x ) (3) 0f (x )1。 例如，可以证明：2.2随机变量及其概率分布，3连续型随机变量的概率分布，(1)分布密度函数，连续型随机变量的取值满足某个区间(a，b )，连续型随机变量取任一个确定值的概率为0，即P(X=c)=0，c(a，b ) 因此，连续型随机变量的概率分布不能用分布律来记述。 实际上，由于仅通过知道x取值的概率