结构可靠度设计及其应用简介

1、结构可靠度设计及其应用简介结构可靠度理论是分析和度量结构安全性的一种先进手段。它对结构安全性检验提出了建立在概念分析基础上的一系列新的概念、原理、方法和衡量标准，综合考虑了工程结构中的各种不确定因素，加深了对结构工作性能的认识，对结构可靠性有了一个客观的统一量度并做出合理的判断，从而设计出更为经济而安全的工程结构。结构安全度的历史，可以追溯到公元前2000多年。一个可能是世界上最早关于结构安全度的法典，是公元前2250年古巴比伦王罕默拉比制定的法规。它以建后是否倒塌作为判别结构坚固与否的标准，是一种直观经验的可靠度概念。公元1103年（宋崇宁二年）颁布的宋营造法式是我国建筑史上一本著名的官编建

2、筑规范。这本规范所提供的虽然计算公式而是具体的尺寸规定，但仍隐含着结构受力大小与可靠度的概念。无论在中国还是其它文明古国，人们往往会对现存的古建筑如此合乎现代力学原理和结构设计原则而惊叹不已。然而，考虑不周或建造不良的建筑物至今早已毁坏淘汰不复存在。19世纪开始，结构安全度开始以一个安全系数的形式来表达，但当时对荷载及材料性能等的不定性的认识还处于初级阶段，因此安全系数的选定是很慎重的，所取数值也比较大。到20世纪50年代，苏联和我国的钢筋混凝土结构的安全系数值大致为2左右。显然用一个系数来表达结构可靠度是很粗糙的。20世纪20年代以后，世界各地开始应用概率论和数理统计研究结构安全度，但发展十

3、分缓慢。直至50年代中期，欧洲和北美逐步发展和应用具有概率统计的安全系数法。这分别反映在1955年的苏联规范、1963年的美国规范。但是当时对结构可靠度的定义和分析，不论在理论上还是在实际应用上均未具体解决。近20年来，国际上对结构可靠度的理论研究和实际应用方面发展很快。1971年由欧洲混凝土委员会（CEB）、国际预应力混凝土协会（FIP）等国际组织联合组成了“结构安全度联合委员会”，编制了结构统一标准规范的国际体系；国际标准化组织“建筑结构设计依据”委员会编制了结构可靠度设计总原则。美国的弗罗伊詹特在40年代开创了美国安全度的研究工作，并奠定了应用概率理论分析结构安全度的基础。美国混凝土学会

4、（ACI）于1964年成立了“结构安全度委员会”系统从事结构安全度的研究。美国于1980年出版了为美国国家标准A58拟定的基于概率的荷载准则。我国从50年代起，有关高等院校和科研单位开展了极限状态设计法的研究和讨论，并用数理统计研究荷载、材料强度的概率分布，确定超载系数和材料强度匀质系数。在50年代末和60年代初，以中国土木工程学会为主，开展了结构安全度问题的讨论。1983年完成了建筑结构可靠度设计统一标准。统一标准的编制标志着我国在结构可靠度理论研究和实际应用方面提高到一个新的水平，并将会对我国的结构设计规范体系和设计思想、施工管理、科研方法、教学内容等方面，产生一系列的影响。下面谈谈统一标

5、准中的可靠性概念。从事工程结构设计的基本目的，是在一定的经济条件下，赋予结构以适当的可靠度，使结构在预定的使用期限内，能满足设计所预期的各种功能要求。无论是房屋、桥梁、隧洞等结构，都必须满足以下四项基本功能要求：1. 能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用；2. 在正常使用时具有良好的工作性能；3. 在正常维护下具有足够的耐久性能；4. 在偶然事件发生时（如地震、火灾等）及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。上述第1，4项为结构的安全性要求，第2项为结构的适用性要求，第3项是结构的耐久性要求。结构若同时满足安全性，适用性和耐久性要求，则称该结构可靠，即结构的可靠性是结构安全性、适用性和耐

6、久性的统称。所谓结构的耐久性能，是指结构在化学的、生物的或其它不利因素的作用下，在预定时间里，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率。从工程概念上说，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下结构能够使用到预期的耐久年限。所谓结构的安全性，是指结构在偶然事件发生时和发生后，结构仅产生局部损坏而不致发生整体的破坏，如整体连续倒塌。现在我们可对结构可靠性下一明确的定义：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构可靠性。对于特定情况而言，可具体解释成在规定的参照时期内，结构将不会达到某一特定极限状态的概率，即所谓的结构可靠度。结构可靠度是结构可靠性的概率量度。上述“规定的

7、时间”，一般指结构设计基准期，目前世界上大多数国家普通结构的设计基准期均为50年。由于荷载效应一般随设计基准期增长而增大，而影响结构抗力的材料性能指标则随设计基准期的增大而减小，因此结构可靠度与“规定的时间”有关，“规定的时间”越长，结构的可靠度越低。结构可靠度定义中“规定的条件”，指正常设计、正常施工、正常使用条件，不考虑认为错误或过失因素。认为错误或过失造成的结构失效为结构事故，应通过质量监督和加强管理予以克服。一般情况下，总可以将影响结构可靠度的因素归纳为两个综合量，即结构或结构构件的荷载效应S和抗力R。令Z=g（R，S）=RS可知Z是一个随机变量，总可能出现下列三种情况：Z>0,

8、结构可靠Z<0,结构实效Z=0,结构处于极限状态由于Z可以判断结构是否满足某一确定功能要求，因此称Z为结构功能函数。而把Z=RS=0成为结构极限状态。结构可靠性设计一般需要解决三个主要问题，首先是有关结构的失效标准和失效模型；其次是确定结构的设计（目标）可靠指标；再次是推求设计表达式。假设结构功能函数Z=RS中，R和S为两个相互独立的正态随机变量，他们的均质和方差分别为R，S，R，S，可得Z的均质和方差Z=R-SZ2=R2+S2令=Z/Z，称为结构的可靠指标。越小结构的失效概率越大；越大，结构的失效概率越小。从概率的观点，结构设计的目标就是保障结构可靠度足够大或失效概率足够小，达到人们可

9、以接受的程度。结构可靠度设计(概率极限状态设计)的理论模式，是在定值安全系数的基础上发展起来的，按发展阶段和精确程度不同分为三个水准：水准半概率法。在荷载效应和结构抗力的基本变量部分的进行数理统计分析，并与工程经验相结合引入某些经验系数。故又称半概率半经验极限状态设计法。“CEB-FIP国际建议”、我国及美、苏等国家的现行结构设计规范基本上均属半概率法。水准近似概率法。该法对结构可靠度赋予概率定义，以结构的失效概率或可靠指标来度量结构可靠度，并建立了结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系，在计算可靠度指标时，考虑了基本变量的概率分布类型和采用了线性化的近似手段，在截面计算时一般采用分项系数的实用设计表达式。当前，近似概率法已进入实用阶段，正逐步发展成为许多国家制定标准规范的基础。水准全概率法。对结构各种基本变量分别采用随机变量或随机过程描述，要求对整个结构采用精确的概率分析，求得结构最优失效概率作为可靠度的直接度量。由于目前对结构基本变量