结构可靠性设计基础教案_第8章_结构概率可靠度设计法.ppt

1、第八章结构概率可靠度设计法,第八章 结构的荷载抗力系数设计法,8.2 荷载抗力系数设计法,8.1 基于可靠度理论的结构设计规范,主要内容,8.3 全概率直接可靠度设计法,8.1 基于可靠度理论的结构设计规范,第八章 结构的荷载抗力系数设计法,8.1 基于可靠度理论的结构设计规范1,8.1.1 规范的作用,建筑结构的建造过程包括：设计，构件制造，运输， 建造，验收，使用，维修，撤除。,设计规范的作用是保证建造结构满足社会可接收的安全水平。,它是设计，建造，承包和投资人沟通交流的依据。,8.1 基于可靠度理论的结构设计规范2,8.1.2 基于可靠度理论的设计规范,General Principle

2、s on Reliability for Structures (ISO2394: 1998),1. 国际标准,2. 中国规范,工程结构可靠性设计统一标准 (GB50153 2008),8.1 基于可靠度理论的结构设计规范3,8.1 基于可靠度理论的结构设计规范2,8.1.3 规范的设计水平,水平 : 基于经验的确定性设计规范,水平 : 近似概率极限状态设计法（荷载抗力系数设计法）,水平 : 全概率直接可靠度设计方法,水平 : 全寿命设计方法。,8.2 荷载抗力系数设计法,第八章 结构的荷载抗力系数设计法,8.2 荷载抗力系数设计法1,8.2.1 结构设计的目标,第三个公式是工程中常用的公式

3、。,8.2 荷载抗力系数设计法2,8.2.2 目标可靠指标,结构可靠 最佳平衡点 经济,确定考虑的因素：, 公众心理 =2.5-4.0。,8.2 荷载抗力系数设计法3, 社会经济承受力-经济越发达， 越高。, 结构重要性, 结构破坏性质-脆性结构的应高于延性结构的 延性破坏-结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆。 脆性破坏-结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆。,8.2 荷载抗力系数设计法4,承认传统设计结构所具有可靠度的合理性，通过计算得出传统设计结构的可靠度水平，以该可靠度水平作为参考目标可靠水平，考虑使用经验和经济因素等确定目标可靠水平。,校准法确定目标可靠指标的计算步骤（单一系数确

4、定性设 计法）,（1）明确设计表达式，由此确定简单荷载组合情况功能函数，明确各荷载、抗力的统计参数（均值系数 和变异系数 ），活荷载效应与恒荷载效应比 。,校准法,8.2 荷载抗力系数设计法5,（3）根据荷载、抗力标准值和其统计参数，确定其相应的荷载效应和抗力的均值和标准值。,（4）根据功能函数和荷载效应和抗力的均值和标准值，采用验算点法确定结构可靠指标。,（2）假定活荷载效应标准值 ，由荷载效应比确定恒荷载效应标准值 ，由设计表达式确定抗力标准值 。,（5）对不同荷载效应比的结构可靠指标求均值，得到最终的结果。,8.2 荷载抗力系数设计法6,已知一钢筋混凝土轴心受压构件在恒荷载 FG 和楼面

5、活荷载 FL作用下，其对应荷载效应分别为 SG和 SL。该构件按中国TJ9-74规范设计，假定活荷载与恒荷载效应比为 ，试标定该构件所具有的可靠指标。,例 8.1,中国TJ9-74规范关于钢筋混凝土轴心受压构件的安全系数为,8.2 荷载抗力系数设计法7,解：,(2) 假定楼面活荷载标准值，并确定恒荷载和抗力标准值,8.2 荷载抗力系数设计法8,(4) 用JC法计算构件的可靠指标,(3) 确定个随机变量的的均值和标准差,8.2 荷载抗力系数设计法9,中国建筑结构构件目标可靠度水平,8.2 荷载抗力系数设计法10,8.2.3 单一系数设计表达式,基于随机变量均值单一系数设计表达式:,R 和 S 服

6、从正态分布情况,R 和 S 服从对数正态分布情况,8.2 荷载抗力系数设计法11,8.2 荷载抗力系数设计法12,荷载效应均值、标准值和乘系数值的关系,8.2 荷载抗力系数设计法13,结构抗力均值、标准值和乘系数值, 抗力,抗力均值,抗力标准值,乘系数抗力值,p,8.2 荷载抗力系数设计法14,8.2.4 多系数设计表达式 (荷载抗力系数法),荷载抗力系数法的表达式：,8.2 荷载抗力系数设计法15,荷载抗力系数法的确定,8.2 荷载抗力系数设计法16,8.2.5 荷载抗力系数设计法规范设计表达式,8.2 荷载抗力系数设计法17,8.2 荷载抗力系数设计法18,8.2.6 荷载抗力系数的标定方

7、法,（3）对于各种构件在不同的荷载效应比值下，按所选定的各分项系数进行结构设计，所具有的可靠指标与目标可靠指标最为接近。,1、荷载抗力系数的标定,（1）同一作用对于各种构件受力类型具有相同的荷载分项系数，各个作用有各自的分项系数。,（2）对于不同类型的构件有各自的抗力分项系数，对于同一种构件在任何荷载作用下，其抗力系数不变。,标定原则：,8.2 荷载抗力系数设计法19,（1）明确分析对象，已知荷载和抗力的统计参数与概率模型、荷载效应比、目标可靠指标和规范设计表达式。,标定的步骤：,（3）根据简单荷载工况和规范设计表达式可确定简单荷载工 况下的极限状态设计表达式和极限状态方程。,（2）根据分析工

8、程结构的荷载特点，确定其荷载工况，并确 定简单荷载组合工况。,8.2 荷载抗力系数设计法20,（4）采用优化的方法确定荷载分项系数。,恒荷载有利情况，荷载分项系数.,恒荷载不利情况，荷载分项系数.,8.2 荷载抗力系数设计法21,（5）采用最小二乘法确定抗力分项系数,（6）按确定的荷载抗力系数计算设计表达式所具有的可靠度水平，检验是否满足精度要求。,标定的流程：,开始,最小二乘法确定抗力系数,验算点法求抗力的计算流程,开始,否,在 处对非正态随机变量等效正态化,计算敏感性系数,是,计算验算点:,假定随机变量初始取值: ,输出结果,8.2 荷载抗力系数设计法22,基本思想就是采用荷载组合系数来保

9、证多可变荷载作用时的可靠指标与单可变荷载作用时的可靠指标具有一致性。,2、荷载组合系数的标定,8.2 荷载抗力系数设计法23,为了区别不同结构的安全等级提出，可通过结构重要性系数实现对不同安全等级结构目标可靠指标的调整。,2、结构重要性系数的标定,8.2.7 现行规范设计表达式,我国工程规范设计方法：,将以可靠指标 表示的极限状态方程转化为以基本变量和相应的分项系数表达的极限状态设计实用表达式。,（一）承载能力极限状态设计表达式,荷载效应组合值S不超过抗力值R，即 S R,其中,荷载效应组合值S应考虑基本组合，必要时尚应考虑偶然组合。,8.2 荷载抗力系数设计法24,（a）,（1）基本组合,建

10、筑统一标准规定：,a.由可变荷载效应控制的组合：,（b）,对于一般排架、框架结构，可简化为下列表达式,8.2 荷载抗力系数设计法25,（c）,b.由永久荷载效应控制的组合：,式中 0 结构重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级或设计使用年限为100年及以上、50年、5年的结构构件，分别不应小于1.1、1.0、0.9；对设计使用年限为25年的结构构件，各类材料结构设计规范根据各自情况而定；,8.2 荷载抗力系数设计法26,G 永久荷载的分项系数，当其效应对结构构件不利时，对式（a）及式（c）取1.2，对式（b）取1.35；当其效应对结构构件有利时，一般情况下可取1.0，对结构的倾覆、滑移或漂浮

11、验算，应取0.9； Q1、 Qi第1个和第i个可变荷载的分项系数，当其效应对结构构件不利时，一般情况下取1.4，对标准值大于4 kN/m2的工业房屋楼面结构的活荷载，应取1.3；当其效应对结构构件有利时，可取为0；,8.2 荷载抗力系数设计法27,SGk永久荷载标准值的效应； SQ1k在基本组合中起控制作用的一个可变荷载标准值的效应； SQik第i个可变荷载标准值的效应； ci 第i个可变荷载的组合值系数，其值不应大于1.0，具体见荷载规范； 简化设计表达式中采用的荷载组合值系数，一般情况下可取0.9；当只有一个可变荷载时取1.0。,8.2 荷载抗力系数设计法28,公路统一标准规定：,路面结构

12、采用下式,式中 0 结构重要性系数，安全等级一级、二级和三级分别取1.1、1.0和0.9； Gi 第i个永久荷载的分项系数，对于恒荷载（结构及附加物自重），取1.2；当其效应对结构承载能力有利时，应取不大于1.0；,8.2 荷载抗力系数设计法29,Q1 汽车荷载分项系数，对于公路桥梁，根据荷载效应的组合情况取1.4或1.1； Qj 除汽车荷载外第j个其它可变荷载的分项系数； SGik第i个永久荷载标准值的效应； SQ1k含有冲击系数的汽车荷载标准值的效应； SQjk除汽车荷载外第j个其它可变荷载标准值的效应； c 除汽车荷载外其它可变荷载的组合值系数； r 路面结构的可靠度系数，此中已融入结构

13、重要性系数0。,8.2 荷载抗力系数设计法30,（2）偶然组合,偶然荷载的代表值不乘以分项系数；与偶然荷载同时出现的可变荷载，应根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。具体的设计表达式及各种系数的取值，应符合专门规范的规定。,应按以下原则：,8.2 荷载抗力系数设计法31,（二）正常使用极限状态设计表达式,建筑统一标准规定：,应根据不同的设计要求，分别采用荷载效应的标准组合、频遇组合和准永久组合进行设计，使变形、裂缝等荷载效应的设计值Sd不超过规定限值C。,8.2 荷载抗力系数设计法32,标准组合（短期效应组合）,频遇组合,准永久组合（长期效应组合）,式中 f1 在频遇组合中起控制作用的一个可

14、变荷载频遇值系数； qi 第i个可变荷载的准永久值系数。,8.2 荷载抗力系数设计法33,公路统一标准规定：,应根据不同的设计要求，采用以下两种效应组合进行验算。,短期效应组合,永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相结合，其效应组合表达式为,式中 Ssd作用短期效应组合设计值； 1j第j个可变作用效应的频遇值系数； 1jSQjk第j个可变作用效应的频遇值。,8.2 荷载抗力系数设计法34,长期效应组合,永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相结合，其效应组合表达式为,式中 Sld作用长期效应组合设计值； 2j第j个可变作用效应的准永久值系数； 2jSQjk第j个可变作用效应的准永久值。,8

15、.2 荷载抗力系数设计法35,8.3 全概率直接可靠度设计法,第八章 结构的荷载抗力系数设计法,8.3 全概率直接可靠度设计法1,定义：直接基于结构可靠度分析理论的设计方法。,应用对象：重大工程结构。,8.3 全概率直接可靠度设计法1,一钢筋砼屋面简支梁，跨度为6m，截面尺寸为：250mm500mm，梁的负荷宽度为3.6m，已知屋面板自重标准值为3kN/m2，上人屋面活荷载标准值为2kN/m2，雪荷载标准值为0.5kN/m2，可变荷载组合系数0.7, 试求梁跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。,梁计算简图,屋面平面简图,例题1,解：,1、计算gk、 q1k、 q2k 梁自重 0.250.5

16、25=3.125kN/m 板自重 33.6=10.8 kN/m gk=13.93kN/m,q1k=23.6=7.2 kN/m q2k=0.53.6=1.8 kN/m,2、跨中弯矩标准值,3、跨中弯矩设计值,4、支座边缘截面剪力设计值,同理：,例题1,可变荷载控制：,永久荷载控制：,同例题1 ，求梁跨中挠度。,解：,例题2,也可：,例题2,解：（一）计算标准荷载效应 1. 均布恒载gk产生的跨中弯矩MgK MgK=1/8852=25 kN.m 2. 均布活载qk产生的跨中弯矩MqK MqK= 1/8652=18.75 kN.m 3. 集中可变荷载QK产生的跨中弯矩MQK MQK=1/4105=1

17、2.5 kN.m,简支梁上作用有均布恒载gk=8kN/m,均布活载qk=6kN/m, 集中可变荷载QK=10kN，结构重要性系数0=1.1, 试求梁跨中弯矩设计值和支座边缘截面剪力设计值。,例题3,=1.225+1.418.75+1.40.712.5 =68.5 kN.m 2.由永久荷载控制,G=1.35 q= Q=1.4 c1= c2=0.7 M= g MgK+ q c1 MqK+ Q c2 MQK =1.3525+1.40.718.75+1.40.712.5 =64.37 kN.m,G=1.2 q= Q=1.4 M=g MgK+ q MqK+ Q c2 MQK,例题3,（二）荷载效应组合（

18、荷载基本组合） 1. 可变荷载控制,(三)考虑结构重要性系数后 按可变荷载控制 0 M=1.168.5=75.36 kN.m 按永久荷载控制 0 M=1.164.37=70.81 kN.m,例题3,解：（一）计算标准荷载效应 1. 均布恒载gk产生的支座剪力VgK VgK=1/285=20 kN 2. 均布活载qk产生的支座剪力VqK VqK= 1/265=15 kN 3. 集中可变荷载QK产生的支座剪力VQK VQK=1/210=5 kN,=1.220+1.415+1.40.75 =49.9 kN 2.由永久荷载控制,G=1.35 q= Q=1.4 c1= c2=0.7 V= g VgK+ q c1 VqK+ Q c2 VQK =1.3520+1.40.715+1.40.75 =46.6 kN,G=1.2 q= Q=1.4 V=g VgK+ q VqK+ Q c2 VQK,例题3,（二）荷载效应组合（荷载基本组合） 1. 可变