结构概率可靠度设计方法ppt课件.pptx
最新/精品/即下载即使用/可编辑,不妨试试这款,如果你还在为没有适合的文档而纠结,结构概率可靠度设计方法,3,10.1 结构设计的目标,10.1.1 设计要求,结构设计的总要求是:结构的抗力R应大于或等于结构的综合荷载效应S。 即,R S,由于实际中抗力和荷载效应均为随机量, 因此上式 并不能绝对满足, 而只能在一定概率意义下满足。即,P R S = ps,在一定可靠度ps或失效概率pf条件下，进行结构设计，使得结构的抗力大于或等于结构综合作用效应。,P R S = pf,4,10.1.2 目标可靠度,可靠度的大小对结构设计的影响：,结构目标可靠度定得越高，则结构设计得很强，使结构造价加大；反之，则造价降低，过则产生不安全感。,目标可靠度的确定：,结构设计目标可靠度的确定应以达到结构可靠与经济上的最佳平衡为原则, 一般需考虑以下四个因素: 公众心理; 结构重要性; 结构破坏性质; 社会经济承受力。,5,（1）公众心理,一些事故的年死亡率 表10-1,6,7,（2）结构的重要性,根据结构破坏可能产生的各种后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重程度，对不同的工程结构采用不同的安全等级。,对于重要的结构，目标可靠指标应定得高一些。而对于次要的结构，目标可靠指标可定得低些。建筑结构可靠度设计统一标准将工程结构按照破坏可能产生的后果(危及人的生命， 造成经济损失和产生社会影响等）的严重程度,划分为3个安全等级。,8,表a 建筑结构的安全等级,表b 公路工程结构的安全等级,9,一般结构和结构构件的破坏类型分为延性破坏和脆性破坏两类。延性破坏是指结构构件在破坏前有明显的变形或其他预兆；脆性破坏是指结构构件在破坏前无明显的变形或其他预兆。由于脆性破坏的结构破坏前无预兆，其破坏后果比延性破坏的结构要严重，因此工程上一般要求脆性破坏的结构的目标可靠指标应高于延性破坏的结构。,(3)结构破坏性质,10,（4）社会经济承受力 一般来说，社会经济越发达, 公众对工程结构可靠性的要求将越高, 因而设计目标可靠度也会定得越高。,（5）结构功能的失效后果 对承载能力功能，失效后果严重一些，可靠度水准应高些；对正常使用功能，失效后果稍轻，可靠度水准可低些。,11,结构设计可靠指标,确定结构设计的目标可靠度，也可采用校准法。校准法：指采用可靠度计算方法对原结构设计规范进行反演计算分析，以确定原结构设计规范隐含的可靠度水准，以此为基础，综合确定今后的结构构件目标可靠指标。 例如，我国现行的建筑结构概率定值设计法所采用的目标可靠度，就是根据原来半经验半概率定值设计法所具有的可靠度水平确定的。,12,以建筑统一标准为例，说明房屋建筑的目标可靠指标是如何确定的。,在校核目标可靠指标时 ,需要考虑不同的荷载效应组合情况。在房屋建筑中,最常遇的荷载效应组合情况是： （恒荷载与办公楼楼面活荷载）； （恒荷载与住宅楼面活荷载）； （恒荷载与风荷载)。所以在确定目标可靠指标时,主要考虑这3种基本的组合情况。在校核时，还需要考虑活荷载效 应 与恒载效应 具有不同比值 的情况。因为活荷载和恒荷载的变异性不同，当 改变时, 也将变化。,13,在确定了荷载效应组合情况及常遇的值后，建筑统一标准对钢、薄钢、混凝土、砖石和木结构与本设计规范中的14种有代表性的结构构件进行分析。在3种简单荷载效应组合下，对14种结构构件，原设计规范可靠指标的总平均值为3.30，相应的失效概率约为4.8x10-4。其中，属于延性破坏构件的平均值为3.22。,鉴于以上的校核结果，建筑统一标准规定了我国现行房屋结构设计规范的目标可靠指标。如安全等级为二级的属延性破坏的结构构件取=3.2，属脆性破坏的结构构件取=3.7，对于其他安全等级取值在此基础上分别增减0.5,与此值相应的失效概率约相差一个数量级。,14,15,表a 建筑结构构件的目标可靠指标 值,表b 公路桥梁结构的目标可靠指标 值,承载能力极限状态设计：,16,与Pf之间的对应关系,17,正常使用极限状态设计：,建筑统一标准规定宜按照结构构件作用效应的可逆程度，在01.5范围内选取。可逆程度较高的结构构件取较低值，可逆程度较低的结构构件取较高值。,不可逆极限状态：产生超越状态的作用被移掉后，仍将永久保持超越状态的一种极限状态可逆极限状态：产生超越状态的作用被移掉后，将不再保持超越状态的一种极限状态,18,采用经验校准法确定目标可靠度水准是考虑到新旧结构设计规范应有一定的继承性，两者的可靠度水准不能相差太大。同时考虑到原结构设计规范已在工程实践中使用了十多年甚至几十年，而出现事故的概率极小这一事实，可认为其可靠度水准总体是合理的可接受的。,19,10.2 结构概率可靠度的直接设计法,结构概率可靠度的直接设计法是直接基于结构可靠度分析理论的设计方法。 目前，直接设计法主要用于以下情况：（1）在特定情况下，一些重要结构物的设计。如核电站、压力容器、海上采油平台等（2）根据规定的可靠度，校准分项系数表达式中的分项系数。（3）对不同设计条件下的结构可靠度进行一致性对比。,20,（1）结构可靠度校核已知抗力与荷载的概率分布与统计参数，检验其是否达到预定的可靠度指标。（2）结构构件截面设计已知结构构件的目标可靠度及基本量的统计特征，根据可靠度计算公式反求结构抗力，然后进行截面设计。,21,简单示例：已知：效应S与抗力R满足正态分布， mS，dS，dR和b，求mR,由,得,由上式可解得R,22,如果效应S与抗力R满足对数正态分布，则,可得,23,10.3 结构概率可靠度设计的实用表达式,对于大量一般性工程结构，均采用可靠度间接设计法。 可靠度间接设计法的思想是：采用工程师易理解、接受和应用的设计表达式，使其具有的可靠度水平与设计目标可靠度尽量一致 (接近)。,问题提出：,概率可靠度直接设计法进行结构设计可使设计的结构严格具有预先设定的目标可靠度。但计算过程繁琐，计算工作量大，不太适宜工程师在实际工程结构设计采用。,解决方案：,24,建筑结构可靠度设计统一标准在设计的具体表达式上没有采用直接出现可靠指标的设计准则，而是给出了以概率极限状态设计法为基础的实用设计表达式。在具体的设计表达式中，采用基本变量的标准值和与有一定对应关系的“分项系数”，这些分项系数代替了可靠指标，各个分项系数主要是通过对可靠指标的分析及工程经验校准法确定的。,25,10.3.1 单一系数设计表达式,设计原则：用安全系数 k0 来表示安全度，即要求,式中 S、 R是设计中取用的荷载效应和结构抗力的均值； k0常数，应事先确定，使上式具有与目标可靠指标 相同的可靠性水平。,26,简单示例,如果R 和 S 相互独立，且服从正态分布，则,可得,即,27,可解得,如果R 和 S 相互独立，且服从对数正态分布，则,可解得,28,工程设计习惯上采用表达式为,式中 Sk 、Rk 荷载效应与结构抗力的标准值； k相应的设计安全系数。,荷载效应标准值与其平均值有如下关系,结构抗力的标准值与平均值的关系为,式中 kS 、kR 与效应及抗力取值的保证率有关的系数。,29,由上式有,可得,该方法不足之处：,（1）安全系数与R 和S 的变异性有关以及设计要求的可靠指标有关，由于R 和S 随设计条件的差异而变异性很大，不同的设计条件就要采用不同的安全系数，这给设计带来不便。（2）当荷载效应S由多个荷载引起时，采用单一安全系数无法反映各种荷载不同的统计特征。,30,10.3.2 分项系数设计表达式,将安全系数分解为荷载分项系数和抗力分项系数，以分项系数表达的设计式为,或,式中 g0Si、 g0R与效应Si及抗力R均值对应的分项系数； gSi、 gR与效应Si及抗力R标准值对应的分项系数。,31,分项系数如何确定？,设功能函数为,则分项系数设计表达式可表示为,32,由结构可靠度分析的验算点法可知，验算点坐标应满足,式中,对照,33,可得,考虑标准值与其平均值的关系，得,34,关于设计表达式的主要研究结论,(1)若不同设计荷载变量所占的比重不同(值不 同)，则严格按验算点确定分项系数将不同；(2)预先设定各荷载分项系数，然后按可靠度要求计算确定结构抗力分项系数，受不同荷载变量间比值的大小影响较小。(3)单一系数设计表达式的安全系数值受不同荷载变量间比值的大小影响较大。(4)设计变量的分布类型，对分项系数值的大小有一定的影响。,35,10.3.4 规范设计表达式,各国规范的设计表达式为,式中： 0：结构重要性系数； G：恒载分项系数； Q1、 Qi ：第一个和其他第 I 个可变荷载分项系数；,36,SGk ：恒载标准值效应； SG1k ：第一个可变荷载标准值效应，该效应大于其他任何第i个可变荷载标准值效应； SGik ：第i个可变荷载标准值效应； ci ：第i个可变荷载的组合值系数； R()：结构构件的抗力函数； R ：结构构件的抗力分项系数； fk ： 材料性能的标准值； ak ：几何尺寸的标准值。,37,采用上式 形式的设计表达式具有很大的适用性, 例如, 当恒载与可变荷载效应符号相反时,可通过调整分项系数而达到较好的可靠度一致性;又如,当有多个可变荷载时, 通过采用可变荷载的组合值系数, 使结构设计的可靠度保持一致; 再如, 对于重要性不同的结构, 通过采用结构重要性系数, 使非同等重要的结构可靠度水准不同; 还如, 对于不同材料工作性质的结构, 通过调整抗力分项系数, 以适应不同材料结构可靠度水平要求不同的需要。,38,10.3.5 我国建筑结构设计表达式,以建筑结构可靠度设计统一标准为例，给 出规范设计表达式的具体形式，其他专业规范给出的表达式与其相似。,基本组合偶然组合 标准组合频遇组合准永久组合,承载能力极限状态,正常使用能力极限状态,1、应考虑的最不利组合,39,2、承载能力极限状态设计表达式,对于承载能力极限状态，应考虑荷载效应的基本组合，必要时还应考虑荷载效应的偶然组合。其设计表达式为： (10-37),式中 S荷载效应组合的设计值，代表轴力设计值N、弯矩设计值M、剪力设计值V和扭矩设计值等； R结构构件抗力的设计值,代表截面对轴力、弯矩、剪力和扭矩等的抵抗能力； g0结构重要性系数，应按下列规定采用：,40,对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应考虑两种组合情况：可变荷载效应控制的组合及永久荷载效应控制的组合。S应从下面这两种组合值中选取不利值确定。,(1)可变荷载效应控制的组合,(2)永久荷载效应控制的组合,41,式中,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；,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；,42,G 永久荷载的分项系数，应按下列规定采用：,当其效应对结构不利时，对由可变荷载效应控制的组合，取1.2；对由永久荷载效应控制的组合，取1.35;当其效应对结构有利时，一般情况下均取1.0；对结构的倾覆、滑移或漂浮验算时，取0.9。,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；,43,分项系数的说明： 分项系数包括荷载分项系数、结构抗力分项系数及结构构件重要性系数。分项系数的确定原则为：在各项标准值已给定的前提下，选取一组分项系数，使按极限状态设计表达式设计的各种结构构件所具有的可靠指标，与规定的可靠指标之间在总体上误差最小。此原则在具体应用时可转化为使按规范设计表达式确定的构件抗力标准值与按概率可靠度直接设计法确定的构件抗力标准值两者误差在各种情况下总体最小。,44,在一般情况下采用gG=1.2 ，gQ=1.4，并允许在特殊的情况下作合理的调整，例如对于标准值大于4kN/m2的工业楼面活荷载，其变异系数一般较小，此时从经济上考虑，可取gQ=1.3。,当永久荷载效应与可变荷载效应相比很大时,若仍采用gG=1.2 ，则结构的可靠度远不能达到目标值的要求，因此公式中相应取gG=1.35,当永久荷载效应与可变荷载效应异号时，若仍采用gG=1.2 ，则结构的可靠度会随永久荷载效应所占比重的增大而严重降低，此时,建议取gG=1.0 。,45,而在验算结构倾覆、滑移或漂浮时，一部分永久荷载实际上起着抵抗倾覆、滑移或漂浮的作用，对于这部分永久荷载，规范采用gG=0.9,以提高结构抗倾覆倾、滑移或漂浮的可靠性。,在有些情况下，要正确地选出引起最大荷载效应SQ1k 的那个活荷载Q1并不容易，这时，可依次设各可变荷载为SQ1k ，代入公式中，然后选其中最不利的荷载效应组合。,46,（2）偶然组合, 指一种偶然作用与其他可变荷载相组合 从安全与经济两方面考虑，偶然组合验算结构的承载力时，所采用的可靠指标允许比基本组合有所降低 ( 偶然作用发生的概率很小，持续的时间较短，但对结构可造成相当大的损害), 偶然组合极限状态设计表达式确定的一般原则 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。,47,3、正常使用极限状态设计表达式,正常使用极限状态的设计包括对变形、裂缝、振幅等进行验算，使其计算值不超过相应的规范规定限值，以满足结构的使用要求。 对于作用效应组合，要求采用荷载标准值，并按荷载的持久性采用荷载效应的标准组合、频遇组合或准永久组合，按下列设计表达式进行设计：,式中 S荷载效应组合的设计值； C结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，例如变形、裂缝、振幅、加速度、应力等的限值，应按各有关结构设计规范的规定采用。,48,(1)标准组合：,(2)频遇组合：,(3)准永久组合：,式中ci 第 i 个可变荷载的组合值系数。 f1 在频遇组合中起控制作用的一个可变荷载频遇值系数； qi 第 i 个可变荷载的准永久值系数。,风荷载分别为：0.6、0.4、0,49,50,51,例 某教学楼的钢筋混凝土楼面梁，两端简支，计算跨度l= 8m,该建筑安全等级为二级，已计算出梁上的永久（恒）荷载标准值为gk = 15.81 kN/m,梁上可变（活） 荷载标准值为qk = 6.48kN/m,梁的计算简图如下图所示， 求： (1)按承载力极限状态计算时的梁跨中截面弯矩组合计值； (2)按正常使用极限状态验算梁的变形和裂缝宽度时，梁跨中截面荷载效应的标准组合、頻遇组合和准永久组合的弯矩值。,52,解：由力学知识可知，简支梁跨中截面弯矩 M与均布荷载的关系为,(1)按承载力极限状态计算弯矩组合设计值 M，M应从下列两种组合中取最不利值。,可变荷载效应控制的组合,永久荷载分项系数gG=1.2，结构重要性系数g0=1.0 (安全等级二级），梁上只有一种可变荷载，因此，可变荷载分项系数gQ=1.4 , 可得：,53,永久荷载效应控制的组合,永久荷载分项系数gG=1.35，结构重要性系数g0=1.0 (安全等级二级），可变荷载分项系数gQ=1.4 , 可查到，教学楼楼面均布活荷载的组合值系数c=0.7，可得：,可见，梁跨中弯矩组合设计值应由可变荷栽效应控制的组合确定 ：,54,准永久组合弯矩值教学楼楼面均布活荷载的频遇值系数可查到q=0.5 。,感 谢 有 你,
