结构可靠度设计方法课件.ppt

1、第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 1n结构设计方法的发展过程结构设计方法的发展过程 2第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 容许应力设计法：容许应力设计法：使用阶段截面内最大应力不使用阶段截面内最大应力不超过材料的容许应力超过材料的容许应力即：即：破损阶段设计法破损阶段设计法：使用阶段，截面内力不大于使用阶段，截面内力不大于按构件按构件在塑性状态下的在塑性状态下的承载力，并乘以安全系承载力，并乘以安全系数数：如受弯构件正截面承载能力：如受弯构件正截面承载能力：KM Mu n结构设计方法的发展过程结构设计方法的发展过程 3第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方

2、法 多系数极限状态设计法多系数极限状态设计法：采用多个系数反采用多个系数反映映荷荷载、材料性能变异及工作条件不同等因素影响载、材料性能变异及工作条件不同等因素影响，表达式为表达式为：M(niqik)mMu(ksfsk,kcfck,a,.)概率极限状态设计法概率极限状态设计法三个水准三个水准 水准水准I半概率法：半概率法：用概率统计方法确定分项用概率统计方法确定分项系数（目前）系数（目前）SR，两个系数通过概率统计，两个系数通过概率统计的方法得到的方法得到n结构设计方法的发展过程结构设计方法的发展过程 4第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 概率极限状态设计法概率极限状态设计法三个水

3、准三个水准 水准水准II近似概率法近似概率法：采用分项系数的实用采用分项系数的实用设计表达式设计表达式 水准水准III全概率法全概率法：计算计算Z=R-S0的概率，的概率，即可靠度，还没有达到即可靠度，还没有达到n结构的功能要求：安全性结构的功能要求：安全性承载力足够承载力足够5第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n结构的功能要求：安全性结构的功能要求：安全性避免倾覆避免倾覆6第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n倾覆原因分析：被拔断的预应力管桩倾覆原因分析：被拔断的预应力管桩7第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n倾覆原因分析：管桩配筋不足？倾覆原因

4、分析：管桩配筋不足？8第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n倾覆原因分析：北侧土堆高倾覆原因分析：北侧土堆高1010m9第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n倾覆原因分析倾覆原因分析10第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 产生水平力产生水平力 管桩特点管桩特点 边坡滑移，边坡滑移，管桩手拉管桩手拉n结构的功能要求：安全性结构的功能要求：安全性避免滑移避免滑移11第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n结构的功能要求：安全性结构的功能要求：安全性避免失稳避免失稳12第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n结构的功能要求：适用性结构

5、的功能要求：适用性裂缝过宽裂缝过宽 第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 13n结构的功能要求：适用性结构的功能要求：适用性变形过大变形过大 第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 14n结构的功能要求：适用性结构的功能要求：适用性过大的振动过大的振动第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 15n结构的功能要求：耐久性结构的功能要求：耐久性生锈、腐蚀等生锈、腐蚀等第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 16n结构的功能要求：耐久性结构的功能要求：耐久性保护层厚度保护层厚度第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 17n结构的功能要求：鲁棒性结构

6、的功能要求：鲁棒性RobustnessRobustness 第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 在偶然事件发生时（地震、火灾、撞击）及发在偶然事件发生时（地震、火灾、撞击）及发生后，保持必要的结构整体稳定性生后，保持必要的结构整体稳定性18n设计基准期设计基准期 19 设计时，要确定可变作用和材料性能（和时间设计时，要确定可变作用和材料性能（和时间有关的），要取这一段时间内的样本进行统计有关的），要取这一段时间内的样本进行统计分析，这分析，这“一段时间一段时间”就是设计基准期就是设计基准期第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 如取如取50年一遇的风压值进行设计年一遇的

7、风压值进行设计 建筑结构：建筑结构：50年；桥梁结构年；桥梁结构100年年n设计使用年限设计使用年限20 房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限维护下所应达到的使用年限第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 性能最低要求维修时间性能50年100年大修拆除拆除重要建筑的性能曲线一般建筑的性能曲线n结构的极限状态结构的极限状态 21 极限状态：结构由可靠转变为失效的临界状态极限状态：结构由可靠转变为失效的临界状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不满足设计规定的某一功能（强度

8、、刚度、裂不满足设计规定的某一功能（强度、刚度、裂缝等）要求，此特定状态称为该功能的极限状缝等）要求，此特定状态称为该功能的极限状态态第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 极限状态包括两类：承载力极限状态，正常使极限状态包括两类：承载力极限状态，正常使用极限状态用极限状态n承载力极限状态承载力极限状态 22 对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形适于继续承载的变形第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 超过承载力极限状态，安全就有问题了超过承载力极限状态，安全就有问题了23 结构或构件出现下列状结构或构件出现下列

9、状态之一时，认为超过了态之一时，认为超过了承载能力极限状态承载能力极限状态：1.整个结构或结构的一部整个结构或结构的一部分作为刚体失去分作为刚体失去平衡平衡第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n承载力极限状态承载力极限状态 烟囱倾覆烟囱倾覆24第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n承载力极限状态承载力极限状态 2.结构构件结构构件或连接因超或连接因超过材料强度过材料强度而破坏（包而破坏（包括疲劳破括疲劳破坏），或因坏），或因过度变形而过度变形而不适于继续不适于继续承载承载楼板承载力不足楼板承载力不足25第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n承载力极限状

10、态承载力极限状态 3.结构转变为机动体系结构转变为机动体系P1P1P2P2P1P1+26第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n承载力极限状态承载力极限状态 4.4.结构或结构构件结构或结构构件丧失丧失稳定稳定27第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 5.地基丧失承载能力而破坏地基丧失承载能力而破坏基础滑动面挡土墙滑动面滑动面堤坝n承载力极限状态承载力极限状态 28 超过正常使用极限状态，安全虽然没有问题，超过正常使用极限状态，安全虽然没有问题，但人会感觉不舒服，影响使用但人会感觉不舒服，影响使用 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的对应于结构或构件达到正常使用或耐

11、久性能的某项规定限值某项规定限值第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n正常使用极限状态正常使用极限状态 29 1.影响正常使用或外影响正常使用或外观观的变形的变形第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n正常使用极限状态正常使用极限状态 结构或构件出现下列状态之一时，认为超过了结构或构件出现下列状态之一时，认为超过了正常使用正常使用极限状态极限状态：支撑精密仪器的设支撑精密仪器的设备的梁板结构挠度过备的梁板结构挠度过大，将难以使仪器保大，将难以使仪器保持水平，影响精度持水平，影响精度30第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n正常使用极限状态正常使用极限状态

12、 屋面结构挠度过大造成积水而产生渗漏屋面结构挠度过大造成积水而产生渗漏31第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n正常使用极限状态正常使用极限状态 吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆吊车梁和桥梁的过大变形会妨碍吊车和车辆的正常运行的正常运行32第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n正常使用极限状态正常使用极限状态 2.影响影响正常使用或耐久性能的局部损坏正常使用或耐久性能的局部损坏开裂混凝土开裂混凝土33 3.影影响正常使用的振动响正常使用的振动第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n正常使用极限状态正常使用极限状态 对挠度要求很高的磁悬浮列车对挠度要

13、求很高的磁悬浮列车34 4.影影响正响正常使用的常使用的其他特定其他特定状态状态第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n正常使用极限状态正常使用极限状态 钢筋腐蚀钢筋腐蚀35 功能函数功能函数：针对功能所要求的各种结构性能：针对功能所要求的各种结构性能（强度、刚度、裂缝），建立起来的包括各种（强度、刚度、裂缝），建立起来的包括各种变量（荷载、材料性能、几何尺寸等）的函数变量（荷载、材料性能、几何尺寸等）的函数第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n结构的功能函数结构的功能函数 由作用效应由作用效应S和结构抗力和结构抗力R来表达，即来表达，即Z=g(R,S)=R-S Z0

14、时，结构可靠时，结构可靠 Z0 结构可靠Z=0 极限状态Z荷载效应荷载效应 失效区：抗力失效区：抗力1的的f得到荷载设计值得到荷载设计值 R=Rk/m：通过除：通过除以以1的的m得到抗力设计值得到抗力设计值第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n可靠度设计原理可靠度设计原理 41 设计时以设计时以R=S作为作为验算点，来确保结构具有足验算点，来确保结构具有足够的可靠度够的可靠度第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n可靠度设计原理可靠度设计原理 42 f和和m实际上反映的是验算点（设计值）到标准实际上反映的是验算点（设计值）到标准值之间的距离值之间的距离失效区面积失效区

15、面积可靠度可靠度第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n可靠度设计原理可靠度设计原理 S=f SkR=Rk/m 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。预定功能的概率。第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n可靠度可靠度 规定的时间规定的时间：设计使用年限：设计使用年限43第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n可靠度可靠度 规定的规定的条件：条件：正常设计、正常设计、施工、使用，无人为过失施工、使用，无人为过失 Z：结构的功能函数结构的功能函数 f(z)：概率密度函数概率密度函数 Ps：可：可靠度靠度

16、 Pf：失效概率失效概率 Ps=P(z0)=Pf=P(z0)=dz(z)0 fdz(z)0 -f44第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n可靠指标可靠指标 可靠指标：可靠指标：=ZZ-p0pfYp0zf(Z)Z1-1-(Y)z 失效概率失效概率Pf和和一一对应一一对应 值值变变小，阴影面积小，阴影面积增增大，大，Pf增大增大45第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n目标可靠指标目标可靠指标 预先给定的作为结构设计依据的可靠指标，它预先给定的作为结构设计依据的可靠指标，它表示结构设计应满足的可靠度要求表示结构设计应满足的可靠度要求考虑因素：考虑因素：公众心理公众心理很

17、安全安全较安全年失效概率654101010很安全安全较安全设计基准期失效概率543105105105工程结构：工程结构：46第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n目标可靠指标目标可靠指标 结构重要性结构重要性 重要：核电站；重要：核电站；一般：住宅、办公楼；一般：住宅、办公楼；次要：临时仓库、车棚次要：临时仓库、车棚 结构破坏性质结构破坏性质 脆性破坏：构件破脆性破坏：构件破坏前没有明显的变坏前没有明显的变形或其他征兆，如形或其他征兆，如砌体结构砌体结构 延性破坏：构件破延性破坏：构件破坏前有明显的变形坏前有明显的变形或其他征兆，如钢或其他征兆，如钢结构结构 社会经济承受力社会经

18、济承受力47第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n单一系数和多项系数单一系数和多项系数 单一系数：单一系数：在各种荷在各种荷载效应前面统一乘以载效应前面统一乘以一个系数来体现可靠一个系数来体现可靠度度 表达式表达式s(SGk+SQk)=Rk/R 缺点：缺点：可靠度一致性可靠度一致性差差 多项系数：多项系数：在每种荷在每种荷载效应前面分别乘以载效应前面分别乘以一个系数来体现可靠一个系数来体现可靠度度 表达式：表达式：GSGk+QSQk=Rk/R 优点：优点：可靠度一致性可靠度一致性好好48第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n国际上通用的多系数表达式国际上通用的多系数

19、表达式 0结构重要性系数，它与结构的安全等级结构重要性系数，它与结构的安全等级或使用年限有关或使用年限有关,.),(1)(kkR2kQcQkQQGkG011afRSSSniiii=+对一般结构来说，对一般结构来说，安全等级安全等级1级，设计使用年限级，设计使用年限100年，年，0=1.1 安全等级安全等级2级，设计使用年限级，设计使用年限50年，年，0=1.0 安全等级安全等级3级，设计使用年限级，设计使用年限5年，年，0=0.949第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n国际上通用的多系数表达式国际上通用的多系数表达式 G永久荷载分项系数永久荷载分项系数 SGk永久荷载标准值效应

20、永久荷载标准值效应 Q1、Qi第一个（最大的一个）、第第一个（最大的一个）、第i个可变荷载分个可变荷载分项系数项系数 SQ1k第一个可变荷载标准值产生的效应，最大的第一个可变荷载标准值产生的效应，最大的效应效应 ci第第i个可变荷载的组合值系数个可变荷载的组合值系数 R()结构构件的抗力函数结构构件的抗力函数 R抗力分项系数抗力分项系数 fk材料性能标准值材料性能标准值 ak几何尺寸标准值几何尺寸标准值50第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n国际上通用的多系数表达式国际上通用的多系数表达式优点：优点：恒恒荷荷载载与可变荷载效应的符号相反时，与可变荷载效应的符号相反时，恒恒荷荷载

21、载采用采用较小的分项系数，使可靠度达到一致较小的分项系数，使可靠度达到一致 多个可变荷载时，引入组合值系数，使多个可变荷多个可变荷载时，引入组合值系数，使多个可变荷载和一个可变荷载的可靠度趋于一致载和一个可变荷载的可靠度趋于一致 采用结构重要性系数，区别不同结构的可靠度采用结构重要性系数，区别不同结构的可靠度 不同材料的结构的抗力分项系数不同，体现了材料不同材料的结构的抗力分项系数不同，体现了材料的脆性和延性的不同的脆性和延性的不同51第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n我国建筑结构设计表达式我国建筑结构设计表达式 承载能力极限状态：承载能力极限状态：基本组合或偶然组合基本组合

22、或偶然组合设计表达式：设计表达式：无地震作用组合时：无地震作用组合时：0SdRd 有地震作用组合时：有地震作用组合时：SR/RE RE承载力抗震调整系数承载力抗震调整系数涵义涵义:为了满足为了满足“中震可修中震可修”，本来应该进行弹塑性阶，本来应该进行弹塑性阶段的变形验算，考虑到设计习惯是进行承载力验算，段的变形验算，考虑到设计习惯是进行承载力验算，也表达成相似的形式。进行弹塑性阶段变形验算时，也表达成相似的形式。进行弹塑性阶段变形验算时，采用材料强度标准值，而承载力验算时采用设计值，采用材料强度标准值，而承载力验算时采用设计值，人为用人为用RE进行调整进行调整52第第9章章 结构可靠度设计方

23、法结构可靠度设计方法 n我国建筑结构设计表达式我国建筑结构设计表达式构件在地震作用下的承载力比静力承载力要高；构件在地震作用下的承载力比静力承载力要高；考虑了不同构件，不同破坏形态的可靠度不同，从而体考虑了不同构件，不同破坏形态的可靠度不同，从而体现现“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”的抗震设计原的抗震设计原则则 正常使用极限状态：标准组合、频遇组合或准正常使用极限状态：标准组合、频遇组合或准永久组合永久组合 设计表达式：设计表达式：SdC53第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合承载能力极限状态承载能力极限状态（1）无地

24、震作用效应的基本组合）无地震作用效应的基本组合 由可变荷载效应控制的效应设计值由可变荷载效应控制的效应设计值 由永久荷载效应控制的效应设计值由永久荷载效应控制的效应设计值基本组合：基本组合：2kQcLQkQLQ1kGGd111=nimjiiiijjSSS=+S1niiiiijjSSS=+=kQcLQm1jkGGd54第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合承载能力极限状态承载能力极限状态（2）有有地震作用效应的基本组合地震作用效应的基本组合 S=GSGE+EhSEhk+EvSEvk+wwSwk基本组合：基本组合：基本组合的实用表达式：基本组合的实用表达式：适

25、用条件适用条件:荷载：恒、活、风荷载；地震作用荷载：恒、活、风荷载；地震作用 结构设计使用年限为结构设计使用年限为50年年55第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合承载能力极限状态承载能力极限状态（1）无无地震作用地震作用永久荷载效应其控制作用永久荷载效应其控制作用 S=1.35SGk+0.71.4可变荷载效应起控制作用可变荷载效应起控制作用活荷载较大时活荷载较大时 S=1.2SGk+1.4 SQk+0.61.4 Swk风荷载较大时风荷载较大时 S=1.35SGk+0.71.4 SQk+1.4 Swk基本组合的实用表达式：基本组合的实用表达式：56第第9章

26、章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合承载能力极限状态承载能力极限状态（2）有有地震作用地震作用对于一般结构，考虑重力荷载和水平地震作用对于一般结构，考虑重力荷载和水平地震作用的组合的组合S=1.2SGE+1.3SEhk 对于对于9度抗震设计的一般结构和度抗震设计的一般结构和7度（度（0.15g）、）、8度、度、9度抗震设计的大跨度、长悬臂结构，考虑重度抗震设计的大跨度、长悬臂结构，考虑重力荷载和竖向地震作用的组合力荷载和竖向地震作用的组合S=1.2SGE+1.3SEvk基本组合的实用表达式：基本组合的实用表达式：57第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方

27、法 n荷载效应组合荷载效应组合承载能力极限状态承载能力极限状态（2）有有地震作用地震作用对于对于9度抗震设计的一般结构和度抗震设计的一般结构和7度度（0.15g）、8度、度、9度抗震设计的大跨度、长悬臂结构，考虑重度抗震设计的大跨度、长悬臂结构，考虑重力荷载、水平地震作用和竖向地震作用的组合力荷载、水平地震作用和竖向地震作用的组合S=1.2SGE+1.3SEhk+0.5SEvk 对于对于60m以上的高层结构，应考虑重力荷载、水以上的高层结构，应考虑重力荷载、水平地震作用和风荷载的组合平地震作用和风荷载的组合S=1.2SGE+1.3SEhk+0.21.4Swk基本组合的实用表达式：基本组合的实用

28、表达式：58第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合承载能力极限状态承载能力极限状态（2）有有地震作用地震作用对于对于9度抗震设计度抗震设计60m以上的高层结构以及以上的高层结构以及7度度（0.15g）、）、8度、度、9度抗震设计的大跨度、长悬臂度抗震设计的大跨度、长悬臂结构，应考虑重力荷载、水平地震作用、竖向地结构，应考虑重力荷载、水平地震作用、竖向地震作用和风荷载的组合震作用和风荷载的组合S=1.2SGE+1.3SEhk+0.5SEvk+0.21.4Swk 对于对于7度（度（0.15g）、）、8、9度设防的大跨度、长悬度设防的大跨度、长悬臂结构，应考虑重

29、力荷载、地震作用、竖向地震臂结构，应考虑重力荷载、地震作用、竖向地震作用和风荷载的组合作用和风荷载的组合S=1.2SGE+0.5SEhk+1.3SEvk+0.21.4Swk基本组合的实用表达式：基本组合的实用表达式：59第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合承载能力极限状态承载能力极限状态（1）承载力极限状态）承载力极限状态偶然组合偶然组合2kQqkQfA1kGd11dnimjiijSSSS=+S（2）偶然事件发生后）偶然事件发生后验算验算受损结构整体稳固性受损结构整体稳固性21niiijSSSS=+=kQqQ1kfm1jkGd60第第9章章 结构可靠度设

30、计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合正常使用极限状态正常使用极限状态（1）标准组合标准组合涵义：涵义：永久荷载的标准值之和、主导可变荷载的永久荷载的标准值之和、主导可变荷载的标准值标准值和一般可变荷载的标准值之和相加和一般可变荷载的标准值之和相加，代代表了构件在设计使用年限内的效应最大值表了构件在设计使用年限内的效应最大值。偏。偏于安全于安全2kQckQ1kGd1nimjiijSSS=+S61第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合正常使用极限状态正常使用极限状态（2）频遇频遇组合组合涵义：涵义：永久荷载的标准值之和、主导可变荷载的永久荷载的

31、标准值之和、主导可变荷载的频遇值和一般可变荷载的频遇值之和相加频遇值和一般可变荷载的频遇值之和相加，考考虑了可变荷载与时间的关系虑了可变荷载与时间的关系21niiimjjSSSS=+=kQqQ1kf1kGd62第第9章章 结构可靠度设计方法结构可靠度设计方法 n荷载效应组合荷载效应组合正常使用极限状态正常使用极限状态涵义：涵义：永久荷载的标准值之和与可变荷载的准永永久荷载的标准值之和与可变荷载的准永久值之和相加，考虑了可变荷载与时间的关系久值之和相加，考虑了可变荷载与时间的关系，代表荷载对结构的长期作用。代表荷载对结构的长期作用。（3）准永久组合准永久组合1kQq1kGdnimjiijSS=+S63