结构可靠性分析2课件.pptx

1、结构可靠性分析结构可靠性分析提纲引言结构可靠性的基本概念结构可靠性发展和研究概况结构可靠性分析过程引言船舶及海洋工程结构物的结构复杂、体积庞大、造价昂贵，工作环境条件十分复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震作用的威胁。在此环境条件下，环境腐蚀、海生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和损伤累积等不利因素都将导致船舶及海洋平台结构构件和整体抗力的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。历史上曾有多次工程结构事故，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。2001年巴西最大的P-36海上石油平台倾覆1979年渤海2号沉船事故2008年，沪东

2、中华造船有限公司再次发生龙门吊倒塌事故众多惨痛的教训给船舶及海洋工程结构物设计与开发以很大的警示，同时也促使国内外相关管理部门更加努力研究结构安全管理的关键科学问题。随着对工程结构复杂性的深入了解，越来越认识到船舶及海洋平台结构性和系统性的风险分析是必要的。结构可靠性的基本概念结构可靠性是在充分考虑各种不确定性因素基础上建立起来的一门工程学科。结构可靠性定义为：结构在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性的概率度量称为可靠度。n影响结构可靠性的不确定性因素影响结构可靠性的不确定性因素 按结构工程中不确定性产生的原因不同，不确定性分为：自然因素的不确定性，如风荷载、雪荷载、波浪力

3、、温度、湿度等；技术因素的不确定性，如结构材料性能、构件几何尺寸、钢筋位置等；社会因素的不确定性，如政策的变化、经济发展以及科学技术发展等引起的荷载变化等。n影响结构可靠性的不确定性因素影响结构可靠性的不确定性因素按不确定性与时间的关系不同，不确定性分为：静态不确定性；动态不确定性。其中，静态不确定性一般与时间因素关系不大，如结构自重、固定设备重量等；动态不确定性则与时间过程和荷载及结构的动力特性有关，如风荷载、车辆荷载、地震作用等。n结构的定义结构的定义在给定的环境条件下能够承受和传递可能发生的载荷作用的工程构造通常称为结构。例如：工业与民用建筑公路,铁路(桥梁,隧道等)水利工程(三峡大坝)

4、舰船，飞机等海洋平台n结构的功能要求结构的功能要求结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求：1.1.在正常使用时，能在正常使用时，能承受可能出现的各种作用承受可能出现的各种作用；2.2.在正常使用时，具有良好的在正常使用时，具有良好的工作性能工作性能；3.3.在正常维护下，具有足够的在正常维护下，具有足够的耐久性耐久性；4.4.在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必要的整体稳整体稳定性定性；其中，其中，1 1项、项、4 4项项 结构安全性结构安全性的要求的要求 2 2项项 结构适用性结构

5、适用性的要求的要求 3 3项项 结构耐久性结构耐久性的要求的要求n失效的概念失效的概念失效失效的性质：的性质：突发失效和渐变失效突发失效和渐变失效失效失效发生的时间发生的时间:早期失效早期失效,偶然失效和耗损失效偶然失效和耗损失效失效失效存在的时间存在的时间:恒定失效恒定失效,间歇失效和运行紊乱失效间歇失效和运行紊乱失效失效失效的完备性的完备性:系统失效系统失效,完全失效和部分失效完全失效和部分失效失效的失效的结构系统各部件之间联系结构系统各部件之间联系:独立失效和从属失效独立失效和从属失效结构可靠性发展和研究概况结构可靠性发展和研究概况一一结构设计方法的演变结构设计方法的演变从可靠度来说，工

6、程结构设计方法基本上可以分为从可靠度来说，工程结构设计方法基本上可以分为经验安全系数经验安全系数设计法设计法和和概率设计方法概率设计方法两类两类经验安全系数设计法经验安全系数设计法是将影响结构安全的各种参数，按经验取值，是将影响结构安全的各种参数，按经验取值，一般用平均值或者规范规定的标准值，并考虑这些参数可能的变异一般用平均值或者规范规定的标准值，并考虑这些参数可能的变异对结构安全性的影响，在强度计算中再取用安全系数对结构安全性的影响，在强度计算中再取用安全系数K K。概率设计法概率设计法是将影响结构安全的各种参数作为随机变量，用概率论是将影响结构安全的各种参数作为随机变量，用概率论和数理统

7、计学来分析全部参数或部分参数，或者用可靠性理论，分和数理统计学来分析全部参数或部分参数，或者用可靠性理论，分析结构在使用期内满足预定功能的概率。析结构在使用期内满足预定功能的概率。l经验安全系数设计法经验安全系数设计法(1)容许应力法容许应力法将材料作为弹性体，要求结构构件在使用期内，截面上任何一点的将材料作为弹性体，要求结构构件在使用期内，截面上任何一点的应力不得超过某一容许应力值其表达式为：应力不得超过某一容许应力值其表达式为：f/Kf/K式中：式中：f f为结构的材料性能，为安全系数为结构的材料性能，为安全系数(2)破损阶段法破损阶段法 破损阶段法计算时，主要考虑材料的弹塑性性能。假定材

8、料已达破损阶段法计算时，主要考虑材料的弹塑性性能。假定材料已达到塑性状态到塑性状态,依据截面所能抵抗的破损内力建立计算公式。以受弯依据截面所能抵抗的破损内力建立计算公式。以受弯构件为例构件为例,例子其一般表达式为：例子其一般表达式为：p/Kp/K式中：式中：p p截面破损时的抵抗弯矩截面破损时的抵抗弯矩 构件强度总安全系数构件强度总安全系数 标准荷载作用下的截面弯矩标准荷载作用下的截面弯矩 容许应力法和破损阶段法采用的单一安全容许应力法和破损阶段法采用的单一安全系数系数K，它是一个笼统的粗略的经验系数，对，它是一个笼统的粗略的经验系数，对影响结构安全的许多因素不能区别对待。因而，影响结构安全的

9、许多因素不能区别对待。因而，可能导致结构在某些情况下过分安全，而在另可能导致结构在某些情况下过分安全，而在另一些情况下却反而不够安全。一些情况下却反而不够安全。为了克服单一安全系数设计方法的这些缺为了克服单一安全系数设计方法的这些缺点，提出了点，提出了极限状态法极限状态法。(3)极限状态法极限状态法 极限状态法一般设计表达式为极限状态法一般设计表达式为：以概率理论为基础的极限状态设计法按发展以概率理论为基础的极限状态设计法按发展阶段和精确程度分为三个水准：阶段和精确程度分为三个水准：水准半概率法水准半概率法仅对荷载或荷载效应和抗力的标准值或设计值分别采用概率取仅对荷载或荷载效应和抗力的标准值或

10、设计值分别采用概率取值，而不考虑两者联合的概率处理的可靠度分析方法均属半概值，而不考虑两者联合的概率处理的可靠度分析方法均属半概率法范畴。例如，中国率法范畴。例如，中国5050年代和年代和6060年代的规范所采用的极限状年代的规范所采用的极限状态设计法态设计法l概率设计法概率设计法水准近似概率法水准近似概率法此法并不要求推导随机变量函数的全分布，只须计算其一阶原点矩此法并不要求推导随机变量函数的全分布，只须计算其一阶原点矩（平均值）和二阶中心矩（方差），在计算过程中还可将非线性结（平均值）和二阶中心矩（方差），在计算过程中还可将非线性结构功能函数构功能函数(Z)(Z)取一次近似取一次近似,这样

11、就能比较适用地估算工程结构可靠这样就能比较适用地估算工程结构可靠度中的失效概率度中的失效概率PfPf水准全概率法水准全概率法要求知道各随机变量的密度函数或其联合密度函数，并用多重积分要求知道各随机变量的密度函数或其联合密度函数，并用多重积分求解失效概率。这在实际工程中一般是难做到的，目前仅用于某些求解失效概率。这在实际工程中一般是难做到的，目前仅用于某些个别的工程结构设计。个别的工程结构设计。1911 卡宾奇提出用统计数学的方法研究载荷及卡宾奇提出用统计数学的方法研究载荷及材料强度。材料强度。19261929 霍契阿洛夫和马耶罗夫制定了概率霍契阿洛夫和马耶罗夫制定了概率设计的计算方法，但当时提

12、出的方法不够严格，设计的计算方法，但当时提出的方法不够严格，未扶助实践。未扶助实践。1947 A.M.Freudenthal A.M.Freudenthal 和拉尼琴同时开展了和拉尼琴同时开展了结构可靠性的研究工作。发表了结构可靠性的研究工作。发表了“结构安全度结构安全度”一文奠定了结构可靠性的理论基础。一文奠定了结构可靠性的理论基础。二结构可靠性的研究概况二结构可靠性的研究概况1954 拉尼琴提出了应力拉尼琴提出了应力-强度结构可靠性设计的强度结构可靠性设计的正态正态-正态模型，并推导用正态分布二阶矩表达的正态模型，并推导用正态分布二阶矩表达的可靠性中心安全系数的一般形式。可靠性中心安全系数

13、的一般形式。美国美国“大力神大力神”导弹壳体设计就采用了这种中心安全系数。导弹壳体设计就采用了这种中心安全系数。1969 美国美国CornellCornell教授提出了结构可靠指标的概教授提出了结构可靠指标的概念，并建立了结构的二阶矩模式。念，并建立了结构的二阶矩模式。1971年年 Lind提出了分项系数的概率，将结构提出了分项系数的概率，将结构可靠指标表达成设计人员习惯采用的分项系数形可靠指标表达成设计人员习惯采用的分项系数形式，从而加快了结构可靠度方法的实用化。式，从而加快了结构可靠度方法的实用化。1976年年 结构安全度联合委员会（结构安全度联合委员会（JCSSJCSS）推荐）推荐了拉克

14、维茨了拉克维茨(Rackwitz)(Rackwitz)和菲斯莱和菲斯莱(Fiessler)(Fiessler)等人等人提出的通过提出的通过“当量正态化当量正态化”方法以考虑随机变量方法以考虑随机变量实际分布的二阶矩模式。至此，结构可靠性理论实际分布的二阶矩模式。至此，结构可靠性理论开始进人实用阶段。开始进人实用阶段。我国的结构可靠性研究工作始于我国的结构可靠性研究工作始于50年代。年代。现在已建立了相应的可靠性组织。现在已建立了相应的可靠性组织。非电子零部件可靠性数据非电子零部件可靠性数据 建筑结构设计统一标准建筑结构设计统一标准n海洋平台结构可靠性研究海洋平台结构可靠性研究l1997年，美国

15、石油协会(API)给出了已有海洋平台结构基于可靠度的评估准则，在API的指南中明确给出了目标可靠指标和失效的后果，同时提出了海洋平台抗风和抗震评估准则。l2001年，国际标准化协会石油和天然气工业委员会起草了固定式钢海洋平台国际标准ISO 19902。l为研究这些改变和欧洲西北环境荷载系数对安全性和经济性的影响，欧洲工业团体顾问组、欧洲石油公司和欧洲石油管理委员会组成了一个联合工业项目组(JIP)，来对ISO 19902进行可靠度校准，同时也对美国第20版规范API RP2 AWSD的可靠度进行了校准。校准表明，对于支撑构件，API规范的平均可靠指标为3.701，ISO规范的平均可靠指标为3.

16、937;对于支撑腿，API规范的平均可靠指标为3.496,ISO规范的平均可靠指标为3.849。2000年，受健康与安全执行委员会(HSE)的资助，作为JIP项目“固定式海洋平台结构可靠度分析框架”研究的一部分，英国Surrey大学1998年完成了一个研究报告(2000年修改)“海洋平台结构体系可靠度分析框架研究”。2000年，AEA技术公司完成了HSE资助的另一个项目“SINTAP(结构整体评估项目)方法的分项系数”，针对不同的目标可靠指标确定了海洋平台钢结构断裂和塑性破坏的分项系数。1995年总部在挪威、以知识和技术为先导的DNV公司完成了“海洋结构可靠度分析指南”的系列报告:总则、针对套

17、管海洋平台的应用，该报告系统给出了海洋结构可靠度的分析方法。n涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议（1）国际标准化组织）国际标准化组织ISO与国际标准与国际标准ISO 2394ISO是由世界上是由世界上148个国家组成的国际标准机构，是一个国家组成的国际标准机构，是一个非政府组织，遵循一个国家为一个代表的原则。个非政府组织，遵循一个国家为一个代表的原则。1947年年2月月23日成立，总部设在瑞士日内瓦。其中，日成立，总部设在瑞士日内瓦。其中，ISO/TC 98为结构设计基础委员会为结构设计基础委员会目前编制的国际标准包括目前编制的国际标准包括ISO

18、2394:1998结构可靠结构可靠性总原则性总原则，ISO 10137:1992结构设计基础一建筑结构设计基础一建筑物抗振适用性物抗振适用性，ISO 12491:1997建筑材料和构件质建筑材料和构件质量控制中的统计方法量控制中的统计方法和和ISO/FDIS 13822结构设计结构设计基础一已有结构评定基础一已有结构评定。n涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议（2）欧洲标准化委员会）欧洲标准化委员会CEN与欧洲规范与欧洲规范EN 1990:2002欧洲结构规范是一配套使用的土木工程设计规范，有欧洲结构规范是一配套使用的土木工程设计规范，有英语、法语和

19、德语三种语言的官方版本。这套规范的第英语、法语和德语三种语言的官方版本。这套规范的第一本为一本为EN1990:2002结构设计基础结构设计基础EN 1990是一本以结构可靠性原理作为指导原则的规是一本以结构可靠性原理作为指导原则的规范，其理论背景是范，其理论背景是ISO 2394和和CEB公报。公报。n涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议（3）国际结构安全度与可靠度协会）国际结构安全度与可靠度协会IASSAR和国际会议和国际会议ICOSSARIASSAR是一个专门从事结构随机性、安全度和可靠度研究、教育是一个专门从事结构随机性、安全度和可靠度研究、教

20、育和将可靠性理论转化为工程应用的国际机构，在结构随机性研究方面和将可靠性理论转化为工程应用的国际机构，在结构随机性研究方面涉及的范围包括涉及的范围包括:计算随机力学，随机动力学，系统可靠度和优化，计算随机力学，随机动力学，系统可靠度和优化，随机有限元、疲劳和损伤分析，系统识别。随机有限元、疲劳和损伤分析，系统识别。该协会组织国际结构安全度和可靠度的大型会议该协会组织国际结构安全度和可靠度的大型会议(ICOSSAR)，每次，每次会议都出版一套关于结构随机性、可靠性的论文集。会议都出版一套关于结构随机性、可靠性的论文集。n涉及结构可靠性的商业化软件系统涉及结构可靠性的商业化软件系统目前国外有很多关

21、于结构可靠度分析的商业软件，如目前国外有很多关于结构可靠度分析的商业软件，如CAREL、COSSAT、PROBAN、ISPUD、NESSUS和和STRUREL，其中，其中NESSUS既能进行随机有限元分析也能既能进行随机有限元分析也能进行随机边界元分析。进行随机边界元分析。目前新版的大型有限元分析软件目前新版的大型有限元分析软件ANSYS也具有结构可也具有结构可靠度分析的功能。靠度分析的功能。JCSS开发了一套根据结构设计表达式、设计变量统计开发了一套根据结构设计表达式、设计变量统计特性进行结构可靠度校准及根据给定的目标可靠指标确定特性进行结构可靠度校准及根据给定的目标可靠指标确定分项系数的软

22、件分项系数的软件Code Cal，以方便用户使用，进一步推，以方便用户使用，进一步推动概率极限状态设计方法的发展。动概率极限状态设计方法的发展。n小结小结结构可靠度分析是用来帮助人们解决工程设计中认识已结构可靠度分析是用来帮助人们解决工程设计中认识已久的不确定性问题的一种决策方法。对它的研究不过几十久的不确定性问题的一种决策方法。对它的研究不过几十年的历史，应用的时间更短。年的历史，应用的时间更短。用科学的方法处理工程中的不确定性问题是工程结构设用科学的方法处理工程中的不确定性问题是工程结构设计的一大进步，具体这一步迈的多大，要看统计数据的多计的一大进步，具体这一步迈的多大，要看统计数据的多少

23、。就结构可靠度理论的成熟程度而论，目前的应用只是少。就结构可靠度理论的成熟程度而论，目前的应用只是初步的。初步的。工程结构的设计步骤工程结构的设计步骤选择合理的结构方案和型式选择合理的结构方案和型式根据选定的结构型式设计结构或构件的截面根据选定的结构型式设计结构或构件的截面选择合理的结构计算模型选择合理的结构计算模型(计算简图计算简图)；荷载与内力计算及荷载效应组合；荷载与内力计算及荷载效应组合；结构或构件截面设计与验算；结构或构件截面设计与验算；确定合理的截面尺寸与材料用量等确定合理的截面尺寸与材料用量等结构设计计算的两个方面结构设计计算的两个方面如何使结构的力学分析日趋完善如何使结构的力学

24、分析日趋完善如何合理地选择影响结构安全的参数如何合理地选择影响结构安全的参数结构可靠性分析的过程结构可靠性分析过程大致分为三个阶段：结构可靠性分析过程大致分为三个阶段：(1)确定与结构有关的随机变量的分布概率及有关统计量确定与结构有关的随机变量的分布概率及有关统计量,这些随机变这些随机变量大致可分为三类量大致可分为三类:a.外来作用，如载荷外来作用，如载荷 b.材料的机械性质材料的机械性质 c.构件的几何尺度及其在整个结构中的位置构件的几何尺度及其在整个结构中的位置(2)用结构力学方法计算构件的载荷效应，通过实验和统计获得结构能用结构力学方法计算构件的载荷效应，通过实验和统计获得结构能力，从而

25、建立结构的失效衡准力，从而建立结构的失效衡准载荷效应载荷效应指的是在载荷作用下，构件中的应力、内力、位移及变形等指的是在载荷作用下，构件中的应力、内力、位移及变形等结构能力结构能力指的是结构抵抗破坏与变形的能力，如屈服强度、抗拉强度、容指的是结构抵抗破坏与变形的能力，如屈服强度、抗拉强度、容许变形和位移等许变形和位移等结构的失效衡准结构的失效衡准用极限状态来表示用极限状态来表示(3)计算评价结构可靠性的各种指标计算评价结构可靠性的各种指标可靠度、失效概率等可靠度、失效概率等(1)极限状态的定义和分类极限状态的定义和分类 整个结构或结构的一部分超过某一特定状整个结构或结构的一部分超过某一特定状态

26、态,就不能满足设计规范所要求的某一项功能就不能满足设计规范所要求的某一项功能要求要求,此特定状态称为该功能的极限状态此特定状态称为该功能的极限状态规定规定:承载能力极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态正常使用极限状态n极限状态和极限状态方程极限状态和极限状态方程l承载能力极限状态承载能力极限状态 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 结构构件或连接因为超过材料强度而破坏结构构件或连接因为超过材料强度而破坏(包包括疲劳破坏括疲劳破坏),),或因为过度的变形而不适合于或因为过度的变形而不适合于继续承载继续承载 结构转变为机动体系结构转变为机动体系 结构或

27、者结构构件丧失稳定结构或者结构构件丧失稳定 地基丧失承载能力而破坏地基丧失承载能力而破坏(如失稳如失稳)采用下列原则之一按承载能力极限状态进行采用下列原则之一按承载能力极限状态进行设计设计:(1)(1)允许主要承重结构因出现设计规定的偶允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏然事件而局部破坏,但其剩余部分具有在一段但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度；时间内不发生连续倒塌的可靠度；(2)(2)按作用效应的偶然组合进行设计或采取按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施防护措施,使主要承重结构不致因出现设计规使主要承重结构不致因出现设计规定的偶然事件而丧失承载能力。定的偶

28、然事件而丧失承载能力。影响正常使用或外观的变形影响正常使用或外观的变形 影响正常使用或耐久性能的局部破坏影响正常使用或耐久性能的局部破坏(包包括裂缝括裂缝)影响正常使用的振动变形影响正常使用的振动变形 影响正常使用的其他特定状态影响正常使用的其他特定状态l正常使用极限状态正常使用极限状态极限状态方程极限状态方程 极限状态方程是当结构处于极限状态时各有关基本变量的关极限状态方程是当结构处于极限状态时各有关基本变量的关系式系式 它可用下式表示它可用下式表示:Z=g(X Z=g(X1 1,X,X2 2,.,X.,XN N)=0 (1-1)=0 (1-1)式中：式中：i i（i=1,2i=1,2.）为

29、基本变量）为基本变量 =g(.)=g(.)称为结构的功能函数或功效函数称为结构的功能函数或功效函数例：例：一个只有两个基本变量的线性问题，对于承载能力极限状态，若令一个只有两个基本变量的线性问题，对于承载能力极限状态，若令为结构抗力，为作用综合效应，则极限状态方程（）为结构抗力，为作用综合效应，则极限状态方程（）可写为：可写为：g(R,S)=R-S=0 (1-2)g(R,S)=R-S=0 (1-2)若，结构处于可靠状态若，结构处于可靠状态若，结构处于极限状态若，结构处于极限状态若，结构处于失效状态若，结构处于失效状态计算可靠度的两种基本方法计算可靠度的两种基本方法1、数学模型法、数学模型法 2

30、、物理原因法、物理原因法 数学模型法：数学模型法：设想可靠性的变化遵从某些由实验确定的统计规律。设想可靠性的变化遵从某些由实验确定的统计规律。向两个方向发展，一个是和时间有关，另外一个事和偶然因素有向两个方向发展，一个是和时间有关，另外一个事和偶然因素有关。关。缺点：缺点：没有阐明失效产生的原因，并且也没有指出消除失效的可能没有阐明失效产生的原因，并且也没有指出消除失效的可能性。（电子系统和机电系中应用广泛）性。（电子系统和机电系中应用广泛）n物理原因法：物理原因法：第一种是应力第一种是应力-强度模型法，第二种是把可靠度定义为随机过程强度模型法，第二种是把可靠度定义为随机过程或随机场不超出规定

31、任务水平的概率，引入系统空间，系统状态或随机场不超出规定任务水平的概率，引入系统空间，系统状态允许域，系统随时间变化的轨迹，。允许域，系统随时间变化的轨迹，。n应力应力-强度可靠性计算模型的三种基本形式：强度可靠性计算模型的三种基本形式：（1）应力）应力-强度随机变量模型（准静态模型）强度随机变量模型（准静态模型）（2）应力）应力-强度半随机过程模型强度半随机过程模型（3）应力）应力-强度全随机过程模型。强度全随机过程模型。结构可靠性的基本假设结构可靠性的基本假设（1）结构强度为一非负随机变量或随机过程，用）结构强度为一非负随机变量或随机过程，用R或或R（t）表示）表示（2）应力为一非负随机变量或随机过程，用）应力为一非负随机变量或随机过程，用S或或S（t）表示）表示（3）当应力不超过结构强度时，结构被认为是可靠的，否则，被认）当应力不超过结构强度时，结构被认为是可靠的，否则，被认为结构失效为结构失效-故障或破坏故障或破坏（4）结构失效仅由于应力作用而发生）结构失效仅由于应力作用而发生（5）计算应力和强度的一切力学公式仍然适用，但公式中的确定量）计算应力和强度的一切力学公式仍然适用，但公式中的确定量均视为随机变量或随机过程均视为随机变量或随机过程Question？