大学精品课件：第八章 结构可靠度的基本概念.ppt

1、第八章第八章 结构可靠度的基本概念结构可靠度的基本概念 8.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态 8.2 荷载与结构抗力的统计分析荷载与结构抗力的统计分析 8.3 结构的可靠度结构的可靠度 8.4 结构的可靠指标结构的可靠指标 工程结构的功能工程结构的功能 1 1、安全性、安全性 在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用，在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用， 在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需 的整体稳定性；的整体稳定性； 2 2、适用性、适用性 在正常使用时具有良好的工作性能；在正常使用时具有良好

2、的工作性能； 3 3、耐久性、耐久性 在正常维护下具有足够的耐久性能；在正常维护下具有足够的耐久性能； 8.1 结构的功能及其极限状态结构的功能及其极限状态 8.1.1结构的功能结构的功能 结构的可靠性结构的可靠性 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能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。的能力。 结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能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。的概率。 结构的可靠度结构的可靠度 设计使用年限设计使用年限 设计规定的有关时期，在这一规定时期内，只需进行正设计规定的有关时期，在这一规定时期内，只需进行正 常

3、的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预 定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使定的功能，即房屋建筑在正常设计、正常施工、正常使 用和维护下所达到的使用年限。用和维护下所达到的使用年限。 各类房屋结构的设计使用年限，表各类房屋结构的设计使用年限，表8 8- -1 1 类别 设计使用年限 （年） 示例 1 5 临时性结构 2 25 易于替换的结构构件 3 50 普通房屋和构筑物 4 100 纪念性建筑和 特别重要的建筑结构 设计基准期设计基准期 设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材

4、料性 能取值而选用的时间参数。能取值而选用的时间参数。 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定：规定： 设计基准期为设计基准期为50年年 铁路工程结构可靠度设计统一标准铁路工程结构可靠度设计统一标准规定：规定： 铁路工程结构的铁路工程结构的设计基准期为设计基准期为100年年 一般一般 8.1.2结构的功能函数结构的功能函数 已知已知影响结构某一功能的基本变量影响结构某一功能的基本变量X1,X2,XN 那么和这个功能对应的结构功能函数，可以表示为那么和这个功能对应的结构功能函数，可以表示为 考虑结构功能，仅与作用效应考虑结构功能，仅与作用效应S S和结构抗力和结构抗力R R两个

5、基本变两个基本变 量有关的最简单情况。量有关的最简单情况。 ( ,) 1 Zg xxn 简单简单 ( , )Zg R SR S 定义定义 8.1.3结构功能的极限状态结构功能的极限状态 当结构一部分或整个结构当结构一部分或整个结构超过某一特定状态超过某一特定状态就不能满足就不能满足 设计指定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极设计指定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极 限状态。限状态。 极限状态方程极限状态方程当结构处于极限状态时各有关基本变当结构处于极限状态时各有关基本变 量的关系式。量的关系式。 ( ,) 0 1 Zg xxn 一个只有两个基本变量的线性问题一个只有两个基本变量的

6、线性问题， 对于承载能力极限状态对于承载能力极限状态，若令若令R R为结构为结构 抗力抗力，S S为作用综合效应为作用综合效应，则极限状态则极限状态 方程可写为：方程可写为： Z Zg g（R,SR,S）=R=R- -S S0 0 若：若：Z ZR R- -S0S0， 结构处于可靠状态；结构处于可靠状态； 若：若：Z ZR R- -S S0 0， 结构处于极限状态；结构处于极限状态； 若：若：Z ZR R- -S0S0， 结构处于失效状态。结构处于失效状态。 分类分类 建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准规定规定 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

7、态 承载能力极限状态承载能力极限状态 承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到承载能力极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力最大承载能力或或不适于继续承载的不适于继续承载的 变形变形。 承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载功能最大承载功能的状态的状态。结结 构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变，虽未达到最大承载能力虽未达到最大承载能力，但但 已经已经彻底不能使用彻底不能使用，也属于这种极限状态也属于这种极限状态。 疲劳破坏疲劳破坏是在使用中由于荷载在多次重复作用而的达到

8、的承载能力极限状态是在使用中由于荷载在多次重复作用而的达到的承载能力极限状态。 承载能力极限状态承载能力极限状态可靠性应该很好可靠性应该很好：承载能力极限状态的：承载能力极限状态的出现概率应当很低出现概率应当很低，因，因 为它可能导致人身伤亡和大量的财产损失。为它可能导致人身伤亡和大量的财产损失。 有下列状态之一：有下列状态之一： 1.1. 整个结构或结构的一部分作为整个结构或结构的一部分作为刚体失刚体失 去平衡去平衡 2.2. 结构构件或连接因为超过材料结构构件或连接因为超过材料强度强度而而 破坏（包括疲劳破坏），或因为过度破坏（包括疲劳破坏），或因为过度 塑性变形而不适于继续承载塑性变形而

9、不适于继续承载 3.3. 结构转变为结构转变为机动体系机动体系 4.4. 结构或结构构件结构或结构构件丧失稳定丧失稳定（如压屈）（如压屈） 5.5. 地基地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）丧失承载能力而破坏（如失稳等） 正常使用极限状态正常使用极限状态 正常使用极限状态可理解为结构或结构构件正常使用极限状态可理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某个限值达到使用功能上允许的某个限值的状的状 态。例如，某些构件必须控制变形、裂缝才能满足使用要求。因过大的变形会造态。例如，某些构件必须控制变形、裂缝才能满足使用要求。因过大的变形会造 成房屋内粉刷层剥落、填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的

10、裂缝会影成房屋内粉刷层剥落、填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的裂缝会影 响结构的耐久性；过大的变形、裂缝也会造成用户心理上的不安全感。响结构的耐久性；过大的变形、裂缝也会造成用户心理上的不安全感。 与承载能力极限状态相比较，由于其对生命的危害较小，故允许与承载能力极限状态相比较，由于其对生命的危害较小，故允许出现的概率可较出现的概率可较 高高。所以这种极限状态的。所以这种极限状态的可靠性可以适当低一些可靠性可以适当低一些，但不等于不重视。，但不等于不重视。 注意：对于钢筋混凝土结构，过大的裂缝不仅有损建筑物观瞻和影响结构的耐久注意：对于钢筋混凝土结构，过大的裂缝不仅有损建筑物观瞻和影响

11、结构的耐久 性，而且有时也会导致重大的工程事故。例如，性，而且有时也会导致重大的工程事故。例如，19801980年年5 5月一个上午，西柏林会议月一个上午，西柏林会议 厅的马鞍形壳顶突然倒塌。破坏的起因是由于拱与壳板交接处裂缝开展，不断渗厅的马鞍形壳顶突然倒塌。破坏的起因是由于拱与壳板交接处裂缝开展，不断渗 水，终于导致钢筋锈蚀，悬索断裂，引起世界震惊的倒塌事故。水，终于导致钢筋锈蚀，悬索断裂，引起世界震惊的倒塌事故。 有下列状态之一：有下列状态之一： 1.1. 影响正常使用或外观的影响正常使用或外观的变形变形 2.2. 影响正常使用或耐久性能的影响正常使用或耐久性能的局部破坏局部破坏 （包括

12、裂缝）（包括裂缝） 3.3. 影响正常使用的影响正常使用的振动振动变形变形 4.4. 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 影响因素影响因素 8.2.1影响结构可靠性的因素（变量）及其随机性影响结构可靠性的因素（变量）及其随机性 8.2 荷载和结构抗力的统计分析荷载和结构抗力的统计分析 1、作用效应作用效应S 结构受到的各种外界作用结构受到的各种外界作用 支座反力支座反力、内力内力（弯矩弯矩、轴力轴力、剪力剪力、扭转扭转）、变形变形 （挠度挠度、侧移侧移、转角转角）、倾覆倾覆、滑移滑移 2、结构抗力结构抗力R 结构本身对各种作用效应的抵抗能力结构本身对各种作用效应的抵抗能力 材

13、料性能、几何参数、计算模式材料性能、几何参数、计算模式 强度分布直方图强度分布直方图 8.2.2数理统计中的一些基本概念数理统计中的一些基本概念 横坐标横坐标抗压强度抗压强度 纵坐标纵坐标某一强度区段（组距）试块数（频数）；某一强度区段（组距）试块数（频数）； 也可表示频率（频数也可表示频率（频数试块总数）；试块总数）； 也可表示概率密度（频率也可表示概率密度（频率组距）组距） 示例示例135135页图页图8 8- -3 3 正态分布曲线正态分布曲线 特点：特点： 有且仅有一峰值；有且仅有一峰值； 有一对称轴；有一对称轴； 随机变量趋于正无穷或负无穷时随机变量趋于正无穷或负无穷时，纵坐标趋于纵

14、坐标趋于0； 对称轴左右两边各有一反弯点，它们也对称于对称轴。对称轴左右两边各有一反弯点，它们也对称于对称轴。 正态分布曲线的特征值和保证率正态分布曲线的特征值和保证率 平均值平均值 标准差标准差 变异系数变异系数 1 1 n x n i i 12 () 1 1 n x in i 定义：定义： 8.3 结构的可靠度结构的可靠度 指结构在规定的时间内指结构在规定的时间内，在规定的条件下在规定的条件下，完成预定功完成预定功 能的概率能的概率。 结构不能完成预定功能的概率称为结构不能完成预定功能的概率称为“失效概率失效概率”。 结构能够完成预定功能的概率称为结构能够完成预定功能的概率称为“可靠概率可

15、靠概率”。 (0)( ) 0 PP Zf Z dZ s 0 (0)( )PP Zf Z dZ f 1PP Sf 8.4.1正态随机变量的情况正态随机变量的情况 8.4 结构的可靠度指标结构的可靠度指标 当当R R、S S均为相互独立的正态随机变量时：均为相互独立的正态随机变量时： Z Z ZRS 22 ZRS ()() 0 PZ f 8.4.2对数正态随机变量的情况对数正态随机变量的情况 当当R R、S S均为对数正态随机变量时：均为对数正态随机变量时： 2 1 ln 2 1 22 ln(1)(1) RS RR RS 举例举例 例例8 8- -1 1； 例例8 8- -2 2； 作业作业 2 2- -教材教材155155页习题第页习题第2 2题；题； 1 1- -教材教材154154页，思考题第页，思考题第3 3题；题；