(第十章)结构概率可靠度设计法——中国建筑工业出版社

荷载与结构设计方法LoadsandDesignMethodsofStructures第二篇工程结构可靠度设计原理2020/2/14荷载与结构设计方法2结构设计的目标建筑结构的安全等级目标可靠度结构概率可靠度的直接设计法结构概率可靠度设计的实用表达式单一系数设计表达式分项系数设计表达式规范设计表达式第10章结构概率可靠度设计法2020/2/14荷载与结构设计方法3设计方法允许应力设计法破坏阶段设计法极限状态设计法半经验半概率法近似概率法全概率法生命全过程设计法材料力学的方法按经验法确定安全系数第10章结构概率可靠度设计法2020/2/14荷载与结构设计方法410.1结构设计的目标一、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RSR-随机变量S-随机变量RS无法绝对满足该要求只能在一定概率意义下满足要求，即sPRSP具体地讲，结构设计的要求是：在一定的可靠度Ps或者失效概率Pf条件下，进行结构设计，使得结构的抗力大于或等于结构的综合荷载效应。可靠指标b2020/2/14荷载与结构设计方法510.1结构设计的目标二、目标可靠度目标可靠度结构造价结构安全性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，即：结构可靠———最佳平衡点———经济1、确定结构可靠度需考虑的因素：①公众心理→=2.5-4.0对工程结构，在设计基准期内，pf5E-3结构较安全pf5E-4结构安全pf5E-5结构很安全2020/2/14荷载与结构设计方法610.1结构设计的目标②结构重要性--结构的安全等级：结构破坏可能产生的后果(危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的房屋二级严重一般的房屋三级不严重次要的房屋建筑物中各类构件的安全等级，宜与整个结构的安全等级相一致，但允许根据重要程度和综合经济效益对部分构件进行调整：提高某个构件的安全等级，所需费用很少，又可减轻结构的破坏，减少伤亡和财产损失；若某个构件的破坏并不影响整个结构或其他构件的安全性，可将其安全等级降低一级，但最低不能低于三级。2020/2/14荷载与结构设计方法710.1结构设计的目标③结构破坏性质--脆性结构的可靠度应高于延性结构的可靠度延性破坏--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兆④社会经济承受力2020/2/14荷载与结构设计方法810.1结构设计的目标2、确定结构目标可靠度的方法结构设计时采用的可靠度指标，是根据现有结构构件的可靠度分析，并考虑使用经验和经济因素等确定的。（为编制规范的核心问题）（1）类比法，参照人们在日常活动中所经历的各种风险（危险率）来确定一个为公众所能接受的失效概率。1‰断然不能接受0.1‰加强警惕，采取措施0.01‰不太关心0.001‰不为人注意公众对事故年死亡率的心理反应认为结构工程的年失效概率为10-5是可以接受的pf=5*10-4β=3.29但是这种心理反应是因人而异的，因此该方法确定的可靠度指标无法被所有人接受。5050,1,1,1150fffppp1fp2020/2/14荷载与结构设计方法910.1结构设计的目标（2）校准法现有结构构件的可靠度分析采用“校准法”，并考虑使用经验和经济因素等确定。即承认传统设计对结构安全要求的合理性，通过采用结构可靠度分析理论对传统设计方法所具有的可靠度进行分析，以结构传统设计方法的可靠度水平作为结构概率可靠度设计方法的目标可靠度。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。破坏类型安全等级一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2结构构件承载力极限状态的可靠指标[]2020/2/14荷载与结构设计方法1010.1结构设计的目标结构构件正常使用极限状态的可靠度指标，根据其作用效应的可逆程度宜取0-1.5，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。不逆可极限状态-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2.73.23.74.2pf3.510-36.910-41.110-41.310--5可靠指标与失效概率运算值pf的关系《建筑结构可靠度统一标准》GB50068以建筑结构安全等级为二级时延性破坏的[]值作为基准，其他情况下相应增减0.52020/2/14荷载与结构设计方法1110.1结构设计的目标设计基准期和设计使用年限设计基准期是工程结构设计时，为确定可变作用及与时间相关的材料性能取值而选用的时间参数。根据工程结构的不同，采用不同的设计基准期：建筑结构为50年；桥梁结构为100年；水泥混凝土路面结构不大于30年；沥青混凝土路面结构不大于15年。设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按照预定目的使用的期限，即房屋建筑结构在正常设计、正常施工和正常使用和维护下所应达到的使用年限。2020/2/14荷载与结构设计方法1210.1结构设计的目标如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维护的某一个环节出现了非正常情况，应及时查找原因（如进行检测、鉴定）。所谓正常维护主要是指必要的检测、防护及维修，如暴露在外界环境条件下的钢结构，为防止钢材生锈，应定期进行维护。2020/2/14荷载与结构设计方法1310.1结构设计的目标（设计状况）由于结构在建造和使用过程中所承受的作用和所处的环境不同，设计时所采用的结构体系、可靠度水准、设计方法等也应有所区别。因此，建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分三种设计状况（持久状况、短暂状况和偶然状况）。对于不同的设计状况均应进行承载力极限状态设计，以保证结构的安全性。对偶然状况，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，但其余部分应具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度；对持久状况，还应按照正常使用极限状态设计以保证结构的适用性和耐久性；对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计。2020/2/14荷载与结构设计方法1410.2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（直接基于结构可靠度分析理论的设计方法）：根据预先给定的目标可靠度指标[β]及各基本变量的统计特征，通过可靠度计算公式反求结构构件抗力，然后进行构件截面设计的一种方法。简单地讲就是要使设计结构的可靠度满足某个规定的概率值。即β≥[β]或Pf≤[Pf]该方法主要应用于以下方面：(1)在特定情况下，直接设计某些重要的工程（核电设施、海上平台以及大型水坝等）(2)根据规定的可靠度，核准分项系数模式中的分项系数(3)对不同设计条件下的结构可靠度进行一致性对比一、定义重要工程结构采用直接设计法;大量一般性的结构构件采用间接设计法2020/2/14荷载与结构设计方法1510.2结构概率可靠度的直接设计法二、计算步骤（验算点法）目标可靠指标[]荷载效应Si(i=1~n)的统计参数（Si、Si）及分布类型结构抗力R的统计参数dR，服从对数正态分布极限状态方程g(SQ1，SQ2，SQ3，。。。，SQn，R)=0验算点法迭代计算当R、S服从正态分布时22SRSR当R、S服从对数正态分布时结构抗力R的参数R22221ln1ln11SRsRRS2020/2/14荷载与结构设计方法1610.3结构概率可靠度设计的实用表达式为了满足可靠度的要求，在实际结构设计中要采取以下措施：(1)在计算荷载效应时，取足够大的荷载值；(2)多种荷载作用是考虑荷载的合理组合；(3)在计算结构的抗力时，取足够低的强度指标；(4)对安全等级不同的建筑结构，采用一个重要性系数来进行调整。同时，考虑到工程结构设计人员长期以来习惯于采用基本变量的标准值和各种系数进行结构设计，而且在可靠度理论上也已建立了分项系数的确定方法。因此，我国建筑结构可靠度统一标准（GB50068-2001）规定了在设计验算点出，把以可靠度指标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的极限状态设计表达式。（可靠度间接设计法）一、引论2020/2/14荷载与结构设计方法1710.3结构概率可靠度设计的实用表达式二、单一系数设计表达（正态分布时）22SRSR222221SSSRRSR可靠性中心安全系数令~0SRk2222220111RRSRkSRk022SRSRR和S服从对数正态分布（自学P163)，其他分布用验算点法计算可靠度指标β。2020/2/14荷载与结构设计方法1810.3结构概率可靠度设计的实用表达式kkkSRSSSRRRkkk11由于设计条件的千变万化，R和S的变异系数也将在一个较大的范围内发生变化，采用单一的系数不利于统一标准，给设计带来不便。工程设计中，一般采用结构功能函数中各变量的标准值，即1kRRRRk从公众心理上考虑，一般引入系数kS和kR来建立均值和标准值的关系：1kSSSSk011RRSSkkkkSRk0设计安全系数2020/2/14荷载与结构设计方法1910.3结构概率可靠度设计的实用表达式三、分项系数设计表达22SRSR引入分离系数R、SSSRRSRSSSRRRSRSSSRRR11SSRR00为克服单一系数表达式的缺点，提出了分项系数设计表达式。分项系数表达式将单一系数设计表达式中的安全系数分解成荷载分项系数和抗力分项系数，当荷载为多个荷载时，各个荷载都采用各自的分项系数。01RRR01SSS2020/2/14荷载与结构设计方法2010.3结构概率可靠度设计的实用表达式sskSRRkRkSkR1100kssSSkRRRRSkRk1111kSRkSR11RRRRRk11SSSsskSSRR0001RRR01SSS1kRRRRk1kSSSSk2020/2/14荷载与结构设计方法2110.3结构概率可靠度设计的实用表达式四、规范设计表达式国际上通常采用的设计表达式011,21,nGGkQQkQiCiQikkkiRSSSRfa当可变荷载效应与恒载效应的比值变化时，采用单一系数表达式将导致可靠度指标变化较大；当恒荷载与可变荷载符号相反时，可通过调整分项系数而达到较一致的可靠度；当有多个可变荷载时，通过采用可变荷载的组合系数，使结构设计的可靠度保持一致；对于重要性程度不同的结构，通过采用结构重要性系数，使非同等重要的结构可靠度水平不同；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。2020/2/14荷载与结构设计方法2210.3结构概率可靠度设计的实用表达式（一）承载能力设计表达式↓结构重要性系数0SR←结构构件抗力设计值↑作用效应组合设计值结构重要性系数0对安全等级为一级或设计使用年限为100年及以上的结构构件，01.1对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，01.0对安全等级为三级或设计使用年限为5年的结构构件，00.9考虑不同投资主体对建筑结构可靠度的要求可能不同，允许01.1、1.0、0.92020/2/14荷载与结构设计方法2310.3结构概率可靠度设计的实用表达式结构抗力设计值RR=