工程结构可靠性原理

结构可靠性理论StructuralReliabilityTheory课程基本情况大纲学时：36（24讲解+6自学+6讨论讲座）授课对象：研究生，工程硕士课程编号：S05016参考教材：1)李清富，高健磊，乐金朝等。《工程结构可靠性原理》,黄河水利出版社，1999。(教材一)(以后章节中用红色标注公式的)2)范水士，陈慰如，李学伟译；赵国藩，林安西校。《结构可靠性理论及其应用——StructureReliabilityTheoryandItsApplication》P.Thoft-Christensen(P.索夫特-克里斯坦森)andM.J.Baker，Springer-Verlag1982。科学出版社出版,1988。3)李国强，黄宏伟，郑步权。《工程结构荷载与结构可靠度设计原理》（第二版）中国建筑工业出版社（ChinaArchitectureandBuildingPress），2001。（面向21世纪课程教材-高校土木工程学科专业指导委员会规划推荐教材）参考文献：1）《ApplicationofStructuralSystemReliabilityTheory》PallleThoft-ChristensenandYoshisadaMurotsu。Springer-VerlagBerlinHeidelbergNewYorkTokyo，19852）胡云昌，郭振邦。《结构系统可靠性分析原理及应用》.天津大学出版社，19923）徐雪玲，王善著。《结构可靠性原理导论》.中国船舶工业总公司可靠性中心，19964）何水清，王善著。《结构可靠性分析与设计》.国防工业出版社，19935）赵国藩，金伟良，贡金鑫著。《结构可靠性理论》.建筑工业出版社，20006）李守仁.《可靠性工程》.哈尔滨船舶工程学院出版社，19917）王福保。《概率论及数理统计》.同济大学出版社，19938）迪特莱夫森等[丹麦]，何军翻译。结构可靠度方法。同济大学出版社，同济大学出版社。9)(1)《公路工程结构可靠度设计统一标准》GB/T50283-1999。Unifiedstandardforreliabilitydesignofhighwayengineeringstructures。1999-06-10发布，10-01实施。国家质量技术监督局和中华人民共和国建设部，联合发布。(2)《建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）》，北京：中国建筑工业出版社，2001。10)李扬海，鲍卫刚等。《公路桥梁结构可靠度与概率极限状态设计》。人本交通出版社，1997。11)MichaelDuncan,Honorary.Factorofsafetyandreliabilityingeotechnicalengineering.Journalofgeotechnicalandgeoenvironmentalengineering,126(4),April,2000.P307-316.12)刘玉彬，王光远。《工程结构广义可靠性理论》，科学出版社，2005。13)李桂青，李秋胜。《工程结构时变可靠度理论及其应用》，科学出版社，2001。14)曹双寅，邱洪兴，王恒华。《结构可靠性鉴定与加固技术》。中国水力水电出版结构可靠性理论课程是接着《结构力学》等结构类课程的后续课程，是很多专业课（如结构设计原理等）中公式系数的来源、可靠度取值的基础，故它是一门基础课，比较偏重于数学方面，故其难度相对比较大。工程结构可靠性理论是一门涉及多学科并与工程应用有着密切关系的学科，对结构设计能否符合安全可靠、耐久适用、经济合理、技术先进、确保质量的要求，起着重要的作用。结构可靠性与下面几个方面有关：1.工程结构2.工程结构的设计步骤3.结构设计计算的两个方面Chap.0绪论0.1引言0.1.1工程结构的定义工业与民用建筑结构公路、铁路（桥梁）结构水利工程等结构：它们在相当长的使用期内，需要安全地承受各种使用荷载，经受气象作用，以及波浪、地震等自然作用。它们的安全与否，不但影响工农业生产，而且还关系到人身安危。特别是对一些重要的纪念性建筑物，作为一个划时代的文化特征，将流传后世，对安全、适用、美观、耐久等方面，还有更高的要求。0.1.2工程结构的设计步骤1）选择合理的结构方案和型式第一步：是调查研究、分析对比，在满足预定功能的条件下，选择合理的结构方案和型式；2）根据选定的结构型式设计结构或构件的截面第二步：包括结构或构件截面内力或应力的分析，以及根据截面的内力或应力，选择截面尺寸、确定材料用量等。通常称为结构计算。本门课程主要是讨论在结构计算中，截面或构件设计的安全性和可靠性的问题。0.1.3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如何合理地选择影响结构安全的参数结构设计计算主要解决两方面的问题：一方面是如何考虑材料固有的性能，使结构的力学分析日趋完善；结构设计中所用结构设计理论由于采用了现代力学方法、计算机和完善的实验，所以更精确。另一方面是如何合理地选择影响结构安全的参数，如荷载值、材料强度值以及安全系数等。若不考虑荷载、材料强度等参数的不确定性和它们对结构安全的影响，那就会与日益精确的力学分析不相匹配。例如安全系数取大些，荷载值取大些，就多用材料造成不必要的浪费；反之就会造成危险。图0.1结构可靠性设计可靠性经济性结构设计实验数据统计数据数学理论专家系统工程实测实践经验如何在结构的可靠性与经济性之间选择一种最佳的平衡，力求以最经济的途径使所建造的结构以适当的可靠度满足各种预定的功能要求是结构设计要解决的根本问题。0.2工程结构可靠性概念1)在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用（即能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用(包括荷载及外加变形或约束变形）。★2)在正常使用时具有良好的工作性能。★3)在正常维护下具有足够的耐久性能。★4)在设计规定的偶然事件(如地震、爆炸、龙卷风等)发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。★0.2.1工程结构的功能工程结构设计的基本目的是以最经济的手段,赋予结构以适当的可靠度，使结构在预定的使用期限内,具备预定的各种功能。1.大桥承受车流荷载、风载等;高等建筑承受风载、屋内荷载等。2.教学楼必须能够满足教学的各项要求，它不能用做车间存放沉重的设备，危险！反之，浪费！3.所谓足够的耐久性能，系指结构在规定的工作环境中，在预定的时期内，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失败概率。从工程概念上讲，足够的耐久性能就是指在正常维护条件下能够正常使用到规定的设计使用年限。即在预定的使用期内，材料恶化不严重。4.所谓整体稳定性，系指在偶然事件发生时和发生后，建筑结构仅产生局部的损坏而不致发生连续倒塌。例如英国伦敦CanningTown一幢23层装配式大板结构公寓大楼，由于18层一家发生了家用瓦斯爆炸，将该层的一块外墙板炸坏，使这一初始局部破坏沿建筑物竖向蔓延，一层一层连续倒塌直至地面。导致建筑物整体破坏。第1,4两项是结构安全性的要求；第2项是结构适用性的要求；第3项是结构耐久性的要求。三者可概括为结构可靠性要求。0.2.2结构可靠性的科学定义定义：1、结构可靠性：结构在“规定时间”内，在”规定条件”下，完成”预定功能”的能力。即它就是研究结构在各种因素作用下的安全问题。内容包括：结构的安全性、适用性、耐久性、可维修性、可耐存性及其组合。一般情况下，将安全性、适用性和耐久性三者总称为结构的可靠性。2、结构可靠度：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。（或者可以定义为：在某个寿命跨度上，结构实际上将留存的概率）。它是用来定量地进行分析计算，给出结构可靠性的数量指标。用来度量可靠性的指标称为可靠度。因为在各种随机因素影响下，结构完成预定功能的能力只能用概率来度量，所以从统计数学观点出发，才有了上述关于可靠性及可靠度比较科学的定义。可靠度比安全度含义更为广泛，但安全度是可靠度中最重要的内容。所谓“规定时间”，是指分析结构可靠度时考虑各项基本变量与时间关系所取用的设计基准期以及结构使用期；所谓“规定条件”，是指设计时所确定的结构的正常设计、正常施工和正常使用的条件，即不考虑人为过失的影响；所说的“预定功能”，是以结构是否达到“极限状态”来标志的。如果结构达到极限状态的概率超过允许值，结构就失效，即不可靠。结构的失效概率越小，则其可靠度就越大。必须指出:结构可靠度与使用年限长短有关,本标准所指的结构可靠度或结构失效概率,是对结构的设计使用年限而言的，当结构的使用年限超过设计使用年限后，结构失效概率可能较设计预期值增大。0.2.3设计使用年限表0.1设计使用年限分类类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重要的建筑结构1、设计使用年限是设计规定的有关时期，在这一规定时期内，只需进行正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、正常使用和维护下所达到的使用年限。2、如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维护的某一环节上出现了非正常情况，应查找原因。3、所谓“正常维护”包括必要的检测、防护及维修。设计使用年限是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程“合理使用年限”的具体化。0.2.4设计基准期1、设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数。如《建筑结构可靠度设计统一标准》规定设计基准期为50年。结构设计规范要求听设计的结构在设汁基准期内，力求在经济合理的前提下满足下列各项功能要求：1)能承受在施工和使用期内可能出现的各种作用；2)在正常使用时具有良好的工作性能；3)具有足够的耐久性；4)在偶然事件发生时及发生后,能保持必要的整体稳定性。荷载是随时间而变动的随机过程，结构材料性能亦是以时间为变量的随机函数，所以结构可靠度应是时间的函数，即与结构的设计使用年限长短有关。例如：若结构的截面尺寸和材料强度均相同，则必然是使用期长的结构可靠度小于使用期短者。反之，若欲使他们有相同的可靠度，则结构所需的截面尺寸或所用的材料用量必然是使用期长者大于使用期短者。注意：设计基准期，设计使用年限≠使用寿命。0.2.5影响结构可靠性的因素：R明显与时间有关。不同的研究对象时间不同，如导弹、房屋建筑等等的时间各不相同，超出规定的这个时间，结构的可靠性会降低到规定的标准以下，不易继续使用，或者再谈论结构的可靠性问题就没有意义了。R与规定条件有关。这种条件指结构所处的外部环境条件，诸如外力、温度、振动、冲击、周围介质等等情况。同一结构在不同的外部环境条件下，其可靠性可能全然不同。R与功能有关。设计每一种结构都赋予它一定的功能。这些结构也可能会有多种功能，结构可靠性所研究的，正是这些规定功能的实现情况。在结构可靠度的计算中，用概率将这种功能的实现情况定量的表示出来。这就暗含着规定功能可能实现，也有可能不实现，即容许有失效或者故障发生。可靠和失效是一个物体内存着的两个方面，在分析结构可靠性时，必须对结构的失效有充分的了解。0.3失效定义结构丧失规定的功能称为失效。对可修复结构而言，这种失效称为故障。失效分类：1、按失效的性质可分为：突然失效和渐变失效。突然失效：描述结构的一个或几个任务参数发生突然变化得失效称为突然失效，它是不能用事前的测试或监控预测到的。（重庆虹桥垮塌事件）渐变失效：由于结构的一个或几个任务参数逐渐变化而引起的失效称为渐变失效，它是可以用事前的测试或监控预测到的。对于任何结构，渐变失效是不可避免的，这是由于有规律的耗损和老化的结果，所以这种失效迟早会发生，故它的出现概率为1，因此渐变失效不作为随机事件来处理。但是，这种失效到来的时间是随机量，就这个意义上来说，渐变失效仍属于概率的范畴。2、按失效发生的时间为出发点进行划分：早期失效、偶然失效和耗损失效。早期失效：也称为试运行期失效，主要是由于系统内有这样或那样的隐蔽缺陷构件，或装配和安装时