中南大学《工程结构可靠度设计原理》课件第二篇

第7章荷载的统计分析概率论与数理统计中的几个基本概念确定性现象：一定条件下某事件必然发生或必然不发生，如1个标准大气压下，水加热到100°C必然沸腾。随机性现象：一定条件下可能出现这样或那样的结果，事前不能准确预言，如抛硬币。统计规律性：抛硬币试验中，只要试验次数足够多，那么出现正（反）面向上的几率就越接近50％。离散型：{概率分布：{连续型：{二点分布二项分布泊松分布超几何分布均匀分布指数分布正态分布Γ分布一个小例子20-2930-3940-4950-5960-6970-7980-8990-10027334152607080923945546271819456657383936675829667778566788878897987792.9%5.7%5.7%8.6%17.1%25.7%22.9%11.4%总计35人平均70.4不及格率22.9%某班考试成绩分析05101520253020-2930-3940-4950-5960-6970-7980-8990-100比例（％）思考题考试成绩能否符合正态分布？材料的自重(恒载)能否符合正态分布？正态分布概率密度函数），（简记为的概率密度函数：随机变量2222)(exp21)(NxxxfX荷载、材料的强度、构件的尺寸等xdtexFxx－相应的概率分布函数：222)(21)(方差（Variance）：实际值与期望值之差平方的平均值。标准差（Standarddeviation）：方差的平方根。变异系数：标准差与均值的比值。两组砖的重量，单位kg2.632.622.602.612.642.652.662.632.652.612.632.602.582.592.662.672.682.632.672.59均值都为2.63kg，但第一组方差小，数据集中，第二组方差大，结果离散性大，不稳定7.1荷载的概率模型7.1.1平稳二项随机过程模型：按随时间的变异分类：永久荷载—设计基准期内其量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计。持久荷载—设计基准期内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略。短时荷载—设计基准期内出现或不一定出现，而一旦出现其量值很大且持续时间很短，如风压和地震在相同条件下的同类结构上作用的以上各类荷载在任一确定时刻的量值进行统计，发现该量值为一随机变量Q。由于不同时刻任意时点荷载将不同，因此荷载实际上是一个随时间变化的随机变量，数学上用随机过程概率模型来描述。平稳二项随机过程荷载模型的假定：（1）根据荷载每变动一次在结构上的时间长短，将设计基准期T等分为r个相等的时段τ，或认为设计基准期T内荷载均匀变动=T/τ(2)在每个时段内，荷载Q出现的概率为p，不出现的概率为q=1-p（3）在每一时段τ内，荷载出现时，其幅值是非负的随机变量，且在不同时段上的概率分布是相同的，记时段τ内的荷载概率分布为（4）不同时段τ上的荷载幅值随机变量相互独立，且与在时段τ上是否出现荷载无关。三个已知量：荷载载T内变动次数r或变动一次的时间τ；在每个时段τ内荷载出现的概率p；以及荷载在任意时点概率分布Fi(x)()(),iFxPQtxt()11()()11()():():irTiTTFxpFxFxpFxFxFxTQ任一时段内的荷载概率分布；在设计基准期内最大值的概率分布。7.1.2FT(x)和Fi(x)的统计参数关系在下列情况下，可以直接由任意时点荷载概率分布Fi(x)的统计参数推求设计基准期T内荷载概率分布FT(x)的统计参数。1、Fi(x)为正态分布2、Fi(x)为极值Ⅰ型分布7.2荷载代表值荷载随时间具有变异性，尤其是可变荷载，但在设计中很难直接考虑荷载变异性，因此一般根据不同的设计要求，针对相应的极限状态和荷载效应组合要求，规定不同的荷载代表值。《荷载规范》给出了四种荷载代表值：标准值、组合值、频遇值和准永久值荷载的各种代表值标准值：荷载的基本代表值，其他代表值可以在标准值的基础上换算得到。为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值。在结构设计基准期内具有一定的不被超越概率pk所对应的荷载值。荷载类型恒载住宅楼面活载办公楼面活载风荷载屋面雪荷载pk0.210.800.920.570.36准永久值：在结构上经常作用的可变荷载值，它在设计基准期内具有较长的作用时间，对结构的影响相似于永久荷载，其数值依靠在设计基准期内达到和超越该值的总持续时间与设计基准期时间的比值（大于等于50％）而定。可变荷载在设计基准期内超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值（任意点荷载概率分布的中位值）。办公楼、住宅0.4Qx─荷载的准永久值准永久值系数qkxqQQ频遇值：可变荷载在设计基准期内被超越的总时间为规定的较小比率（50%）或在设计基准期内其被超越频率为规定频率（50%）的荷载值。可变荷载标准值遇值系数荷载频遇值＝荷载的频频遇值系数准永久值系数组合值：作用在结构上有两种或两种以上的可变荷载时，荷载不可能同时以其最大值出现，此时荷载的代表值可采用组合值，通常可表达为荷载组合系数与标准值的乘积。多个可变荷载组合后在设计基准期内超越概率与单独出现时相应概率趋于一致，或组合后结构具有统一规定的可靠指标的荷载值。可变荷载标准值合值系数荷载组合值＝荷载的组民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值,频遇值和准永久值系数0.40.50.50.60.72.0(1)住宅、宿舍、旅馆、办公楼、医院病房、托儿所、幼儿园(2)教室、试验室、阅览室、会议室、医院门诊室1准永久值系数ψq频遇值系数ψf组合值系数ψc标准值(kN/m2)类别项次0.70.73.03.0(1)礼堂、剧场、电影院、有固定座位的看台(2)公共洗衣房30.72.5食堂、餐厅、一般资料档案室20.30.50.50.60.50.6荷载标准值：是荷载的基本代表值，其它代表值都可在标准值的基础上乘以相应的系数后得出各种荷载的代表值对永久荷载：应采用标准值作为代表值对可变荷载：应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值对偶然荷载：应按结构的使用特点确定其代表值7.3荷载效应及荷载效应组合7.3.1荷载效应对应于线弹性结构：结构的荷载效应S与荷载Q之间呈线性关系。荷载效应系数。1/8l2、1/2l、1/4l荷载效应与结构的尺寸、结构的截面特性和材料的特性相关。与荷载的变异性相比，荷载效应的变异性小，可以近似为常数。荷载效应的概率特性（概率分布）与荷载的概率特性将相同。统计参数：ms=CmQ、σs=CσQ统计参数：δ=σ/m、δs=δQ7.3.2荷载效应组合1、Turkstra组合2、JCSS组合3、我国规范：基本组合、标准组合、准永久组合、频遇组合。第8章结构抗力的统计分析8.1结构抗力的不定性结构抗力：结构承受外加作用的能力。整体结构抗力结构构件抗力构件截面抗力截面各点抗力：钢筋、混凝土各纤维高度。结构的抗力与结构的作用效应相对应结构的承载力-作用效应产生的内力强度结构抵抗变形的能力-作用效用产生的变形刚度变形验算：结构构件或结构整体承载力的验算或计算：结构构件。整体：力学+延性结构构件的抗力的研讨。影响结构构件抗力的三个主要因素：材料性能不定性Xm几何参数不定性Xa计算模式不定性Xp结构的抗力是多元随机变量的函数确定结构构件的统计参数和分布类型非常困难统计参数：对主要因素分别统计分析的基础上求出。概率分布类型：据各主要影响因素的概率分布类型，应数学分析或经验判断的方法确定。在推求结构构件抗力及其各项影响的统计参数时，通常采用下列近似公式：随即变量Y均值：方差：变异系数：8.2结构构件材料性能的不定性由于材料本身品质的差异，以及制作工艺、环境条件等因素引起的材料性能的变异所导致的。强度：混凝土（拉、压、剪）、钢筋（拉、压、剪）刚度：弹性模量（剪切模量）、面积（高×宽）、惯性矩、抵抗矩等。结构构件材料的不定性用随即变量Xm表达令：则：均值：变异系数：材料Q235f钢的屈服强度的统计参数试件材料强度的平均值μfs=280.3N/mm2；试件材料强度标准差σfs=21.3N/mm2实际构件中材料的屈服强度低于试件材料的屈服强度两者比值的均值：μX0=0.92；方差σX0=0.032；规范规定的构件材料屈服强度值为：k0fk=240N/mm2δfs=σfs/μfs=21.3/280.3=0.076；δX0=σX0/μX0=0.032/0.92=0.035μfy=μX0μfs/k0fk=0.92*280.3/240=1.076=0.0848.3结构构件几何参数的不定性由于制作安装后实际结构与设计中预期的几何特征会有差异，构成了构件的几何参数的不定性。结构的几何参数的统计参数，可根据正常生产情况下结构构件的几何尺寸实测数据，经统计分析得到。方差：偏导数平方与方差积之和。钢管面积的统计参数钢管外径均值：μD=30.2cm;变异系数：δD=0.03;钢管壁厚均值：μt=1.25cm;变异系数：δt=0.05；A=π/4[D2-(d-2t)2]=πt(D-t)均值：将外径及壁厚的均值带入求得；方差：变异系数：8.4结构构件计算模式的不定性抗力计算中采用的基本假定不完全符合实际或计算公式的近似引起的变异。理想的弹性、理想的塑性、均值、各向同性、平截面变形、小变形等假定，采用铰支、固定端支撑等理想边界条件，采用线性化方法来简化分析计算等。钢筋混凝土梁斜压抗剪强度计算公式的统计参数。实测值：实际测得的斜压破坏时对应的剪力值。计算值：将实测数据代入计算公式所得的强度值。0pcRXR8.5结构构件抗力的统计特征8.5.1结构构件抗力的统计参数结构构件可能有几种材料组成，故有：对于结构构件为单一材料构成，则可以简化为：则：令：此时R的变异系数为1122pppcccnnRXRXRfafafa，，,1011110pmkAkmnnknAnknRXRXkfXaXkfXa，,0pmkAkRXXkfXa8.5.2结构构件抗力的分布类型结构抗力R是多个随机变量的函数。即使每个随机变量的分布函数已知，在理论上推求抗力R的概率分布函数也很困难。概率论的中心极限定理：如果一个随机变量Y是由很多独立随机变量X1、X2、…Xn的乘积构成的，Y=∏Xi，则lnY=∑lnXi趋近于正态分布，而Y的分布则为对数正态分布。均值：将各个随机变量带入公式求得。方差：偏导数代入均值乘以其各自方差的平方和。思考题将荷载处理为平稳二项随机过程有何优点？荷载有哪些代表值？有何意义？荷载效应与荷载有何区别？有何联系？结构抗力的含义是什么？影响结构抗力的因素有哪些？结构材料不定性是什么原因引起的？结构构件的抗力分布可近似为什么类型？其统计参数如何让计算？9.1结构可靠度的基本概念设计任何一个建筑物或构筑物，在规定的设计使用基准期内，应满足9.1.1结构的功能要求结构的功能FunctionsofStructure能承受正常施工和正常使用可能出现的各种作用；能在正常使用时具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性能；在偶然事件发生时（如地震、火灾等）及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。—结构的功能要求安全性—Safety承载能力适用性—Serviceability正常使用耐久性—Durability鲁棒性—Robustness意外情况下的安全性◆安全性Safety◎如（M≤Mu）◎结构在预定使用期间内（designlife一般为50年），应能承受在正常施工、正常使用情况下可能出现的各种荷载、外加变形（如超静定结构的支座不均匀沉降）、约束变形（如温度和收缩变形受到约束时）等的作用。所需要考虑的问题有：◎正常情况下荷载的随机性◎正常情况下结构构件材料强度的随机性◎结构计算分析的误差：结构模型、承载力模型结构的功能Functionsof