結(jié)構(gòu)可靠度分析.ppt

第 八 章 結(jié)構(gòu)可靠度分析,內(nèi)容提要 第一節(jié) 結(jié)構(gòu)可靠度基本概念 一、結(jié)構(gòu)的功能要求 二、極限狀態(tài)、極限狀態(tài)方程 三、結(jié)構(gòu)的可靠度 四、結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo) 第二節(jié) 結(jié)構(gòu)可靠度分析的實(shí)用方法 一、中心點(diǎn)法 二、驗(yàn)算點(diǎn)法 第三節(jié) 結(jié)構(gòu)體系的可靠度 一、基本概念 二、結(jié)構(gòu)體系可靠度的上下界,第一節(jié) 結(jié)構(gòu)可靠度基本概念,一、結(jié)構(gòu)的功能要求 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)應(yīng)滿足下列功能要求： 1、在正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種作用 2、在正常使用時(shí)具有良好的工作性能 3、在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性 4、在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必要的整體穩(wěn)定性 1項(xiàng)、4項(xiàng) 結(jié)構(gòu)安全性的要求 2項(xiàng) 結(jié)構(gòu)適用性的要求 3項(xiàng) 結(jié)構(gòu)耐久性的要求 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間（設(shè)計(jì)使用年限）內(nèi)，在規(guī)定的條件下（正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用），完成預(yù)定功能的能力 結(jié)構(gòu)的可靠性，包括結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性 (聯(lián)接), 設(shè)計(jì)使用年限(design working life) - 設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)期目的使用的時(shí)期 - 即房屋結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和正常維護(hù)下所應(yīng)達(dá)到的使用年限，如達(dá)不到這個(gè)年限則意味著在設(shè)計(jì)、施工、使用與維修的某一環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了非正常情況，應(yīng)查找原因,(返回), GB500682001規(guī)定：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限分類, 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期(design reference period) -為確定可變作用及時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù) 規(guī)范所采用的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期不等同于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限 足夠的耐久性-指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的工作環(huán)境中，在預(yù)定時(shí)期內(nèi)，其材料性能的惡化不致導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可接受的失效概率。 從工程概念上講，足夠的耐久性就是指在正常維護(hù)條件下結(jié)構(gòu)能夠正常使用到規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限。 整體穩(wěn)定性-指在偶然事件發(fā)生時(shí)和發(fā)生后，建筑結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生局部的損壞而不致發(fā)生連續(xù)倒塌 (返回),二、極限狀態(tài)、極限狀態(tài)方程 “極限狀態(tài)(limit state)”定義 整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)(達(dá)到極限承載力；失穩(wěn)；變形、裂縫寬度超過某一規(guī)定限制等)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài) 結(jié)構(gòu)失效的臨界狀態(tài) “極限狀態(tài)”分類 承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài), 承載能力極限狀態(tài) - 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形 承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志 （1）整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡 （2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載 （3）結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)機(jī)構(gòu) （4）結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定性 (5) 地基喪失承載力而破壞 保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的安全性, 正常使用極限狀態(tài) - 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)規(guī)定限值 正常使用極限狀態(tài)標(biāo)志 （1）影響正常使用或外觀的變形 （2）影響正常使用或耐久性的局部破壞(包括裂縫) （3）影響正常使用的振動(dòng) （4）影響正常使用的其它特定狀態(tài)（例：滲漏、腐蝕、凍害等) 保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的適用性、耐久性, 結(jié)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)狀態(tài)（根據(jù)結(jié)構(gòu)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響） 1、持久狀況在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)，其持續(xù)期很長(zhǎng)(一般與設(shè)計(jì)使用年限為同一數(shù)量級(jí))的狀況。 2、短暫狀況在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而與設(shè)計(jì)使用年限相比，持續(xù)期很短的狀況。如施工和維修等。 3、偶然狀況在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的狀況，如火災(zāi)、爆炸、撞擊等。 建筑結(jié)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)狀況應(yīng)分別進(jìn)行承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 1、對(duì)三種狀況，均應(yīng)進(jìn)行承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 2、對(duì)持久狀況，尚應(yīng)進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 3、對(duì)短暫狀況，可根據(jù)需要進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì), 極限狀態(tài)方程 基本變量: 作用效應(yīng)S、結(jié)構(gòu)抗力R - 隨機(jī)變量 結(jié)構(gòu)的功能函數(shù) Z=g(R,S)=R-S 極限狀態(tài)方程 Z=g(R,S)=R-S= 0,S,R,Z=R-S= 0,Z0 可靠區(qū),Z0 失效區(qū),0,三、結(jié)構(gòu)的可靠度 定義 - 結(jié)構(gòu)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定條件下完成預(yù)定功能的概率 結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量 結(jié)構(gòu)可靠度是以正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用為條件的，不考慮人為過失的影響。 人為過失應(yīng)通過其他措施予以避免。 結(jié)構(gòu)可靠度的度量 結(jié)構(gòu)可靠度滿足： Z0具有相當(dāng)大的概率 或 Z0 具有相當(dāng)小的概率 結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率P s=P (Z0) -可靠概率 結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率P f=P (Z0 ) -失效概率 P s +P f =1 P f =1- P s 采用失效概率P f來度量結(jié)構(gòu)的可靠度,四、結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo) 若RN(R , R)，S N(S , S) ，且R、S 相互獨(dú)立, Z=R-S N(z , z) ， z = R - S ， 2z= 2R + 2S, 可用結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo) 來度量結(jié)構(gòu)的可靠性 P s +P f =1 = z / z P f P s P f =1- ( ), 結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo),第二節(jié) 結(jié)構(gòu)可靠度分析的實(shí)用方法, 中心點(diǎn)法 只適用于基本變量為正態(tài)分布、功能函數(shù)為線性的情況,一、中心點(diǎn)法,根據(jù)概率論中心極限定理，當(dāng)n，Z 近似服從正態(tài)分布 = z / z P f =1- ( ), 驗(yàn)算點(diǎn)法（JCSS建議） 能夠考慮非正態(tài)基本變量、非線性極限狀態(tài)方程, = z / z P f =1- ( ),將Z在各變量的均值點(diǎn)處展開成泰勒級(jí)數(shù)，并取線性項(xiàng),二、驗(yàn)算點(diǎn)法 （以兩個(gè)正態(tài)基本變量R、S情況為例） 多個(gè)正態(tài)基本變量情況 自學(xué) 多個(gè)非正態(tài)基本變量情況自學(xué) 將一般正態(tài)分布N（ , ） 標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N（0，1） 坐標(biāo)變換,極限狀態(tài)方程：,極限狀態(tài)方程：,驗(yàn)算點(diǎn),第三節(jié) 結(jié)構(gòu)體系的可靠度,結(jié)構(gòu)構(gòu)件(包括連接）的可靠度 結(jié)構(gòu)體系可靠度? 一、基本概念 1、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失效性質(zhì)（根據(jù)其材料和受力性質(zhì)不同） 脆性構(gòu)件 -一旦失效立即完全喪失功能的構(gòu)件 延性構(gòu)件-失效后仍能維持原有功能的構(gòu)件 構(gòu)件失效性質(zhì)的不同，對(duì)結(jié)構(gòu)體系可靠度的影響不同 2、結(jié)構(gòu)體系的失效模型 組成結(jié)構(gòu)的方式（靜定、超靜定） 構(gòu)件失效性質(zhì)（脆性、延性） 串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、串-并聯(lián)模型,（1）串聯(lián)模型 若結(jié)構(gòu)中任一構(gòu)件失效，則整個(gè)結(jié)構(gòu)也失效，這類結(jié)構(gòu)系統(tǒng)串聯(lián)模型, 所有靜定結(jié)構(gòu)的失效分析 串聯(lián)模型, 由脆性構(gòu)件做成的超靜定結(jié)構(gòu)的失效分析 串聯(lián)模型,P,P,P,S,S,桁架桿件, 若構(gòu)件中有一個(gè)或一個(gè)以上的構(gòu)件失效，剩余的構(gòu)件或失效的延性構(gòu)件，仍能維持整體結(jié)構(gòu)的功能,排架柱, 所有超靜定結(jié)構(gòu)的失效分析 并聯(lián)模型,（2）并聯(lián)模型,(3)串并聯(lián)模型,在延性構(gòu)件組成的超靜定結(jié)構(gòu)中，若結(jié)構(gòu)的最終失效狀態(tài)不限于一種，則這類結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 串-并聯(lián)模型,鋼構(gòu)架,截面塑性鉸元件,1,5,2,3,4,1,1,1,5,5,5,2,4,4,4,3,3,2,1,2,4,5,1,3,4,5,2,3,4,由脆性構(gòu)件組成的超靜定結(jié)構(gòu)并聯(lián)子系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為一個(gè)單元? 串聯(lián)模型 （當(dāng)一個(gè)元件發(fā)生破壞，就可近似認(rèn)為整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞） 二、結(jié)構(gòu)體系可靠度的上下界 同一結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件的失效有一定相關(guān)性 各失效形態(tài)間存在相關(guān)性 結(jié)構(gòu)體系可靠度的上、下界 各構(gòu)件的工作狀態(tài)Xi、失效狀態(tài)Xi、各構(gòu)件失效概率Pfi 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)失效概率Pf,1、串聯(lián)系統(tǒng),元件（n個(gè)）工作狀態(tài)完全獨(dú)立,元件（n個(gè)）工作狀態(tài)完全相關(guān),一般串聯(lián)系統(tǒng)失效概率Pf, 對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系的可靠度總構(gòu)件的可靠度,2、并聯(lián)系統(tǒng), 元件（n個(gè)）工作狀態(tài)完全獨(dú)立, 元件（n個(gè)