第八章結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念

1、第八章第八章 結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念 8.1 結(jié)構(gòu)的功能及其極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的功能及其極限狀態(tài)8.2 荷載與結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)分析荷載與結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)分析8.3 結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠度8.4 結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)工程結(jié)構(gòu)的功能工程結(jié)構(gòu)的功能 1 1、安全性、安全性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，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，在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性；的整體穩(wěn)定性；2 2、適用性、適用性在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；在正常使用時(shí)具有良好的工作性能；3 3

2、、耐久性、耐久性在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能；在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性能；8.1 結(jié)構(gòu)的功能及其極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的功能及其極限狀態(tài)8.1.1結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)的功能 結(jié)構(gòu)的可靠性結(jié)構(gòu)的可靠性 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。的能力。結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。的概率。結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠度 設(shè)計(jì)使用年限設(shè)計(jì)使用年限 設(shè)計(jì)規(guī)定的有關(guān)時(shí)期，在這一規(guī)定時(shí)期內(nèi)，只需進(jìn)行正設(shè)計(jì)規(guī)定的有關(guān)時(shí)期，在這一規(guī)定時(shí)期內(nèi)，只需進(jìn)行正常的維護(hù)而不需進(jìn)行大修就能按預(yù)期目的使

3、用，完成預(yù)常的維護(hù)而不需進(jìn)行大修就能按預(yù)期目的使用，完成預(yù)定的功能，即房屋建筑在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使定的功能，即房屋建筑在正常設(shè)計(jì)、正常施工、正常使用和維護(hù)下所達(dá)到的使用年限。用和維護(hù)下所達(dá)到的使用年限。各類房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，表各類房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限，表8-18-1類別設(shè)計(jì)使用年限（年）示例15臨時(shí)性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能取值而選用的時(shí)間參數(shù)。能取值而選用的時(shí)間參數(shù)。建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)

4、構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：規(guī)定：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年年鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：規(guī)定：鐵路工程結(jié)構(gòu)的鐵路工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年年一般一般 8.1.2結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)結(jié)構(gòu)的功能函數(shù) 已知已知影響結(jié)構(gòu)某一功能的基本變量影響結(jié)構(gòu)某一功能的基本變量X1,X2,XN 那么和這個(gè)功能對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，可以表示為那么和這個(gè)功能對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)，可以表示為考慮結(jié)構(gòu)功能，僅與作用效應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)功能，僅與作用效應(yīng)S S和結(jié)構(gòu)抗力和結(jié)構(gòu)抗力R R兩個(gè)基本變兩個(gè)基本變量有關(guān)的最簡(jiǎn)單情況。量有關(guān)的最簡(jiǎn)單情況。 ( ,)1Zg xxn簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 ( ,

5、)Zg R SR S定義定義 8.1.3結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)功能的極限狀態(tài) 當(dāng)結(jié)構(gòu)一部分或整個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)結(jié)構(gòu)一部分或整個(gè)結(jié)構(gòu)超過(guò)某一特定狀態(tài)超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿足就不能滿足設(shè)計(jì)指定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極設(shè)計(jì)指定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。限狀態(tài)。 極限狀態(tài)方程極限狀態(tài)方程當(dāng)結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時(shí)各有關(guān)基本變當(dāng)結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)時(shí)各有關(guān)基本變量的關(guān)系式。量的關(guān)系式。 ( ,) 01Zg xxn一個(gè)只有兩個(gè)基本變量的線性問(wèn)題，一個(gè)只有兩個(gè)基本變量的線性問(wèn)題，對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，若令對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，若令R R為結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)抗力，抗力，S S為作用綜合效應(yīng)，則極

6、限狀態(tài)為作用綜合效應(yīng)，則極限狀態(tài)方程可寫(xiě)為：方程可寫(xiě)為： Z Zg g（R,SR,S）=R-S=R-S0 0 若：若：Z ZR-S0R-S0， 結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)；若：若：Z ZR-SR-S0 0， 結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)；若：若：Z ZR-S0R-S0， 結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)。分類分類 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定規(guī)定 承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力最大承載能力或或

7、不適于繼續(xù)承載的不適于繼續(xù)承載的變形變形。 承載能力極限狀態(tài)可理解為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)揮允許的承載能力極限狀態(tài)可理解為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)揮允許的最大承載功能最大承載功能的狀態(tài)。結(jié)的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于塑性變形而使其幾何形狀發(fā)生顯著改變，雖未達(dá)到最大承載能力，但構(gòu)構(gòu)件由于塑性變形而使其幾何形狀發(fā)生顯著改變，雖未達(dá)到最大承載能力，但已經(jīng)已經(jīng)徹底不能使用徹底不能使用，也屬于這種極限狀態(tài)。，也屬于這種極限狀態(tài)。疲勞破壞疲勞破壞是在使用中由于荷載在多次重復(fù)作用而的達(dá)到的承載能力極限狀態(tài)。是在使用中由于荷載在多次重復(fù)作用而的達(dá)到的承載能力極限狀態(tài)。 承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)可靠性應(yīng)該很好可靠性應(yīng)該很好：

8、承載能力極限狀態(tài)的：承載能力極限狀態(tài)的出現(xiàn)概率應(yīng)當(dāng)很低出現(xiàn)概率應(yīng)當(dāng)很低，因，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致人身傷亡和大量的財(cái)產(chǎn)損失。為它可能導(dǎo)致人身傷亡和大量的財(cái)產(chǎn)損失。 有下列狀態(tài)之一：有下列狀態(tài)之一：1.1. 整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失剛體失去平衡去平衡 2.2. 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因?yàn)槌^(guò)材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因?yàn)槌^(guò)材料強(qiáng)度強(qiáng)度而而破壞（包括疲勞破壞），或因?yàn)檫^(guò)度破壞（包括疲勞破壞），或因?yàn)檫^(guò)度塑性變形而不適于繼續(xù)承載塑性變形而不適于繼續(xù)承載 3.3. 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系機(jī)動(dòng)體系4.4. 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定喪失穩(wěn)定（如壓屈）（如壓屈）5.5. 地基地

9、基喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）喪失承載能力而破壞（如失穩(wěn)等）正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)可理解為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)可理解為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到使用功能上允許的某個(gè)限值達(dá)到使用功能上允許的某個(gè)限值的狀的狀態(tài)。例如，某些構(gòu)件必須控制變形、裂縫才能滿足使用要求。因過(guò)大的變形會(huì)造態(tài)。例如，某些構(gòu)件必須控制變形、裂縫才能滿足使用要求。因過(guò)大的變形會(huì)造成房屋內(nèi)粉刷層剝落、填充墻和隔斷墻開(kāi)裂及屋面積水等后果；過(guò)大的裂縫會(huì)影成房屋內(nèi)粉刷層剝落、填充墻和隔斷墻開(kāi)裂及屋面積水等后果；過(guò)大的裂縫會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性；過(guò)大的變形、裂縫也會(huì)造成用戶心理上的不安全感。響結(jié)構(gòu)的耐久性；過(guò)大的變

10、形、裂縫也會(huì)造成用戶心理上的不安全感。 與承載能力極限狀態(tài)相比較，由于其對(duì)生命的危害較小，故允許與承載能力極限狀態(tài)相比較，由于其對(duì)生命的危害較小，故允許出現(xiàn)的概率可較出現(xiàn)的概率可較高高。所以這種極限狀態(tài)的。所以這種極限狀態(tài)的可靠性可以適當(dāng)?shù)鸵恍┛煽啃钥梢赃m當(dāng)?shù)鸵恍坏扔诓恢匾?。，但不等于不重視?注意：對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，過(guò)大的裂縫不僅有損建筑物觀瞻和影響結(jié)構(gòu)的耐久注意：對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，過(guò)大的裂縫不僅有損建筑物觀瞻和影響結(jié)構(gòu)的耐久性，而且有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致重大的工程事故。例如，性，而且有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致重大的工程事故。例如，19801980年年5 5月一個(gè)上午，西柏林會(huì)議月一個(gè)上午，西柏林會(huì)議廳的

11、馬鞍形殼頂突然倒塌。破壞的起因是由于拱與殼板交接處裂縫開(kāi)展，不斷滲廳的馬鞍形殼頂突然倒塌。破壞的起因是由于拱與殼板交接處裂縫開(kāi)展，不斷滲水，終于導(dǎo)致鋼筋銹蝕，懸索斷裂，引起世界震驚的倒塌事故。水，終于導(dǎo)致鋼筋銹蝕，懸索斷裂，引起世界震驚的倒塌事故。 有下列狀態(tài)之一：有下列狀態(tài)之一：1.1. 影響正常使用或外觀的影響正常使用或外觀的變形變形 2.2. 影響正常使用或耐久性能的影響正常使用或耐久性能的局部破壞局部破壞（包括裂縫）（包括裂縫）3.3. 影響正常使用的影響正常使用的振動(dòng)振動(dòng)變形變形 4.4. 影響正常使用的其他特定狀態(tài)影響正常使用的其他特定狀態(tài) 影響因素影響因素 8.2.1影響結(jié)構(gòu)可靠

12、性的因素（變量）及其隨機(jī)性影響結(jié)構(gòu)可靠性的因素（變量）及其隨機(jī)性 8.2 荷載和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)分析荷載和結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)分析 1、作用效應(yīng)、作用效應(yīng)S結(jié)構(gòu)受到的各種外界作用結(jié)構(gòu)受到的各種外界作用支座反力、內(nèi)力（彎矩、軸力、剪力、扭轉(zhuǎn)）、變形支座反力、內(nèi)力（彎矩、軸力、剪力、扭轉(zhuǎn)）、變形（撓度、側(cè)移、轉(zhuǎn)角）、傾覆、滑移（撓度、側(cè)移、轉(zhuǎn)角）、傾覆、滑移2、結(jié)構(gòu)抗力、結(jié)構(gòu)抗力R結(jié)構(gòu)本身對(duì)各種作用效應(yīng)的抵抗能力結(jié)構(gòu)本身對(duì)各種作用效應(yīng)的抵抗能力材料性能、幾何參數(shù)、計(jì)算模式材料性能、幾何參數(shù)、計(jì)算模式強(qiáng)度分布直方圖強(qiáng)度分布直方圖 8.2.2數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的一些基本概念數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的一些基本概念 橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)抗壓強(qiáng)

13、度抗壓強(qiáng)度縱坐標(biāo)縱坐標(biāo)某一強(qiáng)度區(qū)段（組距）試塊數(shù)（頻數(shù)）；某一強(qiáng)度區(qū)段（組距）試塊數(shù)（頻數(shù)）； 也可表示頻率（頻數(shù)也可表示頻率（頻數(shù)試塊總數(shù)）；試塊總數(shù)）； 也可表示概率密度（頻率也可表示概率密度（頻率組距）組距）示例示例135135頁(yè)圖頁(yè)圖8-38-3正態(tài)分布曲線正態(tài)分布曲線 特點(diǎn)：特點(diǎn)：有且僅有一峰值；有且僅有一峰值；有一對(duì)稱軸；有一對(duì)稱軸；隨機(jī)變量趨于正無(wú)窮或負(fù)無(wú)窮時(shí)，縱坐標(biāo)趨于隨機(jī)變量趨于正無(wú)窮或負(fù)無(wú)窮時(shí)，縱坐標(biāo)趨于0；對(duì)稱軸左右兩邊各有一反彎點(diǎn)，它們也對(duì)稱于對(duì)稱軸。對(duì)稱軸左右兩邊各有一反彎點(diǎn)，它們也對(duì)稱于對(duì)稱軸。 正態(tài)分布曲線的特征值和保證率正態(tài)分布曲線的特征值和保證率 平均值平均值標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)變異系數(shù)11nxnii12()11nxini定義：定義： 8.3 結(jié)構(gòu)的可靠度結(jié)構(gòu)的可靠度指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。能的概率。 結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率稱為結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率稱為“失效概率失效概率”。 結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定功能的概率稱為結(jié)構(gòu)能夠完成預(yù)定功能的概率稱為“可靠概率可靠概率”。(0)( )0PP Zf Z dZs0(0)( )PP Zf Z dZf1PPSf8.4.1正態(tài)隨機(jī)變量的情況正態(tài)隨機(jī)變量的情況 8.4 結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)當(dāng)當(dāng)R R、S S均為相互