結構可靠度設計及其應用簡介

1、結構可靠度設計及其應用簡介結構可靠度理論是分析和度量結構安全性的一種先進手段。它對結構安全性檢驗提出了建立在概念分析基礎上的一系列新的概念、原理、方法和衡量標準，綜合考慮了工程結構中的各種不確定因素，加深了對結構工作性能的認識，對結構可靠性有了一個客觀的統(tǒng)一量度并做出合理的判斷，從而設計出更為經濟而安全的工程結構。結構安全度的歷史，可以追溯到公元前2000多年。一個可能是世界上最早關于結構安全度的法典，是公元前2250年古巴比倫王罕默拉比制定的法規(guī)。它以建后是否倒塌作為判別結構堅固與否的標準，是一種直觀經驗的可靠度概念。公元1103年（宋崇寧二年）頒布的宋營造法式是我國建筑史上一本著名的官編建

2、筑規(guī)范。這本規(guī)范所提供的雖然計算公式而是具體的尺寸規(guī)定，但仍隱含著結構受力大小與可靠度的概念。無論在中國還是其它文明古國，人們往往會對現存的古建筑如此合乎現代力學原理和結構設計原則而驚嘆不已。然而，考慮不周或建造不良的建筑物至今早已毀壞淘汰不復存在。19世紀開始，結構安全度開始以一個安全系數的形式來表達，但當時對荷載及材料性能等的不定性的認識還處于初級階段，因此安全系數的選定是很慎重的，所取數值也比較大。到20世紀50年代，蘇聯和我國的鋼筋混凝土結構的安全系數值大致為2左右。顯然用一個系數來表達結構可靠度是很粗糙的。20世紀20年代以后，世界各地開始應用概率論和數理統(tǒng)計研究結構安全度，但發(fā)展十

3、分緩慢。直至50年代中期，歐洲和北美逐步發(fā)展和應用具有概率統(tǒng)計的安全系數法。這分別反映在1955年的蘇聯規(guī)范、1963年的美國規(guī)范。但是當時對結構可靠度的定義和分析，不論在理論上還是在實際應用上均未具體解決。近20年來，國際上對結構可靠度的理論研究和實際應用方面發(fā)展很快。1971年由歐洲混凝土委員會（CEB）、國際預應力混凝土協會（FIP）等國際組織聯合組成了“結構安全度聯合委員會”，編制了結構統(tǒng)一標準規(guī)范的國際體系；國際標準化組織“建筑結構設計依據”委員會編制了結構可靠度設計總原則。美國的弗羅伊詹特在40年代開創(chuàng)了美國安全度的研究工作，并奠定了應用概率理論分析結構安全度的基礎。美國混凝土學會

4、（ACI）于1964年成立了“結構安全度委員會”系統(tǒng)從事結構安全度的研究。美國于1980年出版了為美國國家標準A58擬定的基于概率的荷載準則。我國從50年代起，有關高等院校和科研單位開展了極限狀態(tài)設計法的研究和討論，并用數理統(tǒng)計研究荷載、材料強度的概率分布，確定超載系數和材料強度勻質系數。在50年代末和60年代初，以中國土木工程學會為主，開展了結構安全度問題的討論。1983年完成了建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準。統(tǒng)一標準的編制標志著我國在結構可靠度理論研究和實際應用方面提高到一個新的水平，并將會對我國的結構設計規(guī)范體系和設計思想、施工管理、科研方法、教學內容等方面，產生一系列的影響。下面談談統(tǒng)一標

5、準中的可靠性概念。從事工程結構設計的基本目的，是在一定的經濟條件下，賦予結構以適當的可靠度，使結構在預定的使用期限內，能滿足設計所預期的各種功能要求。無論是房屋、橋梁、隧洞等結構，都必須滿足以下四項基本功能要求：1. 能承受在正常施工和正常使用時可能出現的各種作用；2. 在正常使用時具有良好的工作性能；3. 在正常維護下具有足夠的耐久性能；4. 在偶然事件發(fā)生時（如地震、火災等）及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。上述第1，4項為結構的安全性要求，第2項為結構的適用性要求，第3項是結構的耐久性要求。結構若同時滿足安全性，適用性和耐久性要求，則稱該結構可靠，即結構的可靠性是結構安全性、適用性和耐

6、久性的統(tǒng)稱。所謂結構的耐久性能，是指結構在化學的、生物的或其它不利因素的作用下，在預定時間里，其材料性能的惡化不致導致結構出現不可接受的失效概率。從工程概念上說，足夠的耐久性能就是指在正常維護條件下結構能夠使用到預期的耐久年限。所謂結構的安全性，是指結構在偶然事件發(fā)生時和發(fā)生后，結構僅產生局部損壞而不致發(fā)生整體的破壞，如整體連續(xù)倒塌。現在我們可對結構可靠性下一明確的定義：結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力，稱為結構可靠性。對于特定情況而言，可具體解釋成在規(guī)定的參照時期內，結構將不會達到某一特定極限狀態(tài)的概率，即所謂的結構可靠度。結構可靠度是結構可靠性的概率量度。上述“規(guī)定的

7、時間”，一般指結構設計基準期，目前世界上大多數國家普通結構的設計基準期均為50年。由于荷載效應一般隨設計基準期增長而增大，而影響結構抗力的材料性能指標則隨設計基準期的增大而減小，因此結構可靠度與“規(guī)定的時間”有關，“規(guī)定的時間”越長，結構的可靠度越低。結構可靠度定義中“規(guī)定的條件”，指正常設計、正常施工、正常使用條件，不考慮認為錯誤或過失因素。認為錯誤或過失造成的結構失效為結構事故，應通過質量監(jiān)督和加強管理予以克服。一般情況下，總可以將影響結構可靠度的因素歸納為兩個綜合量，即結構或結構構件的荷載效應S和抗力R。令Z=g（R，S）=RS可知Z是一個隨機變量，總可能出現下列三種情況：Z>0,

8、結構可靠Z<0,結構實效Z=0,結構處于極限狀態(tài)由于Z可以判斷結構是否滿足某一確定功能要求，因此稱Z為結構功能函數。而把Z=RS=0成為結構極限狀態(tài)。結構可靠性設計一般需要解決三個主要問題，首先是有關結構的失效標準和失效模型；其次是確定結構的設計（目標）可靠指標；再次是推求設計表達式。假設結構功能函數Z=RS中，R和S為兩個相互獨立的正態(tài)隨機變量，他們的均質和方差分別為R，S，R，S，可得Z的均質和方差Z=R-SZ2=R2+S2令=Z/Z，稱為結構的可靠指標。越小結構的失效概率越大；越大，結構的失效概率越小。從概率的觀點，結構設計的目標就是保障結構可靠度足夠大或失效概率足夠小，達到人們可

9、以接受的程度。結構可靠度設計(概率極限狀態(tài)設計)的理論模式，是在定值安全系數的基礎上發(fā)展起來的，按發(fā)展階段和精確程度不同分為三個水準：水準半概率法。在荷載效應和結構抗力的基本變量部分的進行數理統(tǒng)計分析，并與工程經驗相結合引入某些經驗系數。故又稱半概率半經驗極限狀態(tài)設計法?！癈EB-FIP國際建議”、我國及美、蘇等國家的現行結構設計規(guī)范基本上均屬半概率法。水準近似概率法。該法對結構可靠度賦予概率定義，以結構的失效概率或可靠指標來度量結構可靠度，并建立了結構可靠度與結構極限狀態(tài)方程之間的數學關系，在計算可靠度指標時，考慮了基本變量的概率分布類型和采用了線性化的近似手段，在截面計算時一般采用分項系數的實用設計表達式。當前，近似概率法已進入實用階段，正逐步發(fā)展成為許多國家制定標準規(guī)范的基礎。水準全概率法。對結構各種基本變量分別采用隨機變量或隨機過程描述，要求對整個結構采用精確的概率分析，求得結構最優(yōu)失效概率作為可靠度的直接度量。由于目前對結構基本變量