第五章工程结构可靠度计算方法
可靠度计算方法
三、可靠度计算方法可靠度分析的主要方法：一次二阶矩方法、二次二阶矩方法、蒙特卡罗模拟法和概率有限法等。
一次二阶矩方法是目前最常用的方法之一，国际标准《结构可靠性总原则》以及我国第一层次和第二层次的结构可靠度设计统一标准如《工程结构可靠性设计统一标准》和《建筑结构可靠度设计统一标准》等，也都推荐采用一次二阶矩方法。
一次二阶矩方法（First-Order Reliability Method ，简称FORM ）最初是根据线性功能函数和独立正态随机变量二阶矩所提出的计算方法。
这一方法的基本原理是：假定功能函数(n 21,,,X X X g Z L )=是基本变量X i （i ＝1，2，…，n )的线性函数，基本变量均服从正态分布或对数正态分布，且各基本变量之间相互统计独立，则可以由基本随机变量X i （i ＝1，2，…，n )的一阶矩、二阶矩计算功能函数Z 的统计均值Z μ和标准差Z σ，进而确定状态方程的可靠性指标β值。
对于非线性功能函数，可将功能函数展开成Taylor 级数，保留线性项，将Z 近似简化成基本变量X (n 21,,,X X X g Z L =)i （i ＝1，2，…，n )的线性函数，计算Z 的统计均值Z μ和标准差Z σ，再计算可靠性指标β值。
如果基本变量为非独立和非正态变量，则需要先对基本变量进行相应的处理，然后计算可靠性指标β值。
根据功能函数线性化点的取法不同以及是否考虑基本随机变量的分布类型，又分为均值一次二阶矩法（中心点法）、改进的一次二阶矩法（验算点法）和JC 法等。
3.1均值一次二阶矩法（中心点法）设基本变量X i （i ＝1，2，…，n )均服从正态分布或对数正态分布，且各基本变量之间相互统计独立，功能函数为()n 21,,,X X X g Z L =，相应的极限状态方程为()0,,,n 21==X X X g Z L线性功能函数情况：当功能函数()n 21,,,X X X g Z L =是基本变量X i （i ＝1，2，…，n )的线性函数时，即n n 2211X a X a X a Z +++=L这里，a 1、a 2、…、a n 为常数。
工程结构可靠度的分析原理及方法
工程结构可靠度的分析原理及方法摘要：针对工程结构的可靠度问题，分析了实际工程结构中引入可靠度概念的必要性以及结构可靠度的基本原理。
阐述了计算结构可靠度指标及失效概率的几种方法，并以JC法为例，验证了可靠度指标的计算。
关键词：工程结构，可靠度分析，失效概率Abstract:Based upon reliability of engineering strctures,the necessaries of the introduction and the basic principles of reliability are introduced,and elaborate the methods of consideration of reliability index and probality of failure according to the basic principles of reliability.Then with the example of JC method,calculate reliability index in detail.Key words:engineering structures,reliability analysis,probality of failure土木工程结构设计的基本目标，是在一定的经济条件下，赋予结构足够的可靠度，使结构建成后在规定的设计使用年限内能满足设计所预定的各种功能要求。
工程结构可靠度分析原理结构可靠度是结构可靠性的定量指标。
在按极限状态设计时，要涉及到各种荷载（如自重、风载、雪载等）及外界作用（如温度变化、地震作用等），材料强度、几何尺寸、计算模型等因素，而这些因素都是具有不确定性的，或者说它们具有随机性，作为变量便称为随机变量。
因此，采用概率作为量度可靠性的大小是比较合理的。
工程结构可靠度的设计方法结构的可靠性是安全性、适用性、和耐久性的统称，它定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。
《工程结构荷载及可靠度设计》课程笔记
《工程结构荷载及可靠度设计》课程笔记第一章：荷载类型1.1 荷载与作用荷载是指作用在结构上的各种力，它们可以导致结构的变形、位移或破坏。
荷载通常分为两类：直接作用和间接作用。
1. 直接作用：指直接施加在结构上的力，如人的重量、家具、车辆等。
这些力可以直接作用在结构的某个部分，导致该部分产生应力、应变和变形。
2. 间接作用：指不是直接施加在结构上的力，但会通过结构的一部分传递到另一部分，如温度变化、地震等。
这些力不会直接导致结构产生应力，但会通过结构的变形和位移产生影响。
1.2 作用的分类荷载作用可以分为以下几类：1. 恒载：指在结构使用过程中始终存在的荷载，如结构自重、固定设备等。
恒载的大小和作用点一般不会发生变化。
2. 活载：指在结构使用过程中可能变化的荷载，如人的活动、车辆的行驶等。
活载的大小和作用点可能会随着时间发生变化。
3.偶然荷载：指在结构使用过程中可能发生，但发生概率较小的荷载，如意外事故、爆炸等。
偶然荷载的大小和作用点通常难以预测。
4.地震作用：指地震时地面的震动对结构产生的影响。
地震作用是一种特殊的偶然荷载，其大小和作用点取决于地震的强度和震中距离。
5.风荷载：指风对结构产生的影响。
风荷载的大小和作用点取决于风速、风向和地形等因素。
6.温度作用：指温度变化对结构产生的影响。
温度作用可能导致结构产生膨胀或收缩，从而产生应力、应变和变形。
7.变形作用：指由于地基沉降、结构老化等原因导致结构产生的变形。
变形作用可能会导致结构的应力、应变和位移发生变化。
8.爆炸作用：指由于爆炸事故对结构产生的影响。
爆炸作用通常会导致结构产生局部破坏或整体破坏。
9.浮力作用：指由于水的浮力对结构产生的影响。
浮力作用通常发生在水下结构或浮体结构中。
10.制动力、牵引力与冲击力：指由于车辆行驶、机械运动等原因对结构产生的影响。
这些力可能会导致结构产生振动、噪声和疲劳损伤。
11.预加力：指在施工过程中预先施加在结构上的力，如预应力混凝土结构中的预应力钢筋。
结构可靠度分析基础和可靠度设计方法
结构可靠度分析基础和可靠度分析方法1一般规定1.1当按本文方法确定分项系数和组合值系数时，除进行分析计算外，尚应根据工程经验对分析结果进行判断并进行调整。
1.1.1从概念上讲，结构可靠行设计方法分为确定性方法和概率方法。
在确定性方法中，设计中的变量按定值看待，安全系数完全凭经验确定，属于早期的设计方法。
概率方法为全概率方法和一次可靠度方法。
全概率方法使用随机过程模型及更准确的概率计算方法，从原理上讲，可给出可靠度的准确结果，但因为经常缺乏统计数据及数值计算上的复杂性，设计标准的校准很少使用全概率方法。
一次可靠度方法使用随机变量模型和近似的概率计算方法，与当前的数据收集情况及计算手段是相适应的。
所以，目前国内外设计标准的校准基本都采用一次可靠度方法。
本文说明了结构可靠度校准、直接用可靠指标进行设计的方法及用可靠指标确定设计表达式中作用，抗力分项系数和作用组合值系数的方法。
1.2按本文进行结构可靠度分析和设计时，应具备下列条件：1具有结构极限状态方程；2基本变量具有准确、可靠的统计参数及概率分布。
1.2.1进行结构可靠度分析的基本条件使建立结构的极限状态方程和基本随机变量的概率分布函数。
功能函数描述了要分析的结构的某一功能所处的状态：Z>0表示结构处于可靠状态；Z=0表示结构处于极限状态；Z＜0表示结构处于失效状态。
计算结构可靠度就是计算功能函数Z＞0的概率。
概率分布函数描述了基本变量的随机特征，不同的随机变量具有不同的随即特征。
1.3当有两个及两个以上的可变作用时，应进行可变作业的组合，并可采用下列规定之一进行：（1）设m种作业参与组合，将模型化后的作业在设计基准期内的总时段数，按照顺序由小到大排列，取任一作业在设计基准期内的最大值与其他作用组合，得出m种组合的最大作用，其中作用最大的组合为起控制作用的组合；（2）设m种作用参与组合，取任一作用在设计基准期内的最大值与其他作业任意时点值进行组合，得出m种组合的最大作用，其中作用最大的组合为起控制作用的组合。
可靠度实用计算方法
i 1 i X i
]
i m X i
中心点法的最大特点是：
计算简单，运用中心点法进行结构可靠性计算时，不 必知道基本变量的的真实概率分布，只需知道其统计 参数：均值、标准差或变异系数，即可按上式计算可 靠指标值以及失效概率Ｐf 。 若值β较小，即Ｐf 值较大时，Ｐf 值对基本变量联合 概率分布类型很不敏感，由各种合理分布计算出的Ｐ f 值大致在同一个数量级内； 若β值较大，即Ｐf 值较小时，Ｐf 值对基本变量的联 合概率分布类型很敏感，此时，概率分布不同，计算 出的Ｐf 值可在几个数量级范围内变化。
n
x i
平均值和方差为
m g ( m , m , , m ) Z x 1 x 2 xn
2 Z
g 2 [( X m ) ] i x i X i 1 i m
n
x i
点M＝(μX1 , μX2 ····· μXn) ，称为Ω的中心点，它以各基本变 量的均值为坐标。极限状态方程Ｚ＝０所对应的曲面将空 间分为结构的可靠区和失效区，Ｚ＝０所对应的曲面称为 失效边界。中心点Ｍ位于结构的可靠区内 g (m ,m ,m ) X 1 X2, Xn z n z g 2
z
2 R
2 S
z R S 2 2 z R S
在一般情况下，一阶矩（均值）和二阶矩（标准差）是比 较容易得到的参数，故国内外目前广泛采用均值 ( 一阶原 点矩)和标准差(二阶中心矩)来计算结构可靠度。当结构功 能函数为非线性函数时，则设法对其进行线性化处理。具 有这种特点的方法称为一次二阶矩法（FOSM）。
工程结构设计大致可以分为两个步骤：
工程结构可靠度计算方法
工程结构可靠度计算方法工程结构可靠度计算是一种用来评估工程结构系统在给定的设计条件下能够正常运行的能力。
通过可靠度计算，可以评估结构在各种设计负载下的可用寿命、安全系数以及潜在的失效模式。
因为结构的可靠性直接关系到工程安全性和经济性，因此可靠度计算在工程领域中具有非常重要的意义。
工程结构可靠度的计算方法有多种，下面将介绍常见的几种方法。
一、确定性方法确定性方法是最简单的可靠度计算方法，它假设结构的参数和负载都是确定值，并且不考虑不确定性因素的影响。
在确定性方法中，常用的计算方法有极限状态法和等效正态法。
极限状态法是通过将结构的参数和负载转化为正态分布的随机变量，利用统计方法进行计算。
该方法假设结构的失效状态是定义好的，当结构的极限状态超过给定的设计阈值时，认为结构失效。
这种方法在可靠性计算中广泛应用，其计算过程相对简单，适用于一般的工程结构。
等效正态法是将结构的参数和负载转化为正态分布的随机变量，并通过概率统计的方法计算结构的可靠度。
该方法假设结构的失效状态服从正态分布，在计算过程中需要对结构各参数的概率分布进行估计。
这种方法计算精度较高，但计算过程相对复杂。
二、概率方法概率方法是一种基于概率论的可靠度计算方法，它充分考虑了结构参数和负载的不确定性因素，通过对模型进行概率分析，得到结构的可靠度指标。
概率方法包括蒙特卡罗模拟法、局部线性化法和形式法等。
蒙特卡罗模拟法是一种基于统计随机过程的可靠度计算方法，通过随机数生成来模拟结构的参数和负载的随机变化，进行多次重复实验来估计结构的可靠度。
这种方法计算精度较高，但计算量较大。
局部线性化法是一种逼近方法，在计算过程中将非线性结构系统转化为线性系统，通过求解线性方程组来得到结构的可靠度。
这种方法在计算精度和计算速度之间能够取得较好的平衡。
形式法是一种基于形式可靠度指标的可靠度计算方法，通过建立结构的失效模式，利用形式可靠度指标来评估结构的可靠性。
该方法适用于结构有多个失效模式的情况，计算过程相对简单，但计算精度有一定的误差。
结构可靠指标的通用计算方法
的连线必与极限状态曲面相
( k + 1) 2
交, 新的交点为 y 点的距离为 Β
( k + 1) 1
,y
, …, y n
( k + 1)
2Βi
( k + 1)
[ Βi ] 2
n
(k )
∑D
j= 1
(k )
j
D n + 1 y ij Β L Κ i
(k ) (k ) (k ) (k )
(k )
(k )
(k ) (k )
指向坐标原点
(k )
∑Βi
j= 1
y ij - D j
(k )
D n+ 1 Β L Κ i
(k ) (k )
(k )
(k )
(k )
y ij +
(k )
所在的方向; 相反, 负梯度方向 - G 的点 y Κi
y
( k + 1) Κ 1 ( k + 1)
将背离坐标
[ Βi ] 2 = [ Βi
n
=
D1 D2 Dn (k ) y 1 + (k ) y 2 + … + (k ) y n + 1 = 0 D n+ 1 D n+ 1 D n+ 1
(k )
(k )
(k )
∑ (y
j= 1
(k ) Κ ij
)2
( 2)
n
( 6)
Α 第 j 个方向的余弦。 图 1 所示为两个标 ij 为点 y i 准正态随机变量的情形。 一般情况下, 极限状态曲面为非线性方程, Βi 法建立的迭代公式为 Βi
结构可靠指标的通用计算方法
结构可靠度常用计算方法分析
结构可靠度常用计算方法分析作者：孙虎来源：《山东工业技术》2017年第19期摘要：上世纪四十年代以来，工程技术人员逐渐意识到，在结构设计中，必需引入考虑不确定因素的可靠性模型。
卡宾奇在研究荷载及材料强度的离散性时，采用统计数学的方法，进而使概率方法在结构设计中得以应用。
本文主要对可靠度计算的常用方法进行了总结。
关键词：结构可靠度；方法；概率；可靠性DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.19.2430 前言在对结构的可靠性进行分析时，可将其分为确定结构的失效模式和计算结构发生的失效概率。
可靠性分析的目的之一是计算失效概率，而可靠性分析是以确定失效模式以及建立各个失效模式的极限状态方程为基础的。
只有在变量间的函数关系已知时，才可以应用解析或数值方法计算失效概率。
1 一次二阶矩法仅考虑随机变量标准差和平均值来衡量结构可靠度大小的“二阶矩模式”，先后由迈尔、巴斯勒、尔然尼采和康奈尔[1]提出过，但这种模式是在康奈尔提出之后才得到重点关注。
现在，对结构可靠度影响因素的研究还停留在较浅的层面上，这也是由于随机变量的概率分布和参数难以准确确定。
通常依据概率论与数理统计的理论方法，并结合大量的数据样本对数据进行分析计算，可以得到随机变量的一阶矩和二阶矩。
一次二阶矩法的主要思想是，虽然随机变量的分布类型无法确定，但根据其平均值和标准差的概率分布类型可以求解可靠指标。
一次二阶矩法是对功能函数进行泰勒级数展开，并对展开式取常数项和一次项，让极限状态方程得以线性化，进而计算其可靠指标。
计算结构可靠度的一次二阶矩方法通常根据线性化点的选取，可分为以下两种方法：2 JC法任意分布下的任意相互独立的随机变量来计算求解结构的可靠指标时，均可以使用JC 法，这种方法是由拉克维茨和菲斯勒[2]提出来的。
后因这种方法被国际安全度联合委员会（JCSS）采用，因此又称为JC法。
我国分别于2001、1999年颁发的《建筑结构可靠度设计统一标准》和《公路工程结构可靠度设计统一标准》中在计算结构或构件的可靠度时就规定采用此法。
结构可靠度计算方法(一次二阶矩)课件
04
一次二阶矩方法的应用实 例
桥梁结构的可靠度分析
总结词
桥梁结构的可靠度分析是应用一次二阶 矩方法的重要领域之一。
VS
详细描述
桥梁作为交通基础设施的关键部分，其结 构的可靠性直接关系到交通安全和运输效 率。通过一次二阶矩方法，可以计算桥梁 在不同载荷和环境条件下的可靠度指标， 为桥梁设计、评估和维护提供科学依据。
02
一次二阶矩方法概述
一次二阶矩方法的原理
一次二阶矩方法是一种基于概率的可靠性分析方法，通过分析结构或系统的极限 状态方程，利用一次二阶矩（一阶和二阶矩）来估计结构的可靠度指标。
该方法基于概率论和数理统计的基本原理，通过统计和概率的方法来处理不确定 性因素，从而评估结构的可靠性。
一次二阶矩方法的适用范围
总结词
大跨度结构如大型跨越桥梁、大型工业厂房等，其结构可靠度分析需ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ借助一次二阶矩 方法。
详细描述
大跨度结构在承受载荷时，其结构响应和行为较为复杂，需要考虑多种不确定性因素的 影响。一次二阶矩方法能够处理这些复杂情况，为大跨度结构的可靠性设计和安全评估
提供有效的工具。
05
结论与展望
结构可靠度计算方法的发展趋势
对实际工程的意义和价值
1 2
提高结构安全性和可靠性
结构可靠度计算方法的不断发展和完善，有助于 提高工程结构的可靠性和安全性，减少事故发生 的风险。
优化设计方案
通过结构可靠度分析，可以优化设计方案，提高 结构的经济性和可行性，降低工程成本。
3
保障人民生命财产安全
结构可靠度计算方法的进步和应用，能够更好地 保障人民生命财产安全，促进社会和谐发展。
高层建筑结构的可靠度分析
结构可靠度分析方法
工程结构可靠度论文《浅谈工程结构可靠度的计算与设计》学院：建设工程学部专业：结构工程学生姓名：张崇凤指导老师：贡金鑫完成日期：2013年12月3日摘要：结构可靠度理论研究是内容极其丰富且复杂的重大研究课题，不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决，而且将其应用到结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。
本文阐述了结构可靠度的概念、基本理论，计算方法及设计，可以作为今后工作前的理论指导。
关键词：工程结构可靠度计算方法设计Abstact：Structure reliability theory is extremely rich content and complex significant research subject, not only in theory be many important problems to be solved, and its application to structural design, evaluation and maintenance decision of there is much careful work to do. This paper expounds the structure reliability of the concept, basic theory, the calculation and design, can work as the future before theoretical guidance.Keywords: Engineering structure reliability calculation method design1.引言我国正处在大规模建设阶段,工业和民用建筑以钢筋混凝土结构为主。
我国现行规范明确规定,建筑结构必须满足安全性、适用性和耐久性三项要求, 统称为可靠性。
工程结构往往为大量构件组成的超静定结构, 一个构件或多个构件失后 , 剩下的结构仍然可以完成规定的功能, 因此单个构件的可靠性并不能完全反映整个结构体系的可靠性。
可靠度计算方法
一次二阶矩法当基本状态变量X i (i =1,2,···,n )的概率密度未知，或者在概率密度函数复杂不易求其分布参数的积分时，可利用泰勒级数展开后忽略二次以上的项，只考虑它们的一阶原点矩和二阶中心矩这两个特征参数，近似地计算状态函数的均值和方差，求得可靠指标和破坏概率，故称作一次二阶矩法(First order second moment method)，包括中心点法和验算点法。
中心点法中心点法[56]是早期结构可靠度研究所提出的分析方法，只考虑随机变量的平均值和标准差，作为一种简单的计算方法，对于结构功能函数为S R Z -=的可靠度问题，可靠度指标为ZZσμβ=当随机变量R 和S 服从正态分布时，式可变为22SRS R σσμμβ+-=上式表示的是两个随机变量的情形，对于多个随机变量的一般形式的结构功能函数),,,(21n X X X X g Z =其中：X 1,X 2,···,X n 为结构中的n 个相互独立的随机变量，其平均值为n X X X μμμ,,,21 ，标准差为n X X X σσσ,,,21 。
将功能函数在随机变量的平均值处展开泰勒级数展开，取一次项近似)()(),,,(121i X i ni in X L X X g g Z Z μμμμμ-∂∂+=≈∑= 函数的均值和方差分别为),,,(21n X Z Z g EZ μμμμμ ==≈∑=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=-=≈ni X i X Z L ZZ i L LXg Z E 122)()(σμμσσ 由中心点法的可靠度指标的定义，从而有∑=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≈=n i X iX X X X X Z Z inX g g 12)(),,,(21σμμμμσμβ 从式和的推导可以看出，中心点法使用了结构功能函数的的一次泰勒级数展开式和随机变量的的前两阶矩(均值和方差)，故称为一次二阶矩方法，早期也称为二阶矩模式。
结构可靠度常用计算方法分析
结构可靠度常用计算方法分析上世纪四十年代以来，工程技术人员逐渐意识到，在结构设计中，必需引入考虑不确定因素的可靠性模型。
卡宾奇在研究荷载及材料强度的离散性时，采用统计数学的方法，进而使概率方法在结构设计中得以应用。
本文主要对可靠度计算的常用方法进行了总结。
标签：结构可靠度；方法；概率；可靠性0 前言在对结构的可靠性进行分析时，可将其分为确定结构的失效模式和计算结构发生的失效概率。
可靠性分析的目的之一是计算失效概率，而可靠性分析是以确定失效模式以及建立各个失效模式的极限状态方程为基础的。
只有在变量间的函数关系已知时，才可以应用解析或数值方法计算失效概率。
1 一次二阶矩法仅考虑随机变量标准差和平均值来衡量结构可靠度大小的“二阶矩模式”，先后由迈尔、巴斯勒、尔然尼采和康奈尔[1]提出过，但这种模式是在康奈尔提出之后才得到重点关注。
现在，对结构可靠度影响因素的研究还停留在较浅的层面上，这也是由于随机变量的概率分布和参数难以准确确定。
通常依据概率论与数理统计的理论方法，并结合大量的数据样本对数据进行分析计算，可以得到随机变量的一阶矩和二阶矩。
一次二阶矩法的主要思想是，虽然随机变量的分布类型无法确定，但根据其平均值和标准差的概率分布类型可以求解可靠指标。
一次二阶矩法是对功能函数进行泰勒级数展开，并对展开式取常数项和一次项，让极限状态方程得以线性化，进而计算其可靠指标。
计算结构可靠度的一次二阶矩方法通常根据线性化点的选取，可分为以下两种方法：2 JC法任意分布下的任意相互独立的随机变量来计算求解结构的可靠指标时，均可以使用JC法，这种方法是由拉克维茨和菲斯勒[2]提出来的。
后因这种方法被国际安全度联合委员会（JCSS）采用，因此又称为JC法。
我国分别于2001、1999年颁发的《建筑结构可靠度设计统一标准》和《公路工程结构可靠度设计统一标准》中在计算结构或构件的可靠度时就规定采用此法。
这种方法不仅计算过程简单，而且其计算精度可以达到工程实际的要求。
可靠度计算方法
一次二阶矩法当基本状态变量X i (i =1,2,···,n )的概率密度未知，或者在概率密度函数复杂不易求其分布参数的积分时，可利用泰勒级数展开后忽略二次以上的项，只考虑它们的一阶原点矩和二阶中心矩这两个特征参数，近似地计算状态函数的均值和方差，求得可靠指标和破坏概率，故称作一次二阶矩法(First order second moment method)，包括中心点法和验算点法。
中心点法中心点法[56]是早期结构可靠度研究所提出的分析方法，只考虑随机变量的平均值和标准差，作为一种简单的计算方法，对于结构功能函数为S R Z -=的可靠度问题，可靠度指标为ZZσμβ=当随机变量R 和S 服从正态分布时，式可变为22SRS R σσμμβ+-=上式表示的是两个随机变量的情形，对于多个随机变量的一般形式的结构功能函数),,,(21n X X X X g Z =其中：X 1,X 2,···,X n 为结构中的n 个相互独立的随机变量，其平均值为n X X X μμμ,,,21 ，标准差为n X X X σσσ,,,21 。
将功能函数在随机变量的平均值处展开泰勒级数展开，取一次项近似)()(),,,(121i X i ni in X L X X g g Z Z μμμμμ-∂∂+=≈∑= 函数的均值和方差分别为),,,(21n X Z Z g EZ μμμμμ ==≈∑=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=-=≈ni X i X Z L ZZ i L LXg Z E 122)()(σμμσσ 由中心点法的可靠度指标的定义，从而有∑=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≈=n i X iX X X X X Z Z inX g g 12)(),,,(21σμμμμσμβ 从式和的推导可以看出，中心点法使用了结构功能函数的的一次泰勒级数展开式和随机变量的的前两阶矩(均值和方差)，故称为一次二阶矩方法，早期也称为二阶矩模式。
结构可靠度计算方法(一次二阶矩)
R R
R
两个正态随机变量的极限状态方程和设计验算点
R
O P *(S*, R*)
O
S
S S
S
4、非正态分布时
▪ 非正态分布时，可采取以下三种方法：
➢ 当量正态化法（JC法） ➢ 映射变换法 ➢ 实用分析法
▪ JC法为当量正态化法，将原来非正态分布随 机变量Xi用等效正态分布代替，Xi 要求满足 以下2个条件：
适用于随机变量为非正态分布的结构可靠指标 的计算。
通俗易懂，计算精度又能满足工程实际需要。
国际结构安全度联合委员会(JCSS)推荐使用， 故称为JC法。
我国《建筑结构设计统一标准(GBJ68-84)》和 《铁路工程结构设计统一标准(GB50216-94)》中都 规定采用JC法进行结构可靠度计算。
2、推导过程
X
* i
g X i
Xi
(3-11)
将(3-11)代入(3-9)，得
g
(
X
* 1
,
X
* 2
,
,
X
* n
)
n i 1
g X i
p*
X
i
X
* i
Xi
0
(3-12)
2.1 按定义推导
Z的平均值为：
Z
E(Z
)
g(
X
* 1
,
X
* 2
,
,
X
* n
)
n i 1
直到满足下式为止，即
n n1
迭代结束，计算完成。
第五章工程结构可靠度计算方法
状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态：
①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡
（如倾覆等）。例如，烟囱在风力作用下发生整
体倾覆，或挡土墙在土压力作用下发生整体滑移。
②结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包
括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继
续承载。例如，轴心受压柱中混凝土到达其抗压
强度；或阳台雨棚等悬挑构件因钢筋锚固长度不
支座移动、收缩、徐变等。 2)适用性：在正常使用条件下，结构应能具有良好 的使用功能。如吊车梁变形过大则影响运行，水 池裂缝便不能蓄水，这些情况虽不引起倒塌，但 使结构丧失使用功能。 3)耐久性：在正常维护条件下，结构应能在预计的 使用年限内满足各项功能要求。例如，在设计基 准期内，混凝土老化，钢筋的锈蚀均不应超过一 定限度而影响使用功能。
σz
p f
0
μz
9Z
用上面公式求结构可靠度一般要通过多维积分,比 较复杂.为此引入可靠度指标来度量结构的可靠度.
以下介绍结构可靠度分析的实用方法。
5.2结构可靠度分析的实用方法
1.中心点法 中心点法不考虑基本随机变量的实际分布， 直接按其服从正态或对数正态分布，导出结 构可靠度指标的计算公式。由于分析时采用 了泰勒级数在统计中心点展开，故称中心点 法。
s
11
R
结构可靠指标定义为: 1 z z z
则结构失效慨率 p f .
③影响正常使用的振动（如振幅过大)； ④影响正常使用的其他特定状态。
虽然超过正常使用极限状态的后果一般不如超过 承载能力极限状态严重，但是也不可忽视。例如， 过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落，填充墙和 隔断墙开裂，以及屋面积水等后果；在多层精密 仪表车间中，过大的楼面变形可能会影响到产品 的质量；水池、油罐等结构开裂会引起渗漏现象； 过大的裂缝会影响到结构的耐久性；过大的变形 和裂缝也将使用户在心理上产生不安全感.
工程结构可靠度设计统一标准[详]
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工程结构可靠度设计统一标准第一章总则第二章极限状态设计原则第三章结构上的作用第四章材料和岩土的性能及几何参数第五章结构分析第六章分项系数设计方法第七章质量控制要求附录一结构可靠指标计算的一次二阶矩法附录二永久作用、可变作用和偶然作用举例附录三永久作用标准值的确定原则附录四可变作用标准值的确定原则附录五可变作用准永久值和频遇值的确定原则附录六本标准用词说明附加说明第一章总则第1.0.1条为统一工程结构可靠度设计的基本原则和方法，使设计符合技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的要求，制定本标准。
第1.0.2条本标准是制定房屋建筑、铁路、公路、港口、水利水电工程结构可靠度设计统一标准应遵守的准则。
在各类工程结构的统一标准中尚应制定相应的具体规定。
第1.0.3条本标准适用于整个结构、组成整个结构的构件以及地基基础，适用于结构的施工阶段和使用阶段。
第1.0.4条工程结构必须满足下列功能要求：一、在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；二、在正常使用时，具有良好的工作性能；三、在正常维护下，具有足够的耐久性能；四、在设计规定的偶然事件发生时和发生后，能保持必需的整体稳定性。
第1.0.5条结构在规定的时间内，在规定的条件下，对完成其预定功能应具有足够的可靠度，可靠度一般可用概率度量。
确定结构可靠度及其有关设计参数时，应结合结构使用期选定适当的设计基准期作为结构可靠度设计所依据的时间参数。
第1.0.6条工程结构设计宜采用分项系数表达的以概率理论为基础的极限状态设计方法。
第1.0.7条工程结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命，造成经济损失，产生社会影响等）的严重性，采用表1.0.7规定的安全等级。
工程结构的安全等级表1.0.7注：对特殊结构，其安全等级可按具体情况确定。
第1.0.8条工程结构中各类结构构件的安全等级宜与整个结构的安全等级相同。
对其中部分结构构件的安全等级可适当提高或降低，但不得低于三级。
结构可靠度计算方法比较分析
结构可靠度计算方法比较分析I. 引言A. 研究背景和意义B. 现状和存在问题C. 研究目的和方法II. 结构可靠度A. 定义和基本概念B. 结构可靠性分析的方法C. 影响结构可靠度的因素III. 结构可靠度计算方法A. 概率法B. 确定性法C. 蒙特卡罗法D. 品质控制方法E. 统计方法IV. 结构可靠度计算方法的比较分析A. 适用范围B. 精度和可靠性C. 计算复杂度和可操作性D. 数据要求和数据处理E. 应用示例V. 结论与展望A. 主要结论总结B. 研究不足和不完善之处C. 未来研究方向和发展趋势VI. 参考文献I. 引言在现代工程设计中，结构可靠度（Structural Reliability）是衡量结构设计质量的重要指标之一。
它是指在一定的使用条件下，结构在预期使用寿命内不发生失效的概率。
在实际生产和工程设计中，结构的失效会带来不可挽回的经济损失和人员安全问题，因此提高结构可靠性具有重要的现实意义。
而结构可靠度的计算方法是评估结构可靠性的关键，不同的计算方法对于可靠性评估的精度和可操作性有着显著的影响。
本文旨在对结构可靠度计算方法进行比较分析，探讨不同的计算方法的适用范围、精度和可靠性、计算复杂度和可操作性、数据要求和数据处理等方面进行详细讨论和比较，以期为工程设计人员和研究者提供参考和指导。
II. 结构可靠度A. 定义和基本概念结构可靠度是指在一定的使用条件下，结构在预期使用寿命内不发生失效的概率。
可靠度是结构工程设计中的基本参数之一，也是结构技术与安全重要性之一。
不同结构的可靠性要求不同，在一般情况下，建筑物的可靠度要求较高，而大桥等工程的可靠度要求相对较低。
B. 结构可靠性分析的方法结构可靠性分析是评估结构安全性和使用寿命的一种方法，可靠性分析方法包括可靠度指标、可靠度索引和可靠性指数。
可靠度指标是指在一定的使用条件下，结构在预期使用寿命内不失效的概率，可靠度指标越高，结构的可靠性越好。
结构可靠度计算方法综述
文章编号:100926825(2007)0720090202结构可靠度计算方法综述收稿日期622作者简介巴 玲(82),女,石家庄铁道学院结构工程研究所硕士研究生,河北石家庄 53张志宽(62),男,助理工程师,河南新密市万力实业总公司,河南新密 53巴 玲 张志宽摘 要:围绕建筑结构的可靠度计算,对寻求结构的主要失效模式及失效模式间的相关问题进行了阐述,总结了近年来国内外计算结构可靠度的各种方法,并对这些方法的优缺点进行了分析比较,为实际建筑结构的可靠度分析提供了参考。
关键词:结构可靠度,计算方法,失效模式中图分类号:TU311.2文献标识码:A 引言工程结构是由钢、木、砖石、混凝土及钢筋混凝土等建造的各种建筑物和构筑物。
工程结构在相当长的使用期内,需要安全可靠地承受设备、人群、车辆等使用荷载,经受风、雪、冰、雨、日照或波浪、水流、土压力、地震等环境的作用,它们安全可靠与否,不但影响工农业生产,而且还常常关系到人身安危,特别是一些重要的纪念性建筑物,对安全可靠、适用、美观、耐久等方面,有更高的要求。
1 结构可靠性的基本概念工程结构的设计应使所设计的结构在设计基准期内,经济合理地满足下列功能要求:一是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;二是在正常使用时具有良好的工作性能;三是在正常维修和养护下,具有足够的耐久性;四是在偶然事件,如地震、爆炸、龙卷风等发生时及发生后,能够保持必要的整体稳定性。
结构可靠性,是指在规定的使用条件和环境下,在给定的使用寿命期间,结构有效地承受荷载和耐受环境而正常工作的能力。
这是一个广义概念,通常包含结构的安全性和耐久性两个方面。
度量结构可靠性的数量指标通常用概率表示,即为结构可靠度。
显然,要求所设计的结构应具有足够大的可靠度来保证不致达到规定的极限状态,只有这样,才能认为结构满足预定的功能要求。
2 结构可靠度的计算方法建筑结构体系设计的可靠度研究的不仅仅是结构杆件的可靠度,如拉、压、弯、剪、扭等失效模式下的可靠度。
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③结构转变为机动体系（例如简支梁板），由于 截面到达抗弯强度，使结构成为机动体系，三铰 位于一直线上，而丧失承载能力。 ④结构或结构构件丧失稳定（如压屈等），例如， 细长柱达到临界荷载发生失稳破坏。 2)正常使用极限状态：这种极限状态对应于结 构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规 定限值。 当结构或结构构件出现下列状态之一时，即认 为超过了正常使用极限状态，而失去了正常使用 和耐久性能： ①影响正常使用或有碍外观的变形； ②影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括 7
f z(z)
Z
ps=p(z>0)
σz
pf 0 μz
9
Z
用上面公式求结构可靠度一般要通过多维积分,比 较复杂.为此引入可靠度指标来度量结构的可靠度.
以下介绍结构可靠度分析的实用方法。
5.2结构可靠度分析的实用方法 1.中心点法 中心点法不考虑基本随机变量的实际分布， 直接按其服从正态或对数正态分布，导出结 构可靠度指标的计算公式。由于分析时采用 了泰勒级数在统计中心点展开，故称中心点 法。
支座移动、收缩、徐变等。 2)适用性：在正常使用条件下，结构应能具有良好 的使用功能。如吊车梁变形过大则影响运行，水 池裂缝便不能蓄水，这些情况虽不引起倒塌，但 使结构丧失使用功能。 3)耐久性：在正常维护条件下，结构应能在预计的 使用年限内满足各项功能要求。例如，在设计基 准期内，混凝土老化，钢筋的锈蚀均不应超过一 定限度而影响使用功能。 建筑结构在预定的期限内，在正常使用条件下， 能满足上述安全性、适用性和耐久性的要求，我 们就说这结构是可靠的。因此，安全性、适用性 和耐久性概括称为可靠性。 3
建筑结构设计要解决的根本问题是，在结构 的可靠与经济之间选择一种合理的平衡，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。我国《统一标准》在 对建筑结构的荷载、各类结构材料性能与各种结 构构件的可靠度进行了大量的调查实测、统计分 析以及理论研究的基础上，规定了结构的可靠度 及其计算方法。 为了定量地描述结构的可靠性，需引入可靠 度的概念。我国《建筑结构可靠度统一标准》中 对结构可靠度的规定为，“结构在规定时间内， 在规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结 1 构可靠性”。
1.结构的功能函数
一般情况下，总可以将影响结构可靠性的因 素归纳为两个综合量，结构或结构构件的荷载效 应S和抗力R。令 Z g ( R, S ) R S （5-1）
实际工程结构的荷载效应S和抗力R均为随机变量 因此，Z也是随机变量。绝对保证R>S,不可能。
Z R S 0 结构处于可靠状态 Z R S 0 结构处于极限状态 Z R S 0 结构处于失效状态
1.1两个正态分布随机变量的模式
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假定R和S是相互独立的，而且都服从正态分 布，则结构的功能函数Z也服从正态分布， 假设S、R的平均值分别为 s 、 R ，标准 R ，则结构功能函数Z的三个 差分别 S 、 特征值 Z 、 Z 和 Z 可分别计算如下：
4 由于根据Z值的大小，可以判断结构是否满足某一
确定功能要求，因此称式（5-1）表达的Z为结构 功能函数。 把 Z RS 0 称为结构极限状态方程 2 .结构极限状态 当结构构件中的内力不超过构件的抗力，变形 不超过影响使用的容许值，结构就处于可靠状态。 如果超过了限度，结构就失效；所谓“有效”， 是指结构能有效地、安全可靠地工作，得以完成 预定的各项功能；反之，结构失去完成预定功能 的能力，不能有效地工作，处于失效状态。 结构极限状态是结构由可靠转变为失效的临 界状态。如果整个结构或结构的一部分超过某一 种特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求， 5 则此特定状态称为该功能的极限状态。
裂缝），如贮液池因池壁出现裂缝而丧失使用功 能，以高强碳素钢丝配筋的预应力混凝土构件， 因裂缝出现将加速钢筋的锈蚀，影响构件寿命； ③影响正常使用的振动（如振幅过大)； ④影响正常使用的其他特定状态。 虽然超过正常使用极限状态的后果一般不如超过 承载能力极限状态严重，但是也不可忽视。例如， 过大的变形会造成房屋内粉刷层剥落，填充墙和 隔断墙开裂，以及屋面积水等后果；在多层精密 仪表车间中，过大的楼面变形可能会影响到产品 的质量；水池、油罐等结构开裂会引起渗漏现象； 过大的裂缝会影响到结构的耐久性；过大的变形 和裂缝也将使用户在心理上产生不安全感. 8
3.结构可靠度 结构能完成预定功能的慨率称为可靠慨率ps,结 构不能完成预定功能的慨率称为失效慨率Pf. 若已知结构功能函数Z的慨率分布函数 f z ( z ) ,则 结构可靠慨率Ps可按下式计算：
ps pz 0 f z=p(z<0)
结构极限状态可分为两类：
1)承载能力极限状态：这种极限状态对应于结构或 结构构件达到最大承载能力，或不适于继续承载 的变形。具体地说，当结构或结构构件出现下列 状态之一时，即认为超过了承载能力极限状态： ①整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 （如倾覆等）。例如，烟囱在风力作用下发生整 体倾覆，或挡土墙在土压力作用下发生整体滑移。 ②结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包 括疲劳破坏），或因过度的塑性变形而不适于继 续承载。例如，轴心受压柱中混凝土到达其抗压 强度；或阳台雨棚等悬挑构件因钢筋锚固长度不 6 足被拔出，或少筋梁过度塑性变形。
5.1结构可靠度的基本慨念
可靠度是可靠性的定量描述，即结构在规定时 间内，在规定的条件下，完成预定功能的慨率。 “规定条件”是指结构的正常设计、正常施工、 正常使用的条件 “规定时间”是指结构的设计基准期。确定 各项基本变量取值而选用的时间参数。 “预定功能”是指结构的安全性、适用性和耐 久性。 1)安全性：在正常施工和正常使用的条件下，结构 应能承受可能出现的各种外界作用而不发生破坏； 在偶然事件发生后，结构仍能保持必要的整体稳 定性。所谓外界作用，包括各类外加荷载，此外 2 还包括外加变形或约束变形，如温度变化、