工程结构可靠度

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结构可靠度
结构可靠度的地位和作用
力学知识和工程结构知识联系的纽带, 力学知识和工程结构知识联系的纽带, 是一门专业基础课。 是一门专业基础课。 结构健康监测可靠度安全评定的理论基 础 结构工程质量检测可靠度安全评定的理 论基础
结构可靠度
第一章 绪论 第二章 概率论基础与结构可靠度基本理论 第三章 结构构件可靠度的计算方法 第四章 结构体系可靠度 第五章 结构荷载的随机模型 第六章 结构构件抗力的随机模型 第七章 结构的荷载抗力系数设计法
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欧进萍,段忠东. 结构可靠度- 欧进萍,段忠东. 结构可靠度-荷载抗力系 数设计法。校内讲义。 数设计法。校内讲义。 李国强. 工程结构荷载与可靠度设计原理. 李国强 工程结构荷载与可靠度设计原理 中 国建筑工业出版社, 国建筑工业出版社 1999 赵国藩.工程结构可靠性理论与应用 赵国藩.工程结构可靠性理论与应用. 大连理 工大学出版社,1996 工大学出版社 李继华, 林忠民等. 李继华 林忠民等 建筑结构概率极限状态设 中国建筑工业出版社, 计. 中国建筑工业出版社 1990
第一章 概 述
1. 2 结构可靠度发展概况
1.2 结构可靠度发展概况
1.2.1 国外结构可靠度发展状况
1947年,Freudenthal在历史上首次提出“结构的安全性”问题。 年 在历史上首次提出“ 在历史上首次提出 结构的安全性”问题。 1956年,第一次明确提出结构的失效概率和可靠指标的概念。 年 第一次明确提出结构的失效概率和可靠指标的概念。 1969年,Cornell在历史上第一个明确给出可靠指标的计算公式;至 年 在历史上第一个明确给出可靠指标的计算公式; 在历史上第一个明确给出可靠指标的计算公式 1974年,与Ang A. H.-S.(洪华生)建立了均值一次二阶矩方法的基 年 (洪华生) 本理论,并将其应用于结构设计中。 本理论,并将其应用于结构设计中。 1983年,Shinozuka首次将设计点的确定表达为约束优化问题,并 年 首次将设计点的确定表达为约束优化问题, 首次将设计点的确定表达为约束优化问题 证明设计点是“最可失效点” 同时,第一次将“重要抽样法” 证明设计点是“最可失效点”;同时,第一次将“重要抽样法”引入 结构可靠度的数值模拟分析。 结构可靠度的数值模拟分析。 1983年,Hohenbichler和Rackwitz第一次提出了结构体系可靠度 年 和 第一次提出了结构体系可靠度 的FORM近似。 近似。 近似 1989年,意大利女学者Faravelli首次提出结构可靠度分析的响应面 年 意大利女学者 首次提出结构可靠度分析的响应面 法。
1. 1 工程中的不确定性
不确定性信息可分为: 2. 不确定性信息可分为: 客观不确定性—— 客观不确定性—— 随机信息 主观不确定性—— 模糊信息, 主观不确定性—— 模糊信息,不准确或不完整信息 如:材料的破坏、地震的机理等 材料的破坏、 按照产生的原因,不确定性可归为: 3. 按照产生的原因,不确定性可归为: 自然因素—— 荷载如风、地震、 冰荷载等; 自然因素—— 荷载如风、地震、雪、冰荷载等; 人为因素—— 制造、加工、 人为因素—— 制造、加工、施工误差等
结构的安全性、适用性和耐久性构成结构可靠性 结构的安全性、适用性和耐久性构成结构可靠性 安全性 构成
1.3 结构设计的目标和任务
结构设计的两个基本步骤: 2. 结构设计的两个基本步骤:
结构的方案设计 在满足结构预定功能的条件下,选择合理的结构型式。 —— 在满足结构预定功能的条件下,选择合理的结构型式。 结构的详细设计 荷载计算、荷载效应计算(内力或应力)、 )、结构抗力的 —— 荷载计算、荷载效应计算(内力或应力)、结构抗力的 计算(结构构件截面尺寸和材料用量)。 计算(结构构件截面尺寸和材料用量)。
1.2 结构可靠度发展概况
2. 结构体系可靠度 失效模式法 响应面法 蒙特卡罗法 半解析法
第一章 概 述
1. 3 结构设计的目标和任务
1.3 结构设计的目标和任务
目标: 1. 目标: 以最经济的途径达到所期望的功能要求 具体功能要求: 具体功能要求:
能承受正常施工和使用期间可能出现的各种作用; 能承受正常施工和使用期间可能出现的各种作用;— 安全性 作用 在正常使用时具有良好的工作性能;— 适用性 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; 在正常维护下具有足够的耐久性;— 耐久性 遭受偶然作用时,能保持必要的整体稳定性。 遭受偶然作用时,能保持必要的整体稳定性。— 安全性 偶然作用如地震、龙卷风、爆炸(煤气或恐怖袭击)、 )、火灾等 偶然作用如地震、龙卷风、爆炸(煤气或恐怖袭击)、火灾等
设计理论就是在结构荷载效应和抗力之间进行合 设计理论就是在结构荷载效应和抗力之间进行合 就是在结构荷载效应 理平衡的方法。 理平衡的方法。
第一章 概 述
1. 4 结构设计方法的演变
1.4 结构设计方法的演变
在近代力学理论和试验方法建立之前,依靠模仿、比较、 在近代力学理论和试验方法建立之前,依靠模仿、比较、直 觉的“设计” 直到17世纪; 17世纪 觉的“设计”,…,直到17世纪; 1. 容许应力设计法 (WSD) 设计表达式: 设计表达式:
σ ≤[σ] 其中 [σ] σmax K, mx是材料的弹性极限强度。 σ a 是材料的弹性极限强度。 =
称为安全系数, K称为安全系数,>1
特点
延性材料:1.4~1.6,脆性材料:2.5~3.0。 延性材料:1.4~1.6,脆性材料:2.5~3.0。
所有不确定因素(包括荷载和抗力) 系数考虑; - 所有不确定因素(包括荷载和抗力)用一个 系数考虑; 安全系数凭经验确定; - 安全系数凭经验确定; 材料极限强度没有统一的准则。 - 材料极限强度没有统一的准则。 不能考虑材料的塑性能力。 - 不能考虑材料的塑性能力。
1.2 结构可靠度发展概况
1.2.2 国内结构可靠度发展状况
大连理工大学:赵国藩院士, 大连理工大学:赵国藩院士,在结构可靠度理论及应用的各方 程耿东院士,在基于可靠度的结构优化设计方面。 面;程耿东院士,在基于可靠度的结构优化设计方面。
清华大学:陈肇元院士、刘西拉教授, 清华大学:陈肇元院士、刘西拉教授,在结构安全性基本问题 和混凝土结构耐久性方面;秦权教授,在随机有限元方面; 和混凝土结构耐久性方面;秦权教授,在随机有限元方面;董聪 教授,结构系统可靠度方面。 教授,结构系统可靠度方面。 同济大学:高大钊教授,在岩土工程可靠度方面;李杰教授, 同济大学:高大钊教授,在岩土工程可靠度方面;李杰教授, 在随机结构可靠度、结构动力可靠度、 在随机结构可靠度、结构动力可靠度、生命线工程抗震可靠度等 方面;李国强教授在钢结构体系可靠度方面。 方面;李国强教授在钢结构体系可靠度方面。 哈尔滨工业大学:王光远院士,欧进萍院士, 哈尔滨工业大学:王光远院士,欧进萍院士,在结构动力可 靠度、结构广义可靠度、结构安全评定与健康监测等方面, 靠度、结构广义可靠度、结构安全评定与健康监测等方面,吕大 刚教授在结构抗震可靠度方面,段忠东教授在海洋工程可靠度方 刚教授在结构抗震可靠度方面, 面。
1. 1 工程中的不确定性
4. 本课程主要的研究土木工程中的随机性可以归为: 本课程主要的研究土木工程中的随机性可以归为: 物理性质的不确定性 —— 荷载和抗力的内在随机性 地震、 如:风、地震、雪、冰荷载以及材料性能等 统计的不确定性 —— 由于样本容量有限带来的统计模 型和统计参数的随机性 各种假设、 计算模型的不确定性 —— 各种假设、简化和模型化引 起的随机性
1.3 结构设计的目标和任务
3. 结构设计的任务: 结构设计的任务:
各种自然和人为作用及其作用效应的特性和规律的认识; 各种自然和人为作用及其作用效应的特性和规律的认识; ——荷载及其荷载效应 ——荷载及其荷载效应 结构抵抗各种自然和人为作用的能力的把握; 结构抵抗各种自然和人为作用的能力的把握; —— 结构及构件抗力 结构的作用和抗力之间的合理平衡 —— 设计理论方法
1.2 结构可靠度发展概况
河海大学:吴世伟教授(已故),刘宁教授,在随机有限元、 河海大学:吴世伟教授(已故),刘宁教授,在随机有限元、 ),刘宁教授 水工结构可靠度等方面。 水工结构可靠度等方面。 重庆大学:李继华教授,在结构可靠性数学方面; 重庆大学:李继华教授,在结构可靠性数学方面;戴国欣在钢 结构可靠度方面。 结构可靠度方面。 浙江大学:金伟良教授,在结构可靠度数值模拟、 浙江大学:金伟良教授,在结构可靠度数值模拟、混凝土结构 耐久性等方面; 耐久性等方面;朱位秋院士在非线性随机结构动力学与可靠性方 面。 西安建筑科技大学:牛荻涛教授,在结构动力可靠度、 西安建筑科技大学:牛荻涛教授,在结构动力可靠度、混凝土 结构耐久性方面。 结构耐久性方面。 武汉理工大学:李桂青教授,在结构动力可靠度、 武汉理工大学:李桂青教授,在结构动力可靠度、结构时变可 靠度等方面。 靠度等方面。 建设部标准定额研究所:邵卓民研究员, 建设部标准定额研究所:邵卓民研究员,在建筑结构概率极限 状态设计方面。 状态设计方面。
第一章 概 述
工程中的不确定性 结构可靠度发展概况 结构设计的目标和任务 结构设计方法的演变
第一章 概 述
1. 1 工程中的不确定性
1. 1 工程中的不确定性
1. 工程中的不确定性信息主要有三类 随机信息: 随机信息:客观不可控因素 概率理论,随机过程理论, —— 概率理论,随机过程理论,数理统计等 模糊信息: 模糊信息:主观描述和表达 —— 模糊数学等; 模糊数学等; 不准确或不完整的信息: 不准确或不完整的信息: 对自然现象认识不足或无能 凸集理论,证据理论等。 —— 凸集理论,证据理论等。
1.4 结构设计方法的演变
与容许应力设计法的不同: 与容许应力设计法的不同: 抗力的计算:容许应力设计法采用弹性破坏准则, — 抗力的计算:容许应力设计法采用弹性破坏准则,破损 阶段设计法采用塑性破坏准则。 阶段设计法采用塑性破坏准则。 — 表达的物理意义:容许应力设计法是应力层次的结构设 表达的物理意义: 破损阶段设计法是内力层次的结构设计。 计,破损阶段设计法是内力层次的结构设计。 安全系数的物理意义: — 安全系数的物理意义:破损阶段设计法的安全考虑不仅 包含容许应力设计法考虑的内容,还包括截面塑性发展。 包含容许应力设计法考虑的内容,还包括截面塑性发展。
1.4 结构设计方法的演变
2. 破损阶段设计法 (DFD) 设计表达式: S 设计表达式: K F =R p 其中, 其中, p为结构破损状态时的承载力 R 为设计标准荷载引起的内力(荷载效应) S 为设计标准荷载引起的内力(荷载效应) F 为安全系数,约为2.0 为安全系数,约为2.0 K 特点 所有不确定因素(包括荷载和抗力) 系数考虑; - 所有不确定因素(包括荷载和抗力)用一个 系数考虑; 安全系数凭经验确定; - 安全系数凭经验确定; 考虑了材料的塑性。 - 考虑了材料的塑性。
1. 1 工程中的不确定性 5. 总 结
结构的设计、 结构的设计、施工和使用过程中存在大量的随机不确定 性因素; 性因素; 荷载及结构的抗力不是确定性的量,它们是随机变量, 荷载及结构的抗力不是确定性的量,它们是随机变量, 因此绝对可靠的结构设计是不存在的! 因此绝对可靠的结构设计是不存在的! 由于结构的荷载和抗力存在随机不确定性, 由于结构的荷载和抗力存在随机不确定性,所以采用结 构可靠度理论研究结构的可靠性问题。 构可靠度理论研究结构的可靠性问题。
1.2 结构可靠度发展概况
1.2.3 结构可靠度计算方法发展概况
1. 结构构件可靠度 一次二阶矩法 均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法, 法等 法等。 均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法,JC法等。 高次高阶矩法 二次二阶矩法、二次四阶矩法。 二次二阶矩法、二次四阶矩法。 响应面法 多项式响应面法、神经网络响应面法、支持向量机响应面法等。 多项式响应面法、神经网络响应面法、支持向量机响应面法等。 蒙特卡罗法 常规随机抽样法、重要性随机抽样法,分层随机抽样法等。 常规随机抽样法、重要性随机抽样法,分层随机抽样法等。 随机有限元法 Taylor展开随机有限元法、摄动随机有限元法、Neumann随 展开随机有限元法、 展开随机有限元法 摄动随机有限元法、 随 机有限元法 等。
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