结构可靠度分析与计算
ln R
1
2 S
S
1
2 R
ln(1 R2) ln(1 S2)
第一节 结构可靠度基本原理
当结构功能函数的基本变量不为正态分布或对数正态 分布时,或者功能函数为多个随机变量组成的非线性函数 时,可靠指标很难直接用包含基本变量统计参数的公式计 算。
第一节 结构可靠度基本原理
结构可靠度: 结构可靠性的概率度量
可靠概率: 失效概率:
结构能完成预定功能的概率(ps) 结构不能完成预定功能的概率(pf)
ps pf 1
失效概率pf 越小,结构的可靠性越高; 失效概率pf 越大,结构的可靠性越低。
习惯上以失效概率pf来度量结构可靠度。
第一节 结构可靠度基本原理
失效概率计算
已知R和S的联合概率密度函数为fRS(r,s),则结 构的失效概率为
p f P{Z 0} P{R S 0} fRS (r,s)drds rs
假定R、S相互独立,相应的概率密度函数为fR(r) 及fS(s),则有
pf
f(R r) f(S s)drds
[
0
s 0
f(R r)dr]
f(S s)ds
0
F(R s)f(S s)ds
rs
第一节 结构可靠度基本原理
或
pf
f(R r) f(S s)drds
[
r
f(S s)ds] f(R r)dr
rs
[1
0
r 0
f(S s)ds] f(R r)dr
[1
0
F(S r)]
f(R r)dr
式中 FR()、FS()——随机变量R、S的概率分布函数。
第一节 结构可靠度基本原理
结构可靠性: 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。
规定的时间 ——结构应该达到的设计使用年限;
规定的条件 预定功能
——结构正常设计、正常施工、正常使用 和维护条件,不考虑人为错误或过失的影 响,也不考虑结构任意改建或改变使用功 能等情况;
——结构设计所应满足的各项功能要求。
承载的变形。该状态为:
1)整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如滑动、 倾覆等);
2)结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破 坏),或因过度变形而不适于继续承载;
3)结构转变为机动体系; 4)结构或结构构件丧失稳定(如压屈等); 5)地基丧失承载能力而破坏(如失稳等)。
第一节 结构可靠度基本原理
计算 pf 十分困难,为此引入可靠指标代替 pf
来度量结构的可靠性。
第一节 结构可靠度基本原理
五、结构可靠指标
简单分析:假设随机变量R和S相互独立,均服从正态分布,
已知平均值和标准差分别为R、S和R、S 。
功能函数Z服从正态分布: Z R S
Z
2 R
2 S
结构的失效概率:
pf
P{Z
0} P{ Z
第一节 结构可靠度基本原理
二、结构的极限状态 极限状态:
整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计 规定的某一功能要求,此特定状态称为该功能的极限状态, 为结构可靠(有效)或不可靠(失效)的临界状态。
承载能力极限状态 正常使用极限状态
第一节 结构可靠度基本原理
(1)承载能力极限状态 对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续
(2)正常使用极限状态 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。该状态为:
1)影响正常使用或外观的变形; 2)影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝); 3)影响正常使用的振动; 4)影响正常使用的其他特定状态。
按不同的极限状态采用相应的可靠度水平进行结构设计。
第一节 结构可靠度基本原理
荷载与结构设计方法
第九章 结构可靠度分析与计算
第九章 结构可靠度分析与计算
本章内容 第一节 结构可靠度基本原理 第二节 结构可靠度基本分析方法 第三节 结构体系可靠度分析
第一节 结构可靠度基本原理
一、结构的功能要求 土木工程结构设计的基本目标:在一定的经济条件下,赋 予结构以足够的可靠度,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。 功能要求包括: (1)安全性 (2)适用性 (3)耐久性
第一节 结构可靠度基本原理
结构可能出现下列三种情况: 当Z>0时,结构处于可靠状态; 当Z<0时,结构处于失效状态; 当Z = 0时,结构处于极限状态。
Z RS 0
——称为结构的极限状态方程,为 结构可靠和失效的界限状态。
第一节 结构可靠度基本原理
四、结构的可靠性和可靠度 本质:对比、控制R和S,即保证Z = R-S>0 问题:R和S为随机变量,功能函数值Z是随机变量,绝对 保证R大于S不可能。 解决方法:控制可靠度,绝大多数情况下:R>S 允许极少数情况下:R<S 设计目标:使结构Z<0的概率足够小。
三、功能函数和极限状态方程 结构某一功能对应的结构功能函数为
Z g(X 1,X 2, ,X n)
其中Xi(i=1,2,…,n)表示影响该功能的基本变量(如各 种作用、材料性能、几何参数等)等。
该功能函数可简化为
Z g(R,S) R S
S——作用效应方面的基本变量组合成的综合作用效应; R——抗力方面的基本变量组合成的综合抗力。
可靠性的数量指标(可靠
指标)
第一节 结构可靠度基本原理
可靠指标 和失效概率pf 之间的对应关系
2.7
3.2
3.7
4.2
4.7
pf 3.5×10-3 6.9×10-4 1.1×10-4 1.3×10-5 1.3×10-6
可靠指标表达式为
R S
2 R
2 S
当R和S均为对数正态分布时,可靠指标的表达式为
第一节 结构可靠度基本原理
(1)安全性 在正常施工和正常使用时,结构应能承受可能出现的各种 外界作用;在预计的偶然事件发生时及发生后,结构仍能 保持必需的整体稳定性。
(2)适用性 结构在正常使用时应具有良好的工作性能,其变形、裂缝 或振动性能等均不超过规定的限度。
(3)耐久性 结构在正常使用、维护的情况下应具有足够的耐久性能。
Z
0} P{Z Z Z
Z } Z
此时转化为标准正态分布
第一节 结构可靠度基本原理
令
Y Z Z Z
Z Z
有 p f P{Y } ( ) 1 ( ) 1(1 p f )
式中 ()——标准正态分布函数; -1()——标准正态
分布函数的反函数。
将 代替pf作为度量结构