极端条件下建筑结构可靠度论文.docx

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极端条件下建筑结构可靠度论文

极端条件下建筑结构可靠度

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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涉密论文按学校规定处理。

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日期：

年月日

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

本文首先介绍了结构可靠度的概念，结构可靠度极限状态，结构可靠度常用的概率分布，然后综述了常用的可靠度分析方法，包括均值一次二阶矩法、改进一次二阶矩法等，并且对各种方法的优缺点分别进行了比较说明。

再结合一些特殊的工程条件对结构可靠度进行进一步的分析，这些工程条件包括：

风荷载，地震作用，疲劳情况等三种状况。

对于这些特殊情况下的工程破坏情况，荷载大小，可靠度分析方法等方面进行了归纳总结。

关键词：

一次二阶矩；风荷载下结构可靠度；地震情况下结构可靠度；疲劳情况下结构可靠度。

摘要1

关键词：

1

1前言3

2.结构可靠度的基本概念3

2.1结构可靠度相关定义3

2.2结构可靠度极限状态4

2.3结构可靠度常用概率分布6

2.3.1正态分布6

2.3.2对数正态分布7

2.3.3极值I型分布8

2.3.4极值II型分布8

2.3.5极值III型分布8

3.结构可靠度常用的分析方法9

3.1均值一次二阶矩法9

3.2改进一次二阶矩法9

3.3当量正态化法（JC法）10

3.4蒙特卡罗法10

4建筑结构抗风可靠度分析11

4.1风对建筑结构可靠度影响11

4.2结构抗风可靠性分析的研究现状12

4.2.1国外结构抗风可靠性分析的研究现状：

12

4.2.2国内结构抗风可靠性分析的研究现状：

12

4.3结构抗风可靠度理论分析13

4.3.1结构在一次强风作用下的动力可靠度分析13

4.3.2结构在任意一次强风作用下的动力可靠度分析14

4.3.3等效风荷载可靠度分析14

5建筑结构抗震可靠度分析15

5.1基于可靠度的结构地震易损性分析15

5.2基于可靠度的结构抗震性能设计15

5.3基于可靠度的结构抗震优化设计16

6.钢结构疲劳可靠度设计方法17

6.1钢结构疲劳可靠度现状17

6.2钢结构疲劳可靠度分析的目的：

17

6.3基于可靠度理论的钢结构规范疲劳设计方法18

6.4基于S-N曲线构造分类法的疲劳可靠度评估19

6.5疲劳失效极限状态方程19

6.5.1线性S-N曲线极限状态方程19

6.5.2疲劳失效动态极限状态方程20

6.6需要进一步研究的问题20

7.结束语21

参考文献23

1前言

结构工程耗资巨大，一旦失效不仅会给结构本身和人民生命财产造成巨大损失，通常还会产生难以预料的次生灾害，因此安全性，可靠度历来是工程中考虑的重要方面。

工程结构设计的主要目的在于以最经济的途径来满足建筑物的功能要求，而可靠度是满足这一目的的有效控制参数。

结构的可靠度是指结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的概率。

其中规定的时间是指设计使用年限（不进行大修能够使用的年限），而规定的条件包括的范围包括方方面面，但是，我们可以通过考虑一些极端的条件来给出建筑结构要满足的要求。

往往这些极端条件满足要求了，再面对普通环境时，就比较容易考虑结构可靠度的相关条件了。

在众多极端条件中，风荷载，震动作用，疲劳作用是最普遍且最具有代表性的。

在工程实例中也是考虑的最多的。

我们要对他们进行结构可靠度分析。

结构可靠度分析有三个过程：

一是搜集结构随机变量的观测或试验资料，用统计方法进行统计分析，求出其分布规律及有关的统计量，作为可靠度计算的依据；二是用力学的方法计算结构的荷载效应，通过实验与统计获得结构的抗力，利用结构的破坏标准建立结构极限状态方程；三是计算结构的可靠度（可靠指标和失效概率）。

对结构进行可靠度分析有两个目的。

我们对特殊工程环境下的结构可靠度分析按照以上三个过程进行。

2.结构可靠度的基本概念

2.1结构可靠度相关定义

根据当前国际上的一致看法，结构可靠性定义为：

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。

这里所说的“规定时间”是指设计假定的结构使用时间，即设计基准期；“规定条件”是指结构正常设计、正常施工和正常使用等条件；“预定功能”是指下面三项基本要求：

（1）安全性。

即要求结构在规定条件下应能承受可能出现的各种作用（包括荷载、外加变形和约束变形等）以及遇到偶然事件时应能保持必需的整体稳定性。

（2）适用性。

即要求结构在正常使用时应具有良好的工作性能，例如，不能有过大的变形和开裂等。

（3）耐久性。

即要求结构在正常维护下应能满足预定的功能要求，并具有足够的耐久性能。

通常，我们将结构的安全性、适用性和耐久性总称为结构的可靠性，这是一种对结构功能的定性概念。

结构可靠度是对结构可靠性的概率度量，它是建立在统计数学的基础上经计算分析后确定的，是一种定量概念。

研究结构的可靠度就是为了使结构能以最经济的途径，即适当的可靠度来满足各种预定功能的要求。

2.2结构可靠度极限状态

在结构可靠度分析中，为了正确描述结构的工作状态，必须明确规定结构安全、适用、耐久以及结构失效的界限（结构模糊可靠度除外），这样的界限称为结构的极限状态。

极限状态的概念是前苏联学者在20世纪50年代初提出来的，现已为世界工程界所公认。

我国《工程结构可靠度设计统一标准》对结构极限状态的定义为：

整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不满足规定的某一功能要求，此特定状态即为该功能的极限状态。

极限状态是判别结构工作状态为可靠还是失效的分界线。

对于结构的各种极限状态，均应明确规定其标志和限值。

根据结构不同的功能要求，结构的极限状态可划分为三类：

承载能力极限状态、正常使用极限状态和“破坏—安全”极限状态。

（1）承载能力极限状态

这种极限状态对应于结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形。

承载能力极限状态直接关系到结构的安全性，任何工程结构均需做承载能力极限状态的设计，且要求其出现的失效概率相当低。

当结构或构件出现下列情况之一时，即认为其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（如滑动、倾覆等）；

②结构构件或连接处超过了材料的强度而破坏（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结构或构件丧失稳定（如压屈等）。

承载能力极限状态的发生概率应当很低，因为这种状况一般将导致人员伤亡和重大财产损失。

（2）正常使用极限状态

这种极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值，关系到结构的工作条件和耐久程度。

一般来说，公路桥梁结构均需做正常使用极限状态的设计。

当结构或构件出现下列情况之一时，即认为其超过了正常使用极限状态：

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破坏（包括裂缝）；

③影响正常使用的振动；

④影响正常使用的其它特定状态。

与承载能力极限状态相比较，正常使用极限状态对安全的危害较小，故可降低可靠度要求，但是仍然应予以足够的重视。

对于桥梁结构，构件有稍大的变形虽然一般不会导致破坏，但若梁的扰动过大，会导致桥面行车的不平顺，影响车辆通行速度，且使桥面易于积水和破坏，由于梁端的转动而使支撑面积改变，车辆行驶时将会引起过大的冲击和振动，产生噪音或引起人们心理上的不安全感和生理上的不舒适感；对于钢筋混凝土构件，过大的裂缝，不仅影响结构的耐久性，有碍观瞻，有时还会导致重大的工程事故；钢结构中的微裂纹常常导致疲劳破坏，这样的灾难性事故是时有发生的。

（3）“失效—安全”极限状态

这种极限状态又称为条件极限状态。

超过这种极限状态而导致的破坏是指容许结构物发生局部破坏，而对已发生局部破坏的结构的其余部分，应该仍具有适当的可靠度，能继续承受降低了的设计荷载。

其指导思想是：

当偶然事件发生后，要求结构仍保持完整无损是不现实的，也是没有必要和不经济的，故只能要求结构不致因此而造成更严重的损失。

这种设计理论在桥梁抗震和连拱推力墩的计算等方面经常使用。

“失效—安全”极限状态要求的是结构在受到偶然荷载作用时能保持结构的整体稳定性。

当偶然事件发生的概率较大时，一般需要考虑这种极限状态。

我国《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153—1992）将极限状态划分为承载能力极限状态和正常使用极限状态，但同时指出，随着技术的进步和科学的发展，在工程结构上还应考虑“连续倒塌极限状态”，即万一个别构件局部破坏，整个结构仍能在一定时间内保持必需的整体稳定性，防止发生连续倒塌。

广义地说，这是为了避免出现与破坏原因不相称的结构破坏。

这种状态主要是针对偶然事件，如撞击、爆炸等而言的。

2.3结构可靠度常用概率分布

2.3.1正态分布

若连续型随机变量x的概率分布密度函数为：

（2.1）

其中μ为平均数，σ2为方差，则随机变量x服从正态分布，记为x～N（μ,σ2）。

相应的概率分布函数为：

（2.2）

分布密度曲线如下图所示：

称μ=0,σ2=1的正态分布为标准正态分布。

2.3.2对数正态分布

若连续型随机变量x的自然对数

为正态变量，则称x为对数正态分布的随机变量。

其概率分布密度函数为：

（2.3）

其中

即lnx的均值且

，

即lnx的标准差且

相应的概率分布函数为：

（2.3）

分布密度曲线如下图所示：

图2-2对数正态分布密度曲线

2.3.3极值I型分布

属于最大值型分布。

概率密度函数：

（2.4）

其中

；

其概率分布函数为：

（2.5）

2.3.4极值II型分布

属于最大值型分布。

概率密分布函数：

（2.6）

其中

；（2.7）

（2.8）

2.3.5极值III型分布

属于最小值型分布。

概率密分布函数：

（2.9）

其中

（2.10）

（2.11）

3.结构可靠度常用的分析方法

3.1均值一次二阶矩法

在通常情况下，随机变量的统计信息中一阶矩（均值）和二阶矩（方差和协方差）最容易得到。

一次二阶矩法（First-orderSecond-momentmethod，FOSM）就是只利用随机变量的前二阶矩去求解结构可靠度的方法。

这类方法需要将功能函数在某点用Taylor级数展开并仅取其常数项和一次项，然后通过数理统计直接计算结构的可靠度，故称为一次二阶矩法。

当功能函数（一般指R-S型）中的随机变量服从正态分布时，可以很方便地利用正态分布函数计算结构的可靠概率或失效概率，但当随机变量不服从正态分布，此时的可靠指标只是可靠度的一个比较含糊的近似代用指标。

对于非线性的功能函数，则在随机变量平均值处，通过泰勒级数展开的方法，将其近似为线性函数，再求平均值和标准差，该法就是现在所称的中心点法。

二阶矩模式形式简单，但其缺点也很明显:

如不能考虑随机变量的分布类型，只是直接取用随机变量的前一阶矩和二阶矩；将非线性功能函数在随机变量的平均值处展开不合理，由于随机变量的平均值不在极限状态曲面上，展开后的线性极限状态平面可能会较大程度的偏离原来的极限状态曲面；对于有相同力学含义但数学表达式不同的极限状态方程，求得的结构可靠指标不同。

3.2改进一次二阶矩法

为了克服均值一次二阶矩法解答非唯一性的问题，很多学者提出了改进的方法。

由可靠指标的几何意义知，可靠指标为标准正态坐标系中原点到线性的极限状态平面的最短距离，因此人们将一次二阶矩法的线性化点选为极限状态曲面距离原点最近的点，通常把这一点称为设计验算点。

依此得到的方法称为改进的一次二阶矩法，它是结构可靠度最基本的计算方法。

改进一次二阶矩法将线性化点选在设计验算点，不仅算法稳定，而且从可靠指标的几何意义来看也是合情合理的，这明显优于均值一次二阶矩法。

因此，工程实际可靠度计算中，改进一次二阶矩法已作为求解可靠指标的基础。

不过，这种可靠度计算方法要求各随机变量为统计独立的正态分布，而工程结构中的随机变量并非都是正态分布的，如风、雪等荷载一般不是正态分布，而是极值I型分布或

分布。

要解决这个问题，就需要通过数学变换将非正态分布随机变量当量化或映射变换为正态分布随机变量，下面介绍这两种变换方法——当量正态化法和映射变换法。

3.3当量正态化法（JC法）

当量正态化法是拉克维茨和菲斯莱（Rackwitz-Fiessler）、哈索弗尔和林德（Hasofer-Lind）等人先后提出来的。

该法已经为国际安全度联合委员会（JCSS）所推荐采用，故称JC法。

它适用于随机变量为任意分布的结构可靠指标的求解，原理通俗易懂，计算精度一般情况下能满足工程实际需要。

我国1986年颁布的《建筑结构设计统一标准》和1999年颁布的《公路工程结构可靠度设计统一标准》中都规定采用JC法计算结构的可靠度。

可靠指标可以很好地描述结构的可靠度，但它要求所有随机变量都服从正态分布，这往往与实际情况不相符，因此要通过数学变换来解决。

如果随机变量之间不相关，常用的变换方法有三种:

一是采用Rosenblatt变换，转换为线性无关的标准正态随机变量；二是将非正态随机变量按等概率原则映射为标准正态随机变量；三是按当量正态化条件，将非正态随机变量当量为正态随机变量。

事实上，后两种方法实质上是一致的，但第二种方法较为直观，易于为工程技术人员理解，被国际结构安全度联合会（JCSS）推荐使用，通常称为JC法。

3.4蒙特卡罗法

蒙特卡罗（MonteCarloSimulation，MCS）法又称随机抽样法、概率模拟法、数值模拟法或统计试验法，是通过随机模拟和统计试验来求解结构可靠度的数值方法。

由于它以概率论和数理统计理论为基础，故被人们以闻名世界的赌城蒙特卡罗命名，以突显其随机性的特征。

在目前的结构可靠度计算方法中，蒙特卡罗法被认为是一种相对精确的方法，常用于结构可靠度其它近似方法计算精度的检验。

从数学意义上讲，结构的失效概率就是结构参数的随机性变化导致结构失效的概率。

由概率的定义知，某事件发生的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算。

因此，可以先对影响结构可靠度的随机变量进行大批随机抽样，然后把这些抽样值一组一组地代入结构功能函数中，统计出令结构失效的样本数目，从而求得结构失效的频率。

蒙特卡罗方法可用于结构构件的可靠度分析，也可用于结构体系的可靠度分析。

对于并联结构体系，由于极限状态曲面上只有一个最重要区域，抽样分布中心取在联合验算点处；对于串联结构体系，由于每一个极限状态曲面上都有一个重要区域，每一个验算点都应取作抽样中心，在确定了总的抽样次数后，按每一个重要区域（或对应的极限状态曲面的失效概率）对结构体系失效概率的影响程度，来决定以每一个验算点作抽样分布中心时的模拟次数，最后再根据影响程度合成结构体系的失效概率。

因为串联结构体系的失效边界是不连续的凸函数，在应用方向重要抽样法来分析这种体系失效概率方面有较多的研究。

在时变结构可靠度分析方面，也有一些研究用Monte-Carlo方法估计荷载的外跨阈率。

4建筑结构抗风可靠度分析

4.1风对建筑结构可靠度影响

风灾损失的主要部分是工程结构的损坏和倒塌川。

风遇到建筑物时,将在建筑物表面产生压力或吸力,这种风力作用称为风荷载。

风荷载是各种工程结构特别是高、大、细、长等柔性工程结构的主要设计荷载。

气流一遇到结构的阻塞,就形成高压气幕。

风速愈大,对结构产生的压力也愈大,从而使结构产生大的变形和振动。

结构物如果抗风设计不当,或者产生过大的变形会使结构不能正常的工作,或者使结构产生局部破坏,甚至整体破坏。

可见,风对高层建筑结构的影响包括安全性、适用性、耐久性三个方面,而结构可靠度理论是研究结构安全性、适用性和耐久性的基本方法。

可靠度理论更加真实、客观地反映了结构抗力和风荷载的特性,结构的抗风设计应该扎根于这个坚实的理论基础,使抗风设计更加科学,更加符合客观实际。

因此,为了避免工程事故重演和减少经济损失,在工程结构设计中实现安全与经济的目的,就要进行抗风可靠性分析。

随着地球气温的不断升高,台风造成的灾害将越来越严重,我国沿海地区建筑行业有必要重视建筑结构的抗台风可靠性分析。

4.2结构抗风可靠性分析的研究现状

4.2.1国外结构抗风可靠性分析的研究现状：

1.在国际上,加拿大学者Dvaenport在研究风荷载作用响应的不确定性因素影响时,提出了风荷载链概率模型,该方法只给出了风荷载的不确定性影响,未涉及结构参数的不确定性;

2.Karenel根据试验和现场实测的研究,讨论了风环境、气象数据、风的脉动、风与结构相互作用和结构参数的不确定性因素,并利用MnoetCarl方法对钢筋混凝土烟囱进行了响应的不确定性分析，研究了风环境以及结构的许多不确定性因素对结构风荷载响应极大值及其变异性的影响,采用简单数值模拟技术进行不确定性参数误差传递分析,应用一次二阶矩法计算结构的可靠度指标；

3.PrenLnger等对于悬索桥和斜拉桥分别进行了抗风可靠性研究,讨论了风荷载作用下主梁跨中截面应力引起的结构失效概率,但该研究没有考虑抖振作用对结构可靠度的影响。