工程可靠度学习报告论文.docx

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工程可靠度学习报告论文

工程结构可靠度

总

结

报

告

姓名：

张明杰

班级：

土木一班

学号：

0943052070

日期:

2011年5月4日

工程结构可靠度总结报告

摘要：

土木工程领域存在大量不确定因数，考虑不确定因素对土木工程安全性的影响是土木学科的一个十分重要的研究方向。

因此学习、掌握结构可靠度理论对从事土木工程领域工作的广大工程人员十分重要。

工程结构设计理论：

确定工程结构承载力、变形等状况所使用的一系列计算方法与公式（包括相配套的构造要求）。

工程结构设计理论目标：

保证工程结构的安全与经济。

为合理协调工程结构的安全与经济这对矛盾，产生了基于可靠度的工程结构设计理论。

结构可高度基于概率方面的知识，运用概率模型研究结构的可靠度。

达到资源的优化和结构的安全、合理、经济等功能和经济、环境多方面的要求。

达到资源的优化利用。

结构可靠度发展的历史由来:

1946年，美国的弗罗伊詹特代发表题为《结构的安全度》的论文。

开创了美国结构安全度的研究工作。

1947年，前苏联的尔然尼钦就提出了用“一次二阶矩法”来估计结构的失效概率。

1969年,美国康乃尔提出了与结构失效概率相联系的可靠指标β作为衡量结构安全度的一种统一数量指标，并建立了结构安全度的二阶矩模式。

1971年,加拿大的林德对这种模式采用分离函数方式，将可靠指标β表达成设计人员习惯采用的分项系数形式。

1976年，国际结构安全度联合委员会”（JCSS），采用拉克维茨（Rackwitz）和菲斯莱（Fiessler）等人提出的通过当量正

态”的方法以考虑随机变量实际分布的二阶矩模式。

这对提高二阶矩模式的精度意义极大。

至此，二阶矩模式的结构可靠度表达式与设计方法开始进入实用阶段。

自上世纪60年代英国开始全面依据可靠度理论编制桥梁规范BS5400。

70年代欧洲混凝土委员会倡议成立了结构安全度联合委员会，并编制了《结构统一标准规范的国际体系》。

北欧五国（丹麦、芬兰、冰岛、挪威及瑞典）房屋建筑规程委员会于1975年提出了《结构荷载与安全设计规程》

国际标准化组织于1986年颁布了《结构可靠性总原则》（Is02394）。

1998年又颁布了该标准的修订版本。

60年代美国成立了结构安全度委员会。

美国1998年颁布了依据结构可靠度理论的公路桥梁设计规范AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications,2002年又出了修订版。

欧盟于2002年正式颁布了全面依据结构可靠度理论的欧洲规范《结构设计基础》EN1990:

2002。

近几年来日本也在将工程结构设计规范向结构可靠度转轨。

我国从20世纪50年代初期开始用数理统计方法确定超载系数和材料强度系数。

70年代成立了工业与民用建筑规范系列的《建筑结构设计统一标准》编委会和专题研究，并参考国际上的研究成果，进行了大量的研究工作。

提出了《建筑结构设计统一标准》，并经有关部门批准，作为制定建筑结构荷载规范、钢结构、薄壁型钢结构、钢筋混凝土结构、砖石结构、木结构设计规范以及地基基础和建筑抗震等设计规范应遵守的准则。

近年来，我国已编制了工程结构设计统一标准，将概率极限状态设计原则推广到水利、铁道、公路、桥梁、港工等工程领域。

依据结构可靠度理论进行工程结构设计是国际趋势。

结构可靠度分析

结构可靠度的定义：

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，称为结构的可靠性。

结构在规定的时间内在规定的条件下，完成预定功能的概率称为结构的可靠度。

结构的功能要求：

承载能力要求：

要求结构能承受在正常施工和正常使用过程中出现的各种作用而不出现承载力不足的状况．

正常使用要求：

要求结构在承受正常使用过程中出现的各种作用时能良好工作而不出现影响正常使用或适用性不充分的状况

整体性要求：

要求结构在偶然事件（火灾、爆炸、撞击等）发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性而不发生连续倒塌。

结构构件失效类型

延性失效构件：

失效后仍能维持原有功能的构件，如采用具有明显屈服平台的

钢材制成的受弯构件在弯矩作用下达其屈服承载力后仍能保持承载力而继续变形。

脆性失效构件：

失效前无明显预兆，一旦失效即完全损失功能的构件，如用无明显流幅的高强钢材制成的受拉构件，一旦断裂即完全丧失功能。

极限状态分类：

承载能力极限状态

结构或结构构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形。

结构或结构

构件超越其承载能力极限状态的主要表现有：

整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）、

结构构件或连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度变形而不适于继续承载、结构转变为机动体系（机构）、结构或结构构件丧失稳定（如压屈等）；地基丧失承载能力而破坏（如失稳等）

结构的可靠度：

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。

可靠度：

结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。

结构可靠度的计算方法：

1、FORM算法（均值一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法、JC法）；

2、SORM算法（ESORM算法、PFSORM算法）；

3、MCS算法。

体系可靠度概念

具有多于一个相关失效模式的结构构件的可靠度，或多于一个相关结构构件的结构体系的可靠度，称为体系可靠度。

体系可靠度与构件可靠度区别：

体系可靠度→多失效模式

构件可靠度→单一失效模式

失效模式分类：

①形成机构失效

结构由于塑性铰的出现而转化成机构，导致失效．根据塑性铰数量及位置

的不同结构有可能形成下述三类机构：

完全机构：

n=s+1n为结构中出现的塑性铰数S为结构超静定次数

荷载的统计分析

建筑在其工作寿命期内要承受各种外部因素的影响，是结构产生应力与变形的外部因素统称为作用。

荷载的代表值有：

标准值、频遇值、组合值与准永久值。

结构抗力的分析

结构承受作用效应的能力称为结构的构件抗力。

构成结构构件抗力不定性的因素主要有：

1、结构构件抗力固有的随机变异性、2、知识不足引起的不定性。

3、统计不定性。

由于材料制作、结构设计、施工及使用过程中存在的不确定性，结构设计中的各参数都是随机变量。

因此，在规定的时间内和规定的条件下结构能否完成预定的功能是不可预知的，结构能够完成预定功能的概率为结构的可靠度然而，在自然环境、使用环境和材料内部因素的作用下，结构的性能会逐步劣化，抗力不断下降，歧而使结构在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的能力降低。

现行的结构可靠度分析和1瞪计方法不考虑结构抗力随时间的降低，而抗力降低是耐久性不足的结构性能劣化的必然结果，在这种情况下。

结构可靠度的变化是工程设计及结构性能评估中极为关注的问题，也是结构生命全过程可靠度研究的一项重要内容。

，对结构考虑耐久性可靠度分析的国内外研究现状进行评述。

考虑抗力随时间变化的结构可靠度分析方法在腐蚀环境中，由于结构的抗力随时间不断降低，可靠度分析中必须考虑结构抗力随时间的变化，这属于时变可靠度的范畴。

结构性能劣化后的可靠度分折方法，日本学者较早进行过研究，但所考虑的结构抗力衰减不是由环境腐蚀引起的，而是所经历的荷载作用累积损伤的结果。

但其分折方法与结构疲劳可靠度又有所不同，而且将每一次未使结构失效的荷载作为结构的一个验证荷载，不断使用抗力的截尾分布。

工程结构设计理论：

确定工程结构承载力、变形等状况所使用的一系列计算方法与公式（包括相配套的构造要求）。

工程结构设计理论目标：

保证工程结构的安全与经济。

为合理协调工程结构的安全与经济这对矛盾，产生了基于可靠度的工程结构设计理论。

结构概率可靠度设计法

极限状态设计原则：

结构设计工作寿命、设计基准期、设计状况。

目标可靠度的确定原则：

综合考虑构件失效的后果、失效方式以及降低失效概率所需花费的工作量与费用等因素。

确定的方法有：

事故类比法，经济优化法、经验校准法。

最好达到优化设计：

最优设计是在明确结构的经济性与安全性等指标下，结合计算机辅助设计，很方便地实现分析计算、设计、出图等全过程的自动化，提高了设计效率和质量。

随着我国改革开放的深入，经济实力的不断提升，我国基础设施的建设上了一个新的台阶。

大中小型土木建筑工程、水利水电工程、交通能源工程等可持续发展建设项目的开发利用正在与时俱进。

这些工程项目的建设离不开规划设计，而结构设计是其中的一部分。

结构设计是创造结构方案的过程，传统的结构设计是设计者按设计要求和设计者的实践经验，参考类似工程，通过判断创造结构方案，然后进行力学分析或按规范要求作安全校核，再修改设计。

这一过程繁复，且往往只能创造出可行方案。

而结构优化设计则把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求，使参与计算的量部分以变量出现，形成全部可能的结构设计方案域，利用数学手段在域中找出满足预定要求的不仅可行而且最好的设计方案。

实践证明，结构优化设计能缩短设计周期、提高设计质量和水平，取得显著的经济效益和社会效益。

最优设计是在结构可靠度的基础上实现的。

学习心得：

学习完了《建筑结构可靠度分析与研究》，我了解到，可靠度研究是一门对于土木工程专业来说相当重要的学科。

它涉及到了建筑结构设计的各个方面，多层次的考虑了安全，经济，使用等要求。

通过可靠度的研究，可以最大程度上保证工程师设计上对于功能要求的满足，而且合理的利用资源，达到资源的优化。

节约了成本，避免诸多不必要的浪费。

结构可靠度研究在可行性研究上提供了理论依据，使得建筑的安全得到保证，也就保证了人民的生命财产安全。

可以说不做可行性研究，将使资源极大的浪费，而且无法在设计上规范国家标准，目前大多数国家标准都是建立在结构可靠度上的。

学习了可靠度研究发散了我的思维，让我了解到一个问题得多发面考虑它的不确定性因素。

结构可靠度计算方法

1、可靠度计算一次分析方法

1.1中心点法

早期的可靠度计算方法是只考虑随机变量平均值和标准差的所谓“二阶矩模式”，可靠度用可靠指标表示．二阶矩模式的特点是形式简单，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．

1.2一次二阶矩法

鉴于此，Hasofer和Lind提出了结构可靠指标的新定义[2]，将可靠指标定义为标准正态空间内，坐标原点到极限状态曲面的最短距离，原点向曲线垂线的垂足为设计验算点．这样解决了中心点法中具有相同的力学含义的结构功能函数可靠指标不同的状况．坐标原点到极限状态曲面的最短距离只有一个，据此定义的结构可靠指标是唯一的，解决了初始的二阶矩模式中，可靠指标计算结果依赖于结构功能函数表达形式的问题．同时也可证明该指标是将非线性功能函数在其验算点处线性化后所对应的线性函数的可靠指标．因而该法称为改进的一次二阶矩方法（AFOSM）。

1.3JC法

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．

1.4映射变换法

对于结构可靠度分析中的非正态随机变量，JC法用当量正态化的方法将非正态随机变量“当量”为正态随机变量，从而应用正态随机变量可靠度的计算方法来计算结构的可靠指标．如采用数学变换的方法将非正态随机变量变换为正态随机变量，问题也同样可以解决．文献[13给出了映射变换法的有关计算公式和实例分析．从计算过程上与JC法比较，映射变换法少了JC法的当量正态化过程，但多了映射变换的过程，因而二者计算量基本相当；JC法采用当量正态化的方法，概念上比较直观，而映射变换法在数学上更严密一些，因而结构可靠度分析方法的进一步发展就转化为采用映射变换法将非正态随机变量正态化（如后面的二次二阶矩法）．

2可靠度分析的高次方法

在上面的可靠度分析方法中，无论随机变量服从正态分布，还是不服从正态分布，无论随机变量是相关的，还是不相关的，都只使用了结构功能函数的一次项（或泰勒展开级数的线性项）和随机变量（或当量正态化随机变量）的前二阶矩，因此广义的统称为一次二阶矩方（FirstOrderSecondMomentFOSM）．为与中心点法相区别，一般将同时求验算点的可靠度分析方法称为验算点法，有时也称为改进的一次二阶矩方法（AdvancedFirstOrderSecondMoment，AFOSM）．对于非线性结构功能函数的情形，利用切线或切平面来近似计算往往不能够满足计算要求，因此发展高次可靠度计算方法具有重要意

义．

2.l二次二阶矩法

当结构的功能函数在验算点附近的非线性化程度较高时，一次二阶矩法的计算精度就不能满足一些特别重要结构的要求了．国外早期的做法是将非线性功能函数在验算点处做二次展开，此法虽能解决

问题，但因计算复杂而不便应用．近年来，一些学者把数学逼近中的拉普拉斯渐进法用于可靠度研究中，取得了较好的效果．因该法用到了非线性功能函数的二阶偏导数项，故应归属于二次二阶矩法Llj．从公式的表达上可以看出，二次二阶矩法的结果是在一次二阶矩法结果的基础上考虑功能函数二次非线性影响的系数，所以可以看作是对一次二阶矩法结果的修正．需要强调的是，在广义随机空间中，对于随机变量变换前后相关系数取值依据的是变换前后的相关系数近似相等，这相当于一次二阶矩法随机变量间的一次变换，对于二次二阶矩法是否考虑随机变量间的二次变换项，以及二次变换项如何考虑是需要进一步研究的问题．

2．2二次四阶矩法

不论是一次二阶矩方法还是二次二阶矩方法，其计算精度能得以保证的一个基本前提是采用的随机变量分布概型是正确的，且随机变量的有关统计参数是准确的，而随机变量分布概型是应用数理统计的方法经过概率分布的拟合优度检验后推断确定的，统计参数是通过统计估计获得的．分布概型及统计参数的准确与否依赖于样本的容量、统计推断及参数估计的方法．二次四阶矩法[43利用信息论中的最大熵原理构造已知信息下的最佳概率分布，基本上避免了前述方法因采用经过人为加工处理过的基本资料而可能改变其对现实真实反映的问题，但关于该法的研究还较少，仍处于发展阶段．

3、可靠度分析的其它方法

3.1响应面方法

大型复杂结构的内力和位移一般要用有限元法进行分析，这时结构的响应与结构上外部激励之间的关系不能再用显式来表达．当对结构或结构构件进行可靠度分析时，所建立的极限状态方程也不再是显式，从而造成了迭代求解可靠度的困难．响应面法[s’63是处理此类问题的一种有效方法，其基本思想是先假设一个包括一些未知参量的极限状态变量与基本变量之间的解析表达式，然后用插值的方法来确定表达式中的未知参量，进而求解．由于响应面法的精度是由表达式和插值点的位置确定的，所以这两方面便成为响应面法所要研究的主题．

3．2数值模拟方法

蒙特卡罗（Monte—CarIo）法是结构可靠度分析的基本方法之一，它具有模拟的收敛速度与基本随机向量的维数无关、极限状态函数的复杂程度与模拟过程无关、无需将状态函数线性化和随机变量当量正态化、数值模拟的误差可由模拟次数和精度较容易地加以确定的特点．但是，当实际工程的结构破坏概率在10-3以下时，该法的模拟数目就会相当大，进而占用大量时间．该法既可用来分析确定性问题，也可用来分析不确定问题．由于具有相对精确的特点，除用于一些复杂情况的可靠度分析外，也常用于各种近似分析方法的计算结果校核．