结构抗力统计分析.ppt

1、荷载与结构设计方法荷载与结构设计方法 7.1 结构抗力的不定性7.2 抗力的统计参数和概率分布类型7.3 材料的标准强度及其设计取值第第7章章 结构抗力统计分结构抗力统计分析析p结构抗力概念构件抗力（R）指构件承受各种作用的能力，它与构件的荷载效应S相对应。p结构抗力分四个层次：整体结构抗力（如整体结构承受风荷载的能力）结构构件抗力（如构件在轴力、弯矩作用下的承载能力）构件截面抗力（构件截面抗弯、抗剪的能力）截面各点的抗力（截面各点抵抗正应力、剪应力的能力）7.1 结构抗力的不定性荷载效应为作用内力抗力为构件承载能力荷载效应为作用变形抗力为构件抵抗变形的能力p对结构抗力的讨论只针对结构构件（含

2、构件截面）p结构抗力与结构荷载效应相对应，即：l承载力验算针对结构构件l变形验算针对结构构件或整体结构7.1 结构抗力的不定性抗力分析方法:直接统计分析非常困难，采用间接方法，即对抗力的各种主要影响因素进行统计分析，确定其统计参数；通过抗力与各有关因素的函数关系，从各种因素的统计参数推求抗力的统计参数和概率分布类型；确定构件抗力及其各项影响因素的统计参数时，采用以下近似公式：7.1 结构抗力的不定性误差传递公式设随机变量Z为相互独立的X1，X2，Xn的函数，即则Z的均值、方差、变异系数分别为7.1 结构抗力的不定性p影响构件抗力的不定性因素：材料性能（如强度、弹性模量）几何参数（如截面尺寸、惯

3、性矩）计算模式的精确度均为相互独立的随机变量7.1 结构抗力的不定性材料性能的不定性：指材料质量因素以及工艺、加荷、环境、尺寸等因素引起的结构构件中材料性能的变异性。材料性能一般采用标准试件和标准试验方法确定，还要考虑实际构件与标准试件、实际工作条件与标准试验条件的差异。7.1结构抗力的不定性7.1.1材料性能的不定性材料性能的不定性标准试件材料性能的不定性试件材料性能换算为构件材料性能的不定性以随机变量f来表示构件材料性能的不定性，即式中:fj 结构构件实际的材料性能值；fs 试件材料性能值；fk 规范规定的试件材料性能的标准值；w0 规范规定的反映结构构件材料性能与试件材料性能差别的系数，

4、如考虑缺陷、尺寸、施工质量、加荷速度、试验方法等因素影响的系数或其函数。7.1 结构抗力的不定性7.1.1 材料性能的不定性令则式中0反映结构构件材料性能与试件材料性能差别的随机变量；fs反映试件材料性能不定性的随机变量。7.1 结构抗力的不定性7.1.1 材料性能的不定性由误差传递公式，f的平均值与变异系数为式中:随机变量0、fs的平均值及试 件材料性能fs的平均值；随机变量0的变异系数及试件材 料性能fs的变异系数。7.1 结构抗力的不定性7.1.1 材料性能的不定性几何参数的不定性：指制作尺寸偏差和安装误差等引起的结构构件几何参数的变异性。它反映了制作安装后的实际构件与所设计的标准结构构

5、件之间几何上的差异。一般构件可仅考虑截面几何特征（如宽度、高度、有效高度、面积、面积矩、抵抗矩、惯性矩、箍筋间距等参数）的变异，而构件长度和跨度可按定值处理。7.1结构抗力的不定性7.1.2几何参数的不定性以随机变量a来表示结构构件几何参数的不定性，即式中 a 结构构件的实际几何参数值；ak结构构件的几何参数标准值，一般取设计值。则a的统计参数为式中 a、a 构件几何参数的平均值及变异系数。7.1 结构抗力的不定性7.1.2 几何参数的不定性公路技术等级高速公路一级公路二级公路变异水平等级低低中中几何参数的变异性一般随几何尺寸的增大而减小。p建筑工程：表7.2列出了我国对各类建筑结构构件几何参

6、数进行大量实测得到的统计参数。p公路工程：根据各级公路不同的目标可靠指标，将统计的变异范围分为低、中、高三级水平（见下表）。7.1 结构抗力的不定性7.1.2 几何参数的不定性变异水平低中高变异系数 h（%）245678表a水泥混凝土路面面板厚度的变异系数水泥混凝土路面：几何参数不定性主要指面板厚度的变异性。沥青路面：几何参数不定性则指结构层的底基层厚度、基层厚度和面层厚度的变异性。7.1 结构抗力的不定性7.1.2 几何参数的不定性项 目变异系数（%）低中高底基层厚度（mm）467101114基层厚度（mm）46791012面层厚度（mm）平地机摊铺基层5080901501602001013

7、71045141811136819231416910摊铺机摊铺基层50809015016020051047231115810461620111378表b 沥青路面结构层厚度的变异系数7.1 结构抗力的不定性7.1.2 几何参数的不定性计算模式的不定性：指抗力计算中采用的某些基本假定的近似性和计算公式的不精确性等引起的对结构构件抗力估计的变异性，反映了计算抗力与实际抗力间的差异。式中 Ro 结构构件的实际抗力值，取试验值或精确计算值；Rc 按规范公式计算的结构构件抗力值，计算应采用材料性 能和几何尺寸实际值。7.1结构抗力的不定性7.1.3计算模式的不定性p不定性f、a和p均是无量纲随机变量，其

8、统计参数适用于各地区和各种使用情况。随着统计数据的不断充分和统计方法的不断完善，上述统计参数将会有所变化。我国规范通过对各类构件p的统计分析，求得其平均值和变异系数，见表7-3。7.1结构抗力的不定性7.1.3计算模式的不定性单一材料构件钢、木、砖等组成的结构构件，其实际抗力R的表达式为式中Rk按规范规定的材料性能和几何参数标准值及抗力计算公式求得的抗力标准值，可表达为7.2结构抗力的不定性7.2.1抗力的统计参数由误差传递公式，可求得抗力R的平均值为也可将抗力的平均值用无量纲的系数R表示，即抗力R的变异系数为7.2结构抗力的不定性7.2.1抗力的统计参数多种材料构件钢筋混凝土构件等抗力R的表

9、达式为考虑材料性能及几何参数不定性后，有式中 RP=R（）由计算公式确定的构件抗力值，它是各种材料性能和几何参数不定性的函数；7.2结构抗力的不定性7.2.1抗力的统计参数fci 构件中第i种材料的实际性能值；ai 与第i种材料相应的构件实际几何参数；fi 构件中第i种材料的材料性能随机变量；k0i 反映构件第i种材料的材料性能差异的影响系数；fki 构件中第i种材料的性能标准值；ai 与第i种材料相应的构件几何参数随机变量；aki 与第i种材料相应的构件几何参数标准值。7.2结构抗力的不定性7.2.1抗力的统计参数抗力Rp的均值、标准差和变异系数为7.2结构抗力的不定性7.2.1抗力的统计参

10、数Xi 有关的变量fi和ai；结构构件抗力R的统计参数为其中式中 Rk=R（）按规范计算的抗力标准值。各种结构构件抗力的统计参数R和R见表7-4。7.2 结构抗力的不定性7.2.1抗力的统计参数结构构件抗力R是多个随机变量的函数 如果已知每个随机变量的概率分布，通过多维积分求出抗力R的概率分布是很困难的，可采用模拟方法（如Monte-Carlo模拟法）来推求抗力的概率分布函数。对实际工程，可由概率理论假定抗力的概率分布7.2结构抗力的不定性7.2.2结构构件抗力的分布类型7.2 结构抗力的不定性抗力R的计算模式多为R=X1X2X3等形式，因此可近似认为：无论X1，X2，Xn为何种概率分布，结构

11、构件抗力R的概率分布类型均可假定为对数正态分布。如Y=X1X2Xn，则 ，当n充分大时，lnY也近似服从正态分布，则Y近似服从对数正态分布。概率论的中心极限定理：若随机变量序列X1，X2，Xn中的任何一个都不占优势，当n充分大时，无论X1，X2，Xn具有怎样的分布，只要它们相互独立，则 近似服从正态分布。7.2.2结构构件抗力的分布类型，7.3材料的标准强度及其设计取值7.3.1材料强度的标准值材料性能标准值是指符合规定质量的材料性能概率分布的某一分位值材料性能主要包括强度、弹性模量和变形模量等混凝土、钢材、砌体材料强度的概率分布一般服从正态分布材料强度标准值是结构设计时所采用的材料强度的基本

12、代表值，用于结构正常使用极限状态的验算，7.3材料的标准强度及其设计取值7.3.1材料强度的标准值1.645f0fff(f)f1.645ffk材料强度标准值的取值原则：在符合规定质量的材料强度实测总体中，强度标准值取具有95%95%保证率的强度值，即按材料强度概率分布的0.050.05分位值确定 fff5fk1.645sf7.3材料的标准强度及其设计取值7.3.1材料强度的标准值材材料料性性能能设设计计值值是是指指材材料料强强度度的的标标准准值值除除以以材材料料分分项项系系数，即数，即 7.3材料的标准强度及其设计取值7.3.2材料强度的设计值1 1、立方体抗、立方体抗压强度强度f fcucu

13、 混凝土强度等级混凝土强度等级混凝土的强度等级是混凝土的强度等级是用立方体抗用立方体抗压强度强度来划来划分的分的混凝土强度等级混凝土强度等级：边长150mm150mm立方体立方体为标准标准试件件，在在标标准准条件条件下下（203203，90%90%湿湿度）度）养养护2828天天，用用标准标准试验方法方法测得得的的具有具有95%95%保保证率率的的立方体抗立方体抗压强度，强度，用符号用符号C C表示表示，C30C30表示表示 f fcukcuk=30N/mm=30N/mm2 2 水水工工混凝土强度混凝土强度范范围，从从C10C60C10C60共划共划分分为1111个个强度等级强度等级，级级差差为

14、5N/mm5N/mm2 2。根据新根据新规范范强度强度范范围，从从C15C80C15C80共划共划分分为1414个个强度等级强度等级，级，级差差为5N/mm5N/mm2 2。与原。与原规范范GBJ10-89GBJ10-89相比相比，混凝土强度等级，混凝土强度等级范范围由由C60C60提提高高到到C80C80，C50C50以以上上为高强混凝土高强混凝土。式中：为棱柱体强度与立方体强度之比，对混凝土强度等级为C50及以下的取1=0.76，对C80取1=0.82，在此之间按直线规律变化取值。为高强度混凝土的脆性折减系数，对C40及以下取2=1.00,对C80取2=0.87,中间按直线规律变化取值。0

15、.88为考虑实际构件与试件混凝土强度之间的差异而取用的折减系数。fck0.8812fcu,k 2 2、混凝土混凝土轴心抗心抗压强度标准值强度标准值：fck，150*150*300mm150*150*300mm的的标准标准棱柱体棱柱体试件件，在在标准标准条件条件下下（203203，90%90%湿湿度）度）养养护2828天天，用用标准标准试验方法方法测得得的的具有具有95%95%保保证率率的的棱柱体抗棱柱体抗压强度强度。混凝土强度指标混凝土强度指标混混凝凝土土强强度度有有标标准准值值和和设设计计值值之之分分，混混凝凝土土强强度度的的标标准准值值具具有有95%95%的的保保证率率，若若将将其其除除以以材材料料分分项项系系数数 c c（c c=1.4=1.4），即即得得混混凝凝土强度设计值，混凝土强度标准值土强度设计值，混凝土强度标准值按下表采用。按下表采用。