可靠度分析報告方法地一般概念

1、基于性能的設計過程為分為三個步驟： 按照建筑物的用途以與用戶對建筑物的需求來確定性能的要求，從而建立一個目標性能； 根據(jù)建立好的目標性能選用一種適宜的結(jié)構(gòu)設計方法; 對各項性能指標進展綜合評定，判斷所設計的建筑物能否滿足目標性能的要 求。一般采用風險率來表示目標性能，因此可靠性分析在評定各項性能上占據(jù)著 重要的作用。結(jié)構(gòu)可靠度問題的根本分析方法：(1) 根據(jù)具體研究問題，明確可靠度分析中涉與的各個隨機變量;2枚舉結(jié)構(gòu)延性破壞機構(gòu)結(jié)構(gòu)失效模式的最可能情況；3確定各個隨機變量的概率分布和統(tǒng)計參數(shù)；4建立結(jié)構(gòu)失效模式對應的功能函數(shù)，計算可靠指標。響應面法通過確定性的試驗擬合一個響應面來模擬真實的極限

2、狀態(tài)曲面，即：用一個簡單的函數(shù)稱為響應面函數(shù)或曲面稱為響應面來代替隱含或復雜的極限狀 態(tài)函數(shù)，使計算得以簡化。響應面法源于實驗設計，是實驗設計的一種根本方法一包括實驗設計和回歸 分析兩局部內(nèi)容，而后應用于結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值模擬，試驗設計用來確定抽樣點 在輸入變量抽樣空間的位置，要求抽樣點數(shù)量少，卻又能包含抽樣空間的有效信 息，以保證響應面的精度，中心復合設計法是響應面法中最常用的一種方法； 回 歸分析是指確定響應面函數(shù)與其系數(shù)的過程。在實際工程中，極限狀態(tài)函數(shù)往往是很難用顯式表達出來， 響應面法是在設 計驗算點附近用多項式來擬合復雜的極限狀態(tài)函數(shù)，然后用一般的可靠度計算方 法計算結(jié)構(gòu)可靠度，因此

3、響應面法在實際工程的計算當中得到廣泛應用蒙特卡洛法的原理是：對所研究的問題建立相似的概率模型，根據(jù)其統(tǒng)計特征值如均值、方差等, 采用某種特定方法產(chǎn)生隨機數(shù)和隨機變量來模擬隨機事件， 然后對所得的結(jié)果進 展統(tǒng)計處理，從而得到問題的解。1根據(jù)待求的問題構(gòu)造一個適宜的隨機模型，所求問題的解應該對應于該模型中隨機變量的均值和方差等統(tǒng)計特征值； 在主要特征參數(shù)方面，所構(gòu)造的模 型也應該與實際問題相一致。2根據(jù)模型中各個隨機變量的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布，隨機產(chǎn)生一定數(shù)量的隨機數(shù)。通常我們先產(chǎn)生服從均勻分布的隨機數(shù)， 然后通過某種變換轉(zhuǎn)化為服從 特定分布的隨機數(shù)，之后便可進展隨機模擬試驗。3根據(jù)隨機模型的特點和

4、隨機變量的統(tǒng)計特征，選取適宜的抽樣方法包括直接抽樣、相關(guān)抽樣、分層抽樣、重要抽樣等對每個隨機變量進展隨機抽樣。4按照上面所建立的模型進展隨機模擬、計算，求出問題的隨機解。5統(tǒng)計分析模擬試驗的結(jié)果，得出問題的近似解以與解的誤差估計。蒙特卡洛法數(shù)值分析法按照統(tǒng)一標準，截面尺寸和材料強度等設計變量均模擬為服從正態(tài)分布的隨機變量。本文釆用MATLAB編寫非線性數(shù)值分析程序，通過隨機模擬計算偏壓 柱的抗力統(tǒng)計參數(shù)。具體的計算步驟如下：1、輸入各設計變量與材料強度的統(tǒng)計參數(shù)與偏心距值。2、根據(jù)偏心受壓柱的截面尺寸、材料強度的概率分布與統(tǒng)計參數(shù)進展隨機模擬， 產(chǎn)生截面尺寸、材料強度的樣本值。3、建立截面分層

5、模型，根據(jù)混凝土和鋼筋的應力應變關(guān)系，應變與曲率的關(guān)系，由平衡條件，通過數(shù)值積分得到偏心受壓柱的軸力和彎矩的抗力模擬值。4、重復2、3過程過程N次(N=600)o5、統(tǒng)計分析上述過程產(chǎn)生的組抗力，得到偏壓柱在偏心距為時的抗力平均值和標準差。&給出一組偏心距值，重復以上步驟，便可得到混凝土偏心受壓柱截面抗力一曲線，平均值與標準差。驗算點法(JC)洛赫摩和漢拉斯在研究荷載組合時提出了按當量正態(tài)化條件， 將非正態(tài)隨機 變量當量為正態(tài)隨機變量進展可靠度計算的新方法。該方法較為直觀、易于理解, 是國際安全度聯(lián)合會推薦JCSS推薦使用的方法，又稱為JC法。需要驗算點的坐標值，但對于非正態(tài)隨機變量和

6、非線性極限狀態(tài)方程， 其坐 標值不能預先求得，所以需進展迭代計算。JC法可靠指標的具體計算步驟為:(1) 建立所分析問題的功能函數(shù)；(2) 明確抗力和各效應隨機變量的概率統(tǒng)計特征；(3) 用驗算點法JC法計算可靠指標B。通過 EXCEL軟件編制驗算點 JC法計算程序，進展迭代和循環(huán)引用計算。當滿足如下條件之一時停止迭代： 1最多迭代次數(shù)一一100次；2前后兩次B值的最大誤差小于 0.00001。BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡采用計算機來模擬生物體中神經(jīng)網(wǎng)絡的某些結(jié)構(gòu)和功能并應用于工程領域,是人工智能研究和應用的重要方法之一。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是由許多神經(jīng)元組成，權(quán)系數(shù)在神經(jīng)元之間起到連接作用，能從數(shù)據(jù)中自動進展歸

7、納提取這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在 關(guān)系，可以用來預測未知輸入樣本的輸出結(jié)果。表現(xiàn)出具有很強的非線性映射能 力。目前應用最為廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡是基于誤差反向傳播算法的多層前饋網(wǎng)絡即網(wǎng)絡，它能夠以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)最大熵原理1957年由Jaynes(1957提出的，熵的物理含義為：系統(tǒng)向外界表現(xiàn)的不確 定性程度越小，系統(tǒng)的信息熵越小，但系統(tǒng)的信息量就越大；與此相反，系統(tǒng)向 外界表現(xiàn)的不確定性程度越大，系統(tǒng)的信息熵越大，但系統(tǒng)的信息量越少。因此, 如果一組隨機變量的概率分布在邊界條件下使其信息熵最大，如此應對邊界條件具/、有“最小偏見的，這實際上是個優(yōu)化問題，即最大熵原理的定義。隨機有限元法采用有限元法分

8、析具有確定性物理模型的結(jié)構(gòu)可靠度，可先確定極限狀態(tài)函 數(shù)中每項參數(shù)如作用效應和結(jié)構(gòu)抗力等的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布； 再通過有限元分 析求出結(jié)構(gòu)的隨機反響，如結(jié)構(gòu)反響的平均值和標準差。繼而可根據(jù)常用的可靠 度計算方法比如一次二階矩法求出結(jié)構(gòu)的失效概率，但在實際工程中，很難得出結(jié)構(gòu)抗力與作用效應的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類 型，同時也很難建立起明確的功能函數(shù)。 這時可通過隨機有限單元法來計算， 即 采用蒙特卡洛隨機模擬與有限元相結(jié)合， 經(jīng)過大量的模擬，分析、判斷每次模擬 后結(jié)構(gòu)是否失效，累積總的失效次數(shù)，最后算出總的失效次數(shù)與總模擬次數(shù)的比 值，即為結(jié)構(gòu)的失效概率。表各1單元失效概率計算方法簡表計算方法主要

9、公式優(yōu)點缺點蒙特卡羅法 Monte-Carlo Method42f Nnr =g（耳u，畫如&J 、吐i相對精確，直接. 回謖了數(shù)學困難. 無轄再比極限狀 巻曲面的復雜性.模擬次數(shù)往往帯 要很大，在實際情 況下有時不揚做 到.一次二階矩法及其改進算法C<i =叫、-17(1=11)通俗易懂F易于操 作.不容易處理正態(tài) 甌機變量，只有功 能函數(shù)為線性時 才可得對粘確結(jié) 果.觸亂尸JC法%fx,（工：）可以處理非正態(tài) 騎機變運劭及變 員相關(guān)和變盤載 尾問題“對功能函數(shù)非線 性次數(shù)釵高情況 誤差較犬，迭代次 數(shù)較頭響應面法Z,= gt(X) = a + XXc*ii-i可U處理扱限狀

10、態(tài)方程衰達式不 明確問題.需參撫抽帛效率低*結(jié)構(gòu)可靠度計算 的幾何法目標函數(shù)：恥伽（廠廠f豹束條件；g（y4）=oi便用方便，迭代次 數(shù)少.收救較快。隨機變量的選取與其統(tǒng)計特征一、蠱力式世kt墻可靠度分析中隨機變最的選取匸朽十繪匕界巴設計的車魁內(nèi)容;Z呈確宦設計的梱關(guān)前機變量閣At舉分布尺參敢統(tǒng)汁特 筑準.根搖現(xiàn)打攔土墻的設訃方法.擋土墻可霜皮設計所涉及的闢機變蜃可分為衣下幾類：匚與土性肆數(shù)宥關(guān)的隨機變量這類腿機變雖是捋土墻£計中最重要Ku它們包括堆后填土的更度、瑕料的內(nèi)耳攥角卩、粘聚力埴勞學擦角荃底障擦乘數(shù)荃底吸限眞載力無及熔后塡土的邊界簫件（坡血 形式及路甚面以上荷楓等威中填土電

11、曳八填料的內(nèi)摩擴角卩、粘餐力c堵背靡擦角5是 既喰土壓力大小的主耍兩素本論文中芳上墻可拿度研究的璽點是堵背土壓力、填料內(nèi)摩操 5 耙聚力端甘摩擦角乩 基屁摩擦系數(shù)r基旌極限承戟力的概率分比炎型及統(tǒng)計夢數(shù) (加國佰和童異系裁等h從商為計算捋七培的可熊性搖標$或失效概率P,提供荃就數(shù)據(jù).2擋土墻址幅本身的變界性:編構(gòu)木身的變片性較送土性鑒數(shù)的變界性監(jiān)小，崔捋土埴抗 慎執(zhí)幻、抗W換覘狀感設計中可參照建站蜻拘設訛中OKU土謨計規(guī)砲(GBSOT10-20Q2) 和I砌棒第掏誅計規(guī)范為(1D500D1 - 200041的有黃內(nèi)海逬存計算.W葡機變撬的統(tǒng)計特征：描土墻(路堤墻或路扃墻)的墻后填土往性經(jīng)過卒同

12、程度的搬運、壓實彎過程.因此，其持 性更接圾于雲(yún)塑土，用垂第土的試驗數(shù)據(jù)可観更能反映攔土墻后螟土的實際箱況.增背療擦甬/足挖丄垢設U申所獨有的.理行艦范的作法圧視具體情況取牛與塡士內(nèi) 睜擦角成一定比例的數(shù)值口如在漿砌片石情況下，取”二箔護.在混礙土情阮下'取乳=%護 在宦值設計方怨十，這種做肚或許足討以的。但任町竈度設計中*就不能完全按閤這種撤法. 畢査墻背除擦埔/除了與填上的內(nèi)摩掘蔭有關(guān)艸還生翌取按于增背的斜糙程度、±1&背坡率 等*擔掇率分布類型茂變異系黴翱會有所不同.殛底摩掠系數(shù)/是抬上墻抗祈隱定性的垂累銖證.日荊擋土墻垃計中的璉底摩掠系數(shù)由 丁話邏了 定斷安全

13、系數(shù).其值并不是極眼狀態(tài)下的數(shù)值而里搖近F客許值*因此.按現(xiàn)行 規(guī)范中規(guī)定的菇底摩擦廂眾進行対土韁的可霏度計算，計畀出的抗滑動的可靠指標那偏N 木文中作了這方面的試驗研究*以確立在彊瑕狀杏下攔上墻的基底摩擦系歡怖概奉分布良統(tǒng) 計參數(shù)值Q:如何建立套筒灌漿連接的抗力和作用效應的概率模型，分析其分布規(guī)律和有關(guān)統(tǒng)計參數(shù)？1抗力分析建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)一標準目前往往采用間接分析方法，即對影響抗力的主要因素進展統(tǒng)計分析， 然后 根據(jù)各因素與抗力之間的函數(shù)關(guān)系，釆用誤差傳遞公式就可以求得抗力的統(tǒng)計特 征值。影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力變異的因素很多，以混凝土而言，加載速度、加載齡期、養(yǎng)護條件等因素都對其抗力的大小產(chǎn)生一定的影響

14、。但是，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計規(guī)X的強度公式中主要包括材料性能與截面幾何尺寸。因此，這里主要討論三大因素：材料性能的不定性、幾何參數(shù)的不定性和計算模式的不定性確定構(gòu)件計算模式不定性需首先計算每個構(gòu)件承載力實測值與計算值的比 值，再按照概率統(tǒng)計的方法，計算平均值和變異系數(shù)，由此得出計算模式不定性的 平均值（ykP）和變異系數(shù)（S kP）。同現(xiàn)廳的工斤結(jié)構(gòu)可靠度欣計筑一折淮一用，考慮結(jié)構(gòu)抗力隨時間變化時抗力i'tj 不確足性可分為材料性鏈的不確定檸.兒何蔘數(shù)的不確定性和計算模：不確癥性。tt 力隔機過程模型可表示為莖中.心為描述譏算機式不確定艸的融機變址.心®為結(jié)構(gòu)的訂算抗力.可以表達為和

15、口酣第i種材料的材料性能和相應的幾何參瓶 足時間t的函數(shù)對于鋼朗混饑土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)由iHt土和翔翎兩種材料組成.囲此鋼筋混擬土第構(gòu)的 制料性能應考恵棍曜土和鋼崩兩個方面。一些文獻冋通過調(diào)杳分析給出混凝土強度和詡 筋強痕的址計鑫數(shù)隨時御的變化規(guī)律，基本形式星將混凝土或鋼筋強度初始時刻的統(tǒng)計 多數(shù)乘議-邛時間的聞定性函數(shù)列有 些文猷冋11接將解構(gòu)的抗力殖機過程衷示為G26)其中凡為e-0時給構(gòu)構(gòu)件的抗力，4f）為一確定性船啊數(shù)*這是一個非常簡單的陳機過程模趣，同時假定結(jié)構(gòu)t時劇抗力的隨機性依籲于口0葉和航力的隨機性.若結(jié)構(gòu)抗力J?（ntn分茹槪型不隨旳測變化.則平均值和變異系數(shù)分別為在式3中序函數(shù)(。

16、視為確走姓函數(shù)只是-種近似處理方法書實上，函數(shù) 僅與結(jié)構(gòu)釦成材無有關(guān)如剳筋透辿速度受混凝土保護層厚度、混凝土抗蟲強供辱因 素影響，而且與壞境國素的變化有關(guān).而結(jié)枸村料閃紊果一個葩機變量，環(huán)境的變化是 牛陋機過私 因此，也數(shù)也是一個隧機過桂。釵據(jù)宜際拯傷構(gòu)件承載力試驗給果，損傷構(gòu)件的承載力在考慮幾柯弓卞扌相愼 傷的基翻上町按規(guī)范公式計算=若進一步老電計舁膜式的不定性1,則服枳結(jié) 構(gòu)兇抗Zl衰減模型可以表示九隨乂胃/； (O. (f>l<3-22式中：人)是計算模式不芒性隨機變邑*見畫芥1?)是規(guī)池規(guī)定的抗力腱數(shù)式；£(6直分別為第i中材料性能與幾何毎數(shù)，隨劈役時|口1變化；

17、 熱是鋼筋與混鼐十協(xié)同工帶爲數(shù)，耽值見文11321農(nóng)J-1訐身夷真不定性BE機變量哀籍構(gòu)構(gòu)件愛力狀態(tài)%軸心受擔1.00(104飩筋混凝1.00ao5土解心受壓1.00結(jié)構(gòu)構(gòu)件曼彎1.00ao斗受勢1.00035(2)荷載效應的統(tǒng)計特征有關(guān)荷載的統(tǒng)計參數(shù)由建筑結(jié)構(gòu)統(tǒng)一標準編委會荷載組根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計資料進展分析求出一是隨機變量概型，如與時間無關(guān)的永久荷載作用；二是隨機過程概型, 如與時間相關(guān)的可變荷載作用樓面活荷載、風荷載等?，F(xiàn)階段我國將各類型可變荷載作用模型均取為平穩(wěn)二項隨機模型。其主要特點是隨機過程任意時點分布都是一樣的，不隨時間變化。它的優(yōu)點是分析簡便； 缺點是在任意時段內(nèi)假定作用不變化，不符

18、合臨時性活荷載的實際情況以與人為 確定任意時段持續(xù)時間的劃分，不盡科學。各種永久作用性質(zhì)不同，概率分布也不一樣，須米用不同的隨機變量模型進行模擬。在顯著水平 =0.05下，恒載G服從正態(tài)分布概型，故對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu) 構(gòu)件自重采用正態(tài)分布概型。荷我和用累計損傷混凝土劣化鋼筋話t*1承我力剛度表面狀現(xiàn)1安全性適用件夕卜觀蛋3-1影響結(jié)掏抗*及夕卜觀的舌叢(3)功能函數(shù) Z=R-S混凝土偏心受壓柱的可靠度分析對于混凝土偏壓柱的可靠度分折，其關(guān)鍵的問題是構(gòu)建一個什么樣的極限狀態(tài)方程，即怎樣去建立一個破壞準如此。例子：1、以管片實測的最大裂縫寬度達到允許裂縫寬度作為達到正常使用極限狀態(tài)的 標志Z=R-S=

19、min fmax 0最大裂縫寬度的實測值 2、忽略次要影響因素，其余統(tǒng)計量均采用實驗數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計值 或根據(jù)規(guī)X規(guī)定取值，視為常量。敏感性因素分析分析結(jié)構(gòu)靜強度可靠度計算中的敏感性因素。 每個隨機變量用各自的概率分 布形式和相應的分布參數(shù)描述。研究結(jié)果明確 ：結(jié)構(gòu)的靜強度可靠度指標對外荷 載比對抗力的取值更為敏感，特別是當荷載的變異系數(shù)較大時尤為如此。由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析是用隨機變量來描述分析中的各種不確定因素 并用分布形式、均值、方差等來描述隨機變量 ，通過對包含隨機變量的安全余量 方程的計算來完成的。因此，分析各隨機變量的均值與方差變化對系統(tǒng)可靠度的 影響，即可進展敏感性因素分析結(jié)構(gòu)靜強

20、度可靠性計算中存在大量的不確定性因素，包括結(jié)構(gòu)抗力、材料強 度、結(jié)構(gòu)計算模型、荷載取值等。這些不確定性因素對可靠度U分析結(jié)果的影響各不一樣，即U對這些不確定性量的敏感程度各不一樣。按上述方法對一簡單 剛架結(jié)構(gòu)靜強度可靠性計算中的一些不確定性因素進展分析，以確定U對哪些量的變化最為敏感。為此假設：1）結(jié)構(gòu)由理想彈塑性材料構(gòu)成；2）結(jié)構(gòu)失效是由一系列塑性鉸的出現(xiàn)而導致的,塑性鉸只在構(gòu)件連接與集中荷載作用處形成；3）不考慮構(gòu)件的穩(wěn)定等其它失效方式。結(jié)構(gòu)的失效模式在結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設計法設計的理論中 ，結(jié)構(gòu)構(gòu)件有各種不同的極限狀態(tài) 或者是失效模式，如拉、壓、彎、剪、扭等。但是在結(jié)構(gòu)體系的可靠性分析中 ，需 要將構(gòu)件的這些失效模式進一步理想化成下述三種形式。1延性失效這種構(gòu)件在達到極限狀態(tài)前表現(xiàn)為彈性，達到極限狀態(tài)后如此表現(xiàn)為塑性，但 是能夠維持其承載能力不變。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的受彎構(gòu)件（適筋梁），大偏心受壓 構(gòu)件與受拉破壞的塑性鉸，均可以歸為此類。2脆性失效這種構(gòu)件在達到極限狀態(tài)前表現(xiàn)為彈性或者彈塑性，達到極限狀態(tài)后如此表 現(xiàn)為脆性破壞，喪失其承載能力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的受彎構(gòu)件（超筋梁），小偏心受 壓構(gòu)件與受壓破壞的塑性鉸等均可以歸為此類。3彈性失效這種構(gòu)件在達到極限狀態(tài)（過大變形）表現(xiàn)為彈性。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析的數(shù)學模型1串聯(lián)系統(tǒng)由構(gòu)件組成的串聯(lián)系統(tǒng)