結(jié)構(gòu)可靠度論文

結(jié)構(gòu)可靠度論文淺談工程結(jié)構(gòu)可靠性理論學院（系）： 建設工程學部專業(yè)：結(jié)構(gòu)工程名：學號： 師： 大連理工大學DalianUniversityofTechnology摘要結(jié)構(gòu)的可靠性包括安全性、適用性、耐久性和偶然作用下的整體穩(wěn)定性。保證結(jié)構(gòu)的可靠性是結(jié)構(gòu)設計的基本和根本問題，任何一項與結(jié)構(gòu)設計有關的研究都與結(jié)構(gòu)的可靠性相關，例如，材料性能研究、構(gòu)件受力性能和破壞機理研究、荷載分析、安全系數(shù)的確定等，所以可靠性是一個含義非常廣的概念。本文簡要概述了工程結(jié)構(gòu)采用可靠性理論的優(yōu)勢和結(jié)構(gòu)可靠性理論方法，繼而論述了結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展歷史，最后簡單闡述了可靠性理論的研究和應用現(xiàn)狀，并展望了未來的發(fā)展趨勢。關鍵詞：工程結(jié)構(gòu)；可靠性理論；發(fā)展；應用現(xiàn)狀目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘 要 II\o"CurrentDocument"1 概述 1\o"CurrentDocument"2采用可靠性理論的優(yōu)勢 1\o"CurrentDocument"3結(jié)構(gòu)可靠性基本理論方法 2\o"CurrentDocument"4工程結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展歷史及應用現(xiàn)狀 3\o"CurrentDocument"4.1結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展歷史 3\o"CurrentDocument"4.2結(jié)構(gòu)可靠性理論的應用現(xiàn)狀 4\o"CurrentDocument"5工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究未來的發(fā)展趨勢 5\o"CurrentDocument"5.1正常使用極限狀態(tài)可靠度的研究 5\o"CurrentDocument"5.2結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的研究 5\o"CurrentDocument"5.3結(jié)構(gòu)模糊可靠度的研究 5\o"CurrentDocument"5.4結(jié)構(gòu)動力可靠度的研究 5\o"CurrentDocument"5.5結(jié)構(gòu)體系可靠度的研究 6\o"CurrentDocument"結(jié) 論 7\o"CurrentDocument"參考文獻 81概述工程結(jié)構(gòu)的安全性歷來是設計中的重大問題，這是因為結(jié)構(gòu)工程的建造耗資巨大，一旦失效不僅會造成結(jié)構(gòu)本身和人民生命財產(chǎn)的巨大損失，還往往產(chǎn)生難以估量的次生災害和附加損失。工程結(jié)構(gòu)不僅關系到國計民生，還會影響到一個國家的現(xiàn)代化進程。因此保證結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期內(nèi)能夠承受設計的各種作用，滿足設計要求的各項使用功能及具有不需過多維護而能保持其自身工作性能的能力是至關重要的。無論是擬建結(jié)構(gòu)還是己有結(jié)構(gòu)，它們均應滿足以下的功能要求：（1） 在正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種作用；（2） 在正常使用時具有良好的工作性能；（3） 在正常維護下具有足夠的耐久性能；（4） 在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。2采用可靠性理論的優(yōu)勢在規(guī)定的時間和條件下，工程結(jié)構(gòu)完成預定功能的概率，是工程結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量。工程結(jié)構(gòu)可靠性，是指在規(guī)定時間和條件下，工程結(jié)構(gòu)具有的滿足預期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由于影響可靠性的各種因素存在著不定性，如荷載、材料性能等的變異，計算模型的不完善，制作質(zhì)量的差異等，而且這些影響因素是隨機的，因而工程結(jié)構(gòu)完成預定功能的能力只能用概率度量。結(jié)構(gòu)能夠完成預定功能的概率，稱為可靠概率；結(jié)構(gòu)不能完成預定功能的概率，稱為失效概率。我國在以結(jié)構(gòu)可靠性理論為基礎對各類建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范修訂、影響結(jié)構(gòu)可靠性的不確定因素分析、在役結(jié)構(gòu)的檢驗、可靠性評定、維修決策、結(jié)構(gòu)診斷專家系統(tǒng)與加固修復技術、結(jié)構(gòu)耐久性和剩余壽命估計、結(jié)構(gòu)防災減災與結(jié)構(gòu)抗風、抗震控制等理論和技術多方面已經(jīng)取得了重要的基礎研究成果并部分應用于工程實際，減少了一般的地震災害就可造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，從而有效的保證人民生命和財產(chǎn)安全?？傊?，結(jié)構(gòu)可靠度方法的重要意義，在于對結(jié)構(gòu)安全性檢驗提出了建立在概率分析基礎上的一系列性的概念，原理，方法和衡量標準，綜合考慮了工程結(jié)構(gòu)中的各種不確定因素，對結(jié)構(gòu)可靠性有了一個客觀的統(tǒng)一度量，并且力求達到最佳的經(jīng)濟效益，將失效概率限制在人們實踐所能接受的適當程度上，為人類社會的不斷進步作出貢獻。3結(jié)構(gòu)可靠性基本理論方法一次二階矩法：按照現(xiàn)行結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準的定義結(jié)構(gòu)可靠度為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成預定功能的概率。結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究，起源于對結(jié)構(gòu)設計、施工和使用過程中存在的不確定性的認識，以及結(jié)構(gòu)設計風險決策理論中計算結(jié)構(gòu)失效概率的需要。早期的可靠度計算方法是只考慮隨機變量平均值和標準差的所謂“二階矩模式”?？慷扔每煽恐笜吮硎?。對于結(jié)果功能函數(shù)隨機變量服從正態(tài)分布的情形，在概率密度曲線坐標中，功能函數(shù)的平均值為曲線的峰值點到結(jié)構(gòu)功能函數(shù)等于0（極限狀態(tài)方程）點的距離，可用標準差的倍數(shù)表示，這個倍數(shù)就是二階矩模式中的可靠指標。而如果將結(jié)構(gòu)功能函數(shù)隨機變量線性變換為一個標準正態(tài)隨機變量，則在新的概率密度曲線坐標中，可靠指標為坐標原點到極限狀態(tài)面的距離。將這一幾何概念進行推廣，提出了結(jié)構(gòu)可靠指標的新定義，將可靠指標定義為標準正態(tài)空間內(nèi)（隨機變量的平均值為0，標準差為1）坐標原點到極限狀態(tài)曲面的最短距離。原點向曲線垂線的垂足為驗算點?？梢院苋菀椎淖C明如此定義的可靠指標，也是將非線性功能函數(shù)在其驗算點處線性化后的線性函數(shù)所對應的二階矩模式的可靠指標。國際上常用的變換方法稱為JC法，國內(nèi)提出了簡便實用、精度與JC法相差不多的實用分析法。在上面的可靠度分析方法中，無論隨機變量服從正態(tài)分布還是不服從正態(tài)分布，無論隨機變量是相關的還是不相關的，都只使用了結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的一次項（或泰勒展開級數(shù)的線性項）和隨機變量（或當量正態(tài)化隨機變量）的前二階矩，因此統(tǒng)稱為一次二階矩方法。為與中心點法相區(qū)別，一般將同時求驗算點的可靠度分析方法稱為驗算點法，有時也稱為改進的一次二階矩方法。二次二階矩法：如前所述，以標準正態(tài)空間內(nèi)坐標原點到極限狀態(tài)曲面的最短距離定義的結(jié)構(gòu)可靠指標所對應的是在驗算點處線性化的極限狀態(tài)方程（或超切平面）的可靠指標，它沒有反映極限狀態(tài)曲面的凹凸性，在極限狀態(tài)方程的非線性程度較高時誤差較大。Breitung在1984年給出一個考慮了極限狀態(tài)曲面在驗算點處主曲率的失效概率漸近計算公式，具體分析時首先根據(jù)計算可靠指標時得到的靈敏系數(shù)（或方向余弦）向量應用Gram-Schmidt標準正交化方法產(chǎn)生正交矩陣，然后對隨機變量進行正交變換（即轉(zhuǎn)軸），整個計算過程要涉及復雜的矩陣分析和行列式運算。由于計算時考慮了結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程的二次非線性，故稱為二次二階矩方法。其他方法：上面介紹的可靠度分析方法無論是一次方法還是二次方法都是在標準正態(tài)空間建立的，當隨機變量不服從正態(tài)分布時要按照前面的方法映射或正態(tài)化為正態(tài)隨機變量。除此之外，還有一種不需要變換而直接進行分析的方法，稱為原始空間內(nèi)的可靠度分析方法，同樣也包括一次方法和二次方法。在結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究中，還提出了同時考慮其他不確定性的可靠度分析方法。如將隨機性與模糊性相結(jié)合而形成的模糊可靠度分析方法，考慮隨機變量概率分布參數(shù)（如平均值標準差）統(tǒng)計不確定性的可靠度分析方法。將傳統(tǒng)的有限元方法與可靠度方法相結(jié)合而形成的隨機有限元方法是分析大體積結(jié)構(gòu)可靠度的有效方法等。4工程結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展歷史及應用現(xiàn)狀4.1結(jié)構(gòu)可靠性理論的發(fā)展歷史結(jié)構(gòu)可靠性理論的產(chǎn)生，是以20世紀初期把概率論及數(shù)理統(tǒng)計學應用于結(jié)構(gòu)安全度分析為標志，在結(jié)構(gòu)可靠性理論發(fā)展初期，只有少數(shù)學者從事這方面的研究工作，如1911年匈牙利布達佩斯的卡欽奇就是提出用統(tǒng)計數(shù)學的方法研究荷載及材料強度問題。1926年德國的邁耶提出了基于隨機變量均值和方差的設計方法，這是最早提出應用概率理論進行結(jié)構(gòu)安全度分析的學者之一。1926?1929年，前蘇聯(lián)的哈奇諾夫和馬耶羅夫制定了概率設計的方法，但當時方法不夠嚴格，因此并未付諸實施。1935年斯特列律斯基，1947年爾然尼欽和蘇拉等人相繼發(fā)表了這方面的文章，結(jié)構(gòu)安全度的研究逐漸開始進入了應用概率論和數(shù)理統(tǒng)計學的階段。值得提出的是弗羅伊登徹爾差不多和爾然尼欽等人同時展開了結(jié)構(gòu)可靠性的研究工作。他提出的在隨機荷載作用下結(jié)構(gòu)安全度的基本問題首次得到工程界的贊同和接受。1947他發(fā)表了“結(jié)構(gòu)安全度”一文奠定了結(jié)構(gòu)可靠的理論基礎。從20世紀40年代初期到60年代末期，是結(jié)構(gòu)可靠性理論發(fā)展的主要時期?，F(xiàn)在所說的經(jīng)典結(jié)構(gòu)可靠性理論概念大致就是這一時期出現(xiàn)的。隨著結(jié)構(gòu)可靠性理論研究工作的深入，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可靠性理論得到了全面的發(fā)展，概率論的結(jié)構(gòu)設計方法也逐漸被工程界所接受。到了20世紀80年代后期，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性理論研究工作已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)工程中的研究熱點，并已出版許多專著，對于復雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析和先進的計算方法蓬勃發(fā)展。主要有以下幾方面熱點：（1）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析。（2）對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析的改進，除考慮強度極限狀態(tài)外，還應考慮結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)、破壞安全極限狀態(tài)，以及地震和其他特殊情況下考慮能量損耗極限狀態(tài)。（3）目標可靠度的量化問題。（4）人為差錯的分析。（5）在役結(jié)構(gòu)的可靠性評估與維修決策問題。（6）模糊隨即可靠度的研究。我國對結(jié)構(gòu)可靠性理論的研究工作開展的較晚，20世紀60年代土木工程界曾廣泛開展過結(jié)構(gòu)安全度的研究與討論：20世紀70年代把半經(jīng)驗半概率的方法用于結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中去，并于1980年提出《結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》。從此，結(jié)構(gòu)可靠性理論的應用才在國內(nèi)開展。工程結(jié)構(gòu)設計方法經(jīng)歷丁不同的發(fā)展階段。從最早的“容許應力法”，到“破損階段設計法”。這一轉(zhuǎn)變在結(jié)構(gòu)設計方法的演變過程中起到非常重要的作用。園為破損階段設計法確定構(gòu)件的極限承載力時考慮了鋼筋混凝土材料的塑性性能在內(nèi).因而更符合材料的實際情況。我國在1955年制定的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計暫行規(guī)范》中采取的就是破損階段設計法方法。隨后在破損階段設計法進一步發(fā)展的基礎上又提出了極限狀態(tài)設計法。該法與現(xiàn)在使用的概率極限狀態(tài)設計法有相同之處，但并非以概率的理論為基礎。其中規(guī)定了三種極限狀態(tài)(承載能力、變形、裂縫)。分別進行計算或驗算。對于安全系數(shù)，則區(qū)別荷載、材料、工作條件等不同情況采用不同的系數(shù)，而不是籠統(tǒng)的用單一的安全系數(shù)來表達。我國于1966年又頒布了以容許應力為依據(jù)的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》。上述采用的三個系數(shù)的極限狀態(tài)設計法后來又演變成為多系數(shù)分析、單系數(shù)表達的極限狀態(tài)法，這反映在我國1974年頒布的《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中。日前我國《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中采用的概率極限狀態(tài)設計法則又向前發(fā)展了一步。該法運用概率的方法給出結(jié)構(gòu)可靠度的計算，屬于概率的范疇，但由于該法在運算過程中還帶有一定的近似性，故只能視為近似概率法。由半概率半經(jīng)驗的設計方法發(fā)展到近似概率設計法表明結(jié)構(gòu)設計達到了一個新的水平。4.2結(jié)構(gòu)可靠性理論的應用現(xiàn)狀目前的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法僅局限于隨機變量不相關的情形，而實際工程中，有些情況下隨機變量可能是相關的，如以自重為主要荷載的結(jié)構(gòu)的恒荷載與結(jié)構(gòu)的抗力，這時需要考慮隨機量間的相關性。有人提出了廣義隨機空間的概念，建立了廣義隨機空間內(nèi)考慮隨機變量相關性的結(jié)構(gòu)可靠度實用分析方法，擴大了現(xiàn)有可靠度分析方法的適用范圍。與國外的方法相比，不需進行正交變換，計算簡便。目前的結(jié)構(gòu)可靠指標是針對線性極限狀態(tài)方程或線性化極限狀態(tài)方程而言的，它只適用于構(gòu)極限狀態(tài)方程非線性程度不高的情況，而實際工程中程中有些情況下的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程非線性程度可能很高，這時需考慮極限狀態(tài)方程的非線性項。而基于拉普拉斯(Laplace)逼近原理學的提出，使我國工程結(jié)構(gòu)設計規(guī)范躋身于世界先進慮了極限狀態(tài)方程的二次非線性的影響，提高了計算精度。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠度分析都是在正態(tài)空間進行的，當隨機變量不服從正態(tài)分布時，則需當量正態(tài)化或映射變換為正態(tài)隨機變量，若非正態(tài)隨機變量的概率分布函數(shù)不存在顯式，上述變換較為困難。而原始隨機空間內(nèi)可靠度分析的一次和二次方法的提出，這一方法不使用隨機變量的概率分布函數(shù)而只使用概率密度函數(shù)，降低了對初始條件的要求，避免了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可靠度分析方法遇到的困難。（4）大型復雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移一般要用有限元方法進行分析，這時結(jié)構(gòu)的響應與結(jié)構(gòu)上作用荷載之間的關系不能再用一個顯式來表達，當對結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行可靠度分析時，所建立極限狀態(tài)方程也不再是一個顯式，從而造成了迭代求解可靠指標的困難。應用響應面的概念，而與結(jié)構(gòu)可靠度幾何法相結(jié)合的響應面法得提出，給出了新的計算迭代格式。該方法便于與通用的有限元軟件聯(lián)接，以求解大型復雜結(jié)構(gòu)的可靠度。5工程結(jié)構(gòu)可靠性理論研究未來的發(fā)展趨勢5.1正常使用極限狀態(tài)可靠度的研究比起承載力破壞，結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)中出現(xiàn)的裂縫、變形等問題要廣泛的多對人民的正常生活影響也更為直接。因此，對于正常使用極限狀態(tài)的研究應加以深化。如使用狀態(tài)的失效應明確界定；對影響使用的各種因素應進行研究，并以概率和可靠度形式加以探討等。5.2結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的研究結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的分析包括結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)材料的疲勞性能、反復荷載的統(tǒng)計技術、疲勞累積損傷準則和可靠度分析方法等幾個方面?；炷两Y(jié)構(gòu)疲勞問題的研究要比鋼結(jié)構(gòu)的研究相應晚一些，但是其發(fā)展速度較快，并且已經(jīng)成為系統(tǒng)的分析計算理論。隨著計算機技術的提高，重大工程和特殊建筑結(jié)構(gòu)的疲勞可靠度設計得到了發(fā)展。通過計算機，可以測試結(jié)構(gòu)構(gòu)件荷載效應譜和進行統(tǒng)計分析。同時，在進行結(jié)構(gòu)疲勞可靠度設計時，為了求得結(jié)構(gòu)構(gòu)件關鍵部位材料的應力譜，需要了解材料在變幅重復應力下的變形性能，為此應加強對結(jié)構(gòu)材料疲勞性能和材料本構(gòu)關系的研究。5.3結(jié)構(gòu)模糊可靠度的研究結(jié)構(gòu)的模糊可靠度就是應用模糊概率分析研究結(jié)構(gòu)的可靠度。模糊性是由于邊界的不清晰引起的，它是工程實際設計中兩種不確定性中的一種。由于使用年限的增長，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全性能越來越低。因此對結(jié)構(gòu)隨機模糊性的研究，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可靠度的評估具有重要的現(xiàn)實意義。5.4結(jié)構(gòu)動力可靠度的研究結(jié)構(gòu)動力可靠度的研究包括抗風結(jié)構(gòu)可靠度的分析和抗震結(jié)構(gòu)可靠度的研究。對抗風結(jié)構(gòu)可靠度的研究，主要從安全度和舒適度來分析，其中安全度是重點?？癸L結(jié)構(gòu)的動力可靠度是指構(gòu)在強風作用下的安全度。對其的分析要涉及到風荷載的統(tǒng)計、結(jié)構(gòu)動力特性的計算、結(jié)構(gòu)靜力及動力反應的統(tǒng)計、結(jié)構(gòu)破壞的機理等，每個方面都十分復雜，需要認真地研究。對抗震結(jié)構(gòu)可靠度的研究，破壞性地震是帶來災難性后果的一種自然現(xiàn)象，抗震減災是全世界面對的重大課題。近年來國內(nèi)外相繼發(fā)生的一系列地震使這方面的研究進展更為人所關注?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)抗震可靠度的計算是一個重要的基礎性研究課題，但這方面的研究只是近十幾年才開展的。有人指出按現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設計思想“小震不壞，大震不倒”對結(jié)構(gòu)進行抗震設計所存在的問題。建議直接采用極限狀態(tài)方程進行抗震設計。有的對延性結(jié)構(gòu)和脆性結(jié)構(gòu)抗