極端條件下建筑結(jié)構(gòu)可靠度論文

極端條件下建筑結(jié)構(gòu)可靠度摘要本文首先介紹了結(jié)構(gòu)可靠度的概念，結(jié)構(gòu)可靠度極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)可靠度常用的概率分布，然后綜述了常用的可靠度分析方法，包括均值一次二階矩法、改進一次二階矩法等，并且對各種方法的優(yōu)缺點分別進行了比較說明。再結(jié)合一些特殊的工程條件對結(jié)構(gòu)可靠度進行進一步的分析，這些工程條件包括：風荷載，地震作用，疲勞情況等三種狀況。對于這些特殊情況下的工程破壞情況，荷載大小，可靠度分析方法等方面進行了歸納總結(jié)。關鍵詞：一次二階矩；風荷載下結(jié)構(gòu)可靠度；地震情況下結(jié)構(gòu)可靠度；疲勞情況下結(jié)構(gòu)可靠度。

TOC\o"1-3"\h\u17654摘要 17468關鍵詞： 1177831前言 370422.結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念 3183232.1結(jié)構(gòu)可靠度相關定義 3102332.2結(jié)構(gòu)可靠度極限狀態(tài) 4193052.3結(jié)構(gòu)可靠度常用概率分布 6317132.3.1正態(tài)分布 682072.3.2對數(shù)正態(tài)分布 7166282.3.3極值I型分布 8274982.3.4極值II型分布 8256752.3.5極值III型分布 8291323.結(jié)構(gòu)可靠度常用的分析方法 9322673.1均值一次二階矩法 990873.2改進一次二階矩法 9233563.3當量正態(tài)化法(JC法) 10265343.4蒙特卡羅法 10255244建筑結(jié)構(gòu)抗風可靠度分析 1159124.1風對建筑結(jié)構(gòu)可靠度影響 1192094.2結(jié)構(gòu)抗風可靠性分析的研究現(xiàn)狀 12284474.2.1國外結(jié)構(gòu)抗風可靠性分析的研究現(xiàn)狀： 12172814.2.2國內(nèi)結(jié)構(gòu)抗風可靠性分析的研究現(xiàn)狀： 12172294.3結(jié)構(gòu)抗風可靠度理論分析 13127414.3.1結(jié)構(gòu)在一次強風作用下的動力可靠度分析 13119624.3.2結(jié)構(gòu)在任意一次強風作用下的動力可靠度分析 14268684.3.3等效風荷載可靠度分析 14185355建筑結(jié)構(gòu)抗震可靠度分析 15233825.1基于可靠度的結(jié)構(gòu)地震易損性分析 15152685.2基于可靠度的結(jié)構(gòu)抗震性能設計 1521985.3基于可靠度的結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設計 16278106.鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度設計方法 17252266.1鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度現(xiàn)狀 17211456.2鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度分析的目的： 1795396.3基于可靠度理論的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范疲勞設計方法 18154096.4基于S-N曲線構(gòu)造分類法的疲勞可靠度評估 1993036.5疲勞失效極限狀態(tài)方程 1961506.5.1線性S-N曲線極限狀態(tài)方程 19245206.5.2疲勞失效動態(tài)極限狀態(tài)方程 20272676.6需要進一步研究的問題 2012807.結(jié)束語 219067參考文獻 23

1前言結(jié)構(gòu)工程耗資巨大，一旦失效不僅會給結(jié)構(gòu)本身和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失，通常還會產(chǎn)生難以預料的次生災害，因此安全性，可靠度歷來是工程中考慮的重要方面。工程結(jié)構(gòu)設計的主要目的在于以最經(jīng)濟的途徑來滿足建筑物的功能要求，而可靠度是滿足這一目的的有效控制參數(shù)。結(jié)構(gòu)的可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。其中規(guī)定的時間是指設計使用年限（不進行大修能夠使用的年限），而規(guī)定的條件包括的范圍包括方方面面，但是，我們可以通過考慮一些極端的條件來給出建筑結(jié)構(gòu)要滿足的要求。往往這些極端條件滿足要求了，再面對普通環(huán)境時，就比較容易考慮結(jié)構(gòu)可靠度的相關條件了。在眾多極端條件中，風荷載，震動作用，疲勞作用是最普遍且最具有代表性的。在工程實例中也是考慮的最多的。我們要對他們進行結(jié)構(gòu)可靠度分析。結(jié)構(gòu)可靠度分析有三個過程：一是搜集結(jié)構(gòu)隨機變量的觀測或試驗資料，用統(tǒng)計方法進行統(tǒng)計分析，求出其分布規(guī)律及有關的統(tǒng)計量，作為可靠度計算的依據(jù)；二是用力學的方法計算結(jié)構(gòu)的荷載效應，通過實驗與統(tǒng)計獲得結(jié)構(gòu)的抗力，利用結(jié)構(gòu)的破壞標準建立結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程；三是計算結(jié)構(gòu)的可靠度（可靠指標和失效概率）。對結(jié)構(gòu)進行可靠度分析有兩個目的。我們對特殊工程環(huán)境下的結(jié)構(gòu)可靠度分析按照以上三個過程進行。2.結(jié)構(gòu)可靠度的基本概念2.1結(jié)構(gòu)可靠度相關定義根據(jù)當前國際上的一致看法，結(jié)構(gòu)可靠性定義為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。這里所說的“規(guī)定時間”是指設計假定的結(jié)構(gòu)使用時間，即設計基準期；“規(guī)定條件”是指結(jié)構(gòu)正常設計、正常施工和正常使用等條件；“預定功能”是指下面三項基本要求：（1）安全性。即要求結(jié)構(gòu)在規(guī)定條件下應能承受可能出現(xiàn)的各種作用（包括荷載、外加變形和約束變形等）以及遇到偶然事件時應能保持必需的整體穩(wěn)定性。（2）適用性。即要求結(jié)構(gòu)在正常使用時應具有良好的工作性能，例如，不能有過大的變形和開裂等。（3）耐久性。即要求結(jié)構(gòu)在正常維護下應能滿足預定的功能要求，并具有足夠的耐久性能。通常，我們將結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性總稱為結(jié)構(gòu)的可靠性，這是一種對結(jié)構(gòu)功能的定性概念。結(jié)構(gòu)可靠度是對結(jié)構(gòu)可靠性的概率度量，它是建立在統(tǒng)計數(shù)學的基礎上經(jīng)計算分析后確定的，是一種定量概念。研究結(jié)構(gòu)的可靠度就是為了使結(jié)構(gòu)能以最經(jīng)濟的途徑，即適當?shù)目煽慷葋頋M足各種預定功能的要求。2.2結(jié)構(gòu)可靠度極限狀態(tài)在結(jié)構(gòu)可靠度分析中，為了正確描述結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，必須明確規(guī)定結(jié)構(gòu)安全、適用、耐久以及結(jié)構(gòu)失效的界限（結(jié)構(gòu)模糊可靠度除外），這樣的界限稱為結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)的概念是前蘇聯(lián)學者在20世紀50年代初提出來的，現(xiàn)已為世界工程界所公認。我國《工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》對結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的定義為：整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不滿足規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)即為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是判別結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)為可靠還是失效的分界線。對于結(jié)構(gòu)的各種極限狀態(tài)，均應明確規(guī)定其標志和限值。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同的功能要求，結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)可劃分為三類：承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)和“破壞—安全”極限狀態(tài)。（1）承載能力極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形。承載能力極限狀態(tài)直接關系到結(jié)構(gòu)的安全性，任何工程結(jié)構(gòu)均需做承載能力極限狀態(tài)的設計，且要求其出現(xiàn)的失效概率相當?shù)?。當結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列情況之一時，即認為其超過了承載能力極限狀態(tài)：①整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如滑動、傾覆等）；②結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接處超過了材料的強度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度變形而不適于繼續(xù)承載；③結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系；④結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）。承載能力極限狀態(tài)的發(fā)生概率應當很低，因為這種狀況一般將導致人員傷亡和重大財產(chǎn)損失。（2）正常使用極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)對應于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值，關系到結(jié)構(gòu)的工作條件和耐久程度。一般來說，公路橋梁結(jié)構(gòu)均需做正常使用極限狀態(tài)的設計。當結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)下列情況之一時，即認為其超過了正常使用極限狀態(tài)：①影響正常使用或外觀的變形；②影響正常使用或耐久性能的局部破壞（包括裂縫）；③影響正常使用的振動；④影響正常使用的其它特定狀態(tài)。與承載能力極限狀態(tài)相比較，正常使用極限狀態(tài)對安全的危害較小，故可降低可靠度要求，但是仍然應予以足夠的重視。對于橋梁結(jié)構(gòu)，構(gòu)件有稍大的變形雖然一般不會導致破壞，但若梁的擾動過大，會導致橋面行車的不平順，影響車輛通行速度，且使橋面易于積水和破壞，由于梁端的轉(zhuǎn)動而使支撐面積改變，車輛行駛時將會引起過大的沖擊和振動，產(chǎn)生噪音或引起人們心理上的不安全感和生理上的不舒適感；對于鋼筋混凝土構(gòu)件，過大的裂縫，不僅影響結(jié)構(gòu)的耐久性，有礙觀瞻，有時還會導致重大的工程事故；鋼結(jié)構(gòu)中的微裂紋常常導致疲勞破壞，這樣的災難性事故是時有發(fā)生的。（3）“失效—安全”極限狀態(tài)這種極限狀態(tài)又稱為條件極限狀態(tài)。超過這種極限狀態(tài)而導致的破壞是指容許結(jié)構(gòu)物發(fā)生局部破壞，而對已發(fā)生局部破壞的結(jié)構(gòu)的其余部分，應該仍具有適當?shù)目煽慷龋芾^續(xù)承受降低了的設計荷載。其指導思想是：當偶然事件發(fā)生后，要求結(jié)構(gòu)仍保持完整無損是不現(xiàn)實的，也是沒有必要和不經(jīng)濟的，故只能要求結(jié)構(gòu)不致因此而造成更嚴重的損失。這種設計理論在橋梁抗震和連拱推力墩的計算等方面經(jīng)常使用。“失效—安全”極限狀態(tài)要求的是結(jié)構(gòu)在受到偶然荷載作用時能保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。當偶然事件發(fā)生的概率較大時，一般需要考慮這種極限狀態(tài)。我國《工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》（GB50153—1992）將極限狀態(tài)劃分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，但同時指出，隨著技術的進步和科學的發(fā)展，在工程結(jié)構(gòu)上還應考慮“連續(xù)倒塌極限狀態(tài)”，即萬一個別構(gòu)件局部破壞，整個結(jié)構(gòu)仍能在一定時間內(nèi)保持必需的整體穩(wěn)定性，防止發(fā)生連續(xù)倒塌。廣義地說，這是為了避免出現(xiàn)與破壞原因不相稱的結(jié)構(gòu)破壞。這種狀態(tài)主要是針對偶然事件，如撞擊、爆炸等而言的。2.3結(jié)構(gòu)可靠度常用概率分布2.3.1正態(tài)分布若連續(xù)型隨機變量x的概率分布密度函數(shù)為：（2.1）其中μ為平均數(shù)，σ2為方差，則隨機變量x服從正態(tài)分布，記為x～N(μ,σ2)。相應的概率分布函數(shù)為：（2.2）圖2-1正態(tài)分布密度曲線分布密度曲線如下圖所示：圖2-1正態(tài)分布密度曲線稱μ=0,σ2=1的正態(tài)分布為標準正態(tài)分布。2.3.2對數(shù)正態(tài)分布若連續(xù)型隨機變量x的自然對數(shù)為正態(tài)變量，則稱x為對數(shù)正態(tài)分布的隨機變量。其概率分布密度函數(shù)為：（2.3）其中即lnx的均值且，即lnx的標準差且相應的概率分布函數(shù)為：（2.3）分布密度曲線如下圖所示：圖2-2對數(shù)正態(tài)分布密度曲線2.3.3極值I型分布屬于最大值型分布。概率密度函數(shù)：（2.4）其中；其概率分布函數(shù)為：（2.5）2.3.4極值II型分布屬于最大值型分布。概率密分布函數(shù)：（2.6）其中；（2.7）（2.8）2.3.5極值III型分布屬于最小值型分布。概率密分布函數(shù)：(2.9)其中(2.10)(2.11)3.結(jié)構(gòu)可靠度常用的分析方法3.1均值一次二階矩法在通常情況下，隨機變量的統(tǒng)計信息中一階矩（均值）和二階矩（方差和協(xié)方差）最容易得到。一次二階矩法（First-orderSecond-momentmethod，F(xiàn)OSM）就是只利用隨機變量的前二階矩去求解結(jié)構(gòu)可靠度的方法。這類方法需要將功能函數(shù)在某點用Taylor級數(shù)展開并僅取其常數(shù)項和一次項，然后通過數(shù)理統(tǒng)計直接計算結(jié)構(gòu)的可靠度，故稱為一次二階矩法。當功能函數(shù)(一般指R-S型)中的隨機變量服從正態(tài)分布時，可以很方便地利用正態(tài)分布函數(shù)計算結(jié)構(gòu)的可靠概率或失效概率，但當隨機變量不服從正態(tài)分布，此時的可靠指標只是可靠度的一個比較含糊的近似代用指標。對于非線性的功能函數(shù)，則在隨機變量平均值處，通過泰勒級數(shù)展開的方法，將其近似為線性函數(shù)，再求平均值和標準差，該法就是現(xiàn)在所稱的中心點法。二階矩模式形式簡單，但其缺點也很明顯:如不能考慮隨機變量的分布類型，只是直接取用隨機變量的前一階矩和二階矩；將非線性功能函數(shù)在隨機變量的平均值處展開不合理，由于隨機變量的平均值不在極限狀態(tài)曲面上，展開后的線性極限狀態(tài)平面可能會較大程度的偏離原來的極限狀態(tài)曲面；對于有相同力學含義但數(shù)學表達式不同的極限狀態(tài)方程，求得的結(jié)構(gòu)可靠指標不同。3.2改進一次二階矩法為了克服均值一次二階矩法解答非唯一性的問題，很多學者提出了改進的方法。由可靠指標的幾何意義知，可靠指標為標準正態(tài)坐標系中原點到線性的極限狀態(tài)平面的最短距離，因此人們將一次二階矩法的線性化點選為極限狀態(tài)曲面距離原點最近的點，通常把這一點稱為設計驗算點。依此得到的方法稱為改進的一次二階矩法，它是結(jié)構(gòu)可靠度最基本的計算方法。改進一次二階矩法將線性化點選在設計驗算點，不僅算法穩(wěn)定，而且從可靠指標的幾何意義來看也是合情合理的，這明顯優(yōu)于均值一次二階矩法。因此，工程實際可靠度計算中，改進一次二階矩法已作為求解可靠指標的基礎。不過，這種可靠度計算方法要求各隨機變量為統(tǒng)計獨立的正態(tài)分布，而工程結(jié)構(gòu)中的隨機變量并非都是正態(tài)分布的，如風、雪等荷載一般不是正態(tài)分布，而是極值I型分布或分布。要解決這個問題，就需要通過數(shù)學變換將非正態(tài)分布隨機變量當量化或映射變換為正態(tài)分布隨機變量，下面介紹這兩種變換方法——當量正態(tài)化法和映射變換法。3.3當量正態(tài)化法(JC法)當量正態(tài)化法是拉克維茨和菲斯萊（Rackwitz-Fiessler）、哈索弗爾和林德（Hasofer-Lind）等人先后提出來的。該法已經(jīng)為國際安全度聯(lián)合委員會（JCSS）所推薦采用，故稱JC法。它適用于隨機變量為任意分布的結(jié)構(gòu)可靠指標的求解，原理通俗易懂，計算精度一般情況下能滿足工程實際需要。我國1986年頒布的《建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》和1999年頒布的《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》中都規(guī)定采用JC法計算結(jié)構(gòu)的可靠度?？煽恐笜丝梢院芎玫孛枋鼋Y(jié)構(gòu)的可靠度，但它要求所有隨機變量都服從正態(tài)分布，這往往與實際情況不相符，因此要通過數(shù)學變換來解決。如果隨機變量之間不相關，常用的變換方法有三種:一是采用Rosenblatt變換，轉(zhuǎn)換為線性無關的標準正態(tài)隨機變量；二是將非正態(tài)隨機變量按等概率原則映射為標準正態(tài)隨機變量；三是按當量正態(tài)化條件，將非正態(tài)隨機變量當量為正態(tài)隨機變量。事實上，后兩種方法實質(zhì)上是一致的，但第二種方法較為直觀，易于為工程技術人員理解，被國際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合會(JCSS)推薦使用，通常稱為JC法。3.4蒙特卡羅法蒙特卡羅（MonteCarloSimulation，MCS）法又稱隨機抽樣法、概率模擬法、數(shù)值模擬法或統(tǒng)計試驗法，是通過隨機模擬和統(tǒng)計試驗來求解結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值方法。由于它以概率論和數(shù)理統(tǒng)計理論為基礎，故被人們以聞名世界的賭城蒙特卡羅命名，以突顯其隨機性的特征。在目前的結(jié)構(gòu)可靠度計算方法中，蒙特卡羅法被認為是一種相對精確的方法，常用于結(jié)構(gòu)可靠度其它近似方法計算精度的檢驗。從數(shù)學意義上講，結(jié)構(gòu)的失效概率就是結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機性變化導致結(jié)構(gòu)失效的概率。由概率的定義知，某事件發(fā)生的概率可以用大量試驗中該事件發(fā)生的頻率來估算。因此，可以先對影響結(jié)構(gòu)可靠度的隨機變量進行大批隨機抽樣，然后把這些抽樣值一組一組地代入結(jié)構(gòu)功能函數(shù)中，統(tǒng)計出令結(jié)構(gòu)失效的樣本數(shù)目，從而求得結(jié)構(gòu)失效的頻率。蒙特卡羅方法可用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度分析，也可用于結(jié)構(gòu)體系的可靠度分析。對于并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系，由于極限狀態(tài)曲面上只有一個最重要區(qū)域，抽樣分布中心取在聯(lián)合驗算點處；對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系，由于每一個極限狀態(tài)曲面上都有一個重要區(qū)域，每一個驗算點都應取作抽樣中心，在確定了總的抽樣次數(shù)后，按每一個重要區(qū)域（或?qū)臉O限狀態(tài)曲面的失效概率）對結(jié)構(gòu)體系失效概率的影響程度，來決定以每一個驗算點作抽樣分布中心時的模擬次數(shù)，最后再根據(jù)影響程度合成結(jié)構(gòu)體系的失效概率。因為串聯(lián)結(jié)構(gòu)體系的失效邊界是不連續(xù)的凸函數(shù)，在應用方向重要抽樣法來分析這種體系失效概率方面有較多的研究。在時變結(jié)構(gòu)可靠度分析方面，也有一些研究用Monte-Carlo方法估計荷載的外跨閾率。4建筑結(jié)構(gòu)抗風可靠度分析4.1風對建筑結(jié)構(gòu)可靠度影響風災損失的主要部分是工程結(jié)構(gòu)的損壞和倒塌川。風遇到建筑物時,將在建筑物表面產(chǎn)生壓力或吸力,這種風力作用稱為風荷載。風荷載是各種工程結(jié)構(gòu)特別是高、大、細、長等柔性工程結(jié)構(gòu)的主要設計荷載。氣流一遇到結(jié)構(gòu)的阻塞,就形成高壓氣幕。風速愈大,對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力也愈大,從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形和振動。結(jié)構(gòu)物如果抗風設計不當,或者產(chǎn)生過大的變形會使結(jié)構(gòu)不能正常的工作,或者使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部破壞,甚至整體破壞?？梢?風對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響包括安全性、適用性、耐久性三個方面,而結(jié)構(gòu)可靠度理論是研究結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的基本方法。可靠度理論更加真實、客觀地反映了結(jié)構(gòu)抗力和風荷載的特性,結(jié)構(gòu)的抗風設計應該扎根于這個堅實的理論基礎,使抗風設計更加科學,更加符合客觀實際。因此,為了避免工程事故重演和減少經(jīng)濟損失,在工程結(jié)構(gòu)設計中實現(xiàn)安全與經(jīng)濟的目的,就要進行抗風可靠性分析。隨著地球氣溫的不斷升高,臺風造成的災害將越來越嚴重,我國沿海地區(qū)建筑行業(yè)有必要重視建筑結(jié)構(gòu)的抗臺風可靠性分析。4.2結(jié)構(gòu)抗風可靠性分析的研究現(xiàn)狀4.2.1國外結(jié)構(gòu)抗風可靠性分析的研究現(xiàn)狀：1.在國際上,加拿大學者Dvaenport在研究風荷載作用響應的不確定性因素影響時,提出了風荷載鏈概率模型,該方法只給出了風荷載的不確定性影響,未涉及結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性;2.Karenel根據(jù)試驗和現(xiàn)場實測的研究,討論了風環(huán)境、氣象數(shù)據(jù)、風的脈動、風與結(jié)構(gòu)相互作用和結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性因素,并利用MnoetCarl方法對鋼筋混凝土煙囪進行了響應的不確定性分析，研究了風環(huán)境以及結(jié)構(gòu)的許多不確定性因素對結(jié)構(gòu)風荷載響應極大值及其變異性的影響,采用簡單數(shù)值模擬技術進行不確定性參數(shù)誤差傳遞分析,應用一次二階矩法計算結(jié)構(gòu)的可靠度指標；3.PrenLnger等對于懸索橋和斜拉橋分別進行了抗風可靠性研究,討論了風荷載作用下主梁跨中截面應力引起的結(jié)構(gòu)失效概率,但該研究沒有考慮抖振作用對結(jié)構(gòu)可靠度的影響。4.2.2國內(nèi)結(jié)構(gòu)抗風可靠性分析的研究現(xiàn)狀：國內(nèi)的研究集中在風荷載的不確定性研究以及橋梁、塔架、渡槽、幕墻等結(jié)構(gòu)的抗風可靠性分析。歐進萍等在建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準(GBJ68一84)規(guī)定的隨機靜風荷載(平均風壓)的基礎上,校準了結(jié)構(gòu)抗風設計的可靠指標并討論了動風效應峰值因子的取值和影響,從而為結(jié)構(gòu)抗風可靠度分析和設計提供了方便實用的風荷載模型。1.金偉良等根據(jù)寧波市鄲縣歷史臺風記錄統(tǒng)計資料,選擇了代表性的9015號臺風和9711號臺風,分析得出其風壓概率特性。2.李創(chuàng)地、李桂青等用板理論建立了幕墻的線性和非線性風振響應分析模型,繼而用振型分解法建立了線性風振響應的計算公式,給出了幕墻線性和非線性抗風動力可靠性分析的一套方法。3.何學兵等基于蒙特卡羅法,提出了點支幕墻體系抗風撓度控制可靠性分析方法,得到了不同風壓分布模型下幕墻最大位移的累積分布函數(shù)和抗風可靠度。4.高險峰等分析了大型塔架結(jié)構(gòu)在風載下的可靠度,根據(jù)塔架體系的特點,在危險區(qū)段內(nèi)尋找主要失效路徑,借助有限元法同時考慮多種構(gòu)件失效模型,建立失效構(gòu)件及失效路徑的失效函數(shù),并用Ditlvesne窄界限法確定結(jié)構(gòu)可靠度。5.羅乃東、趙國藩利用風荷載作用下的高層、高聳建筑結(jié)構(gòu)動響應特性,采用振型分解法并結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》推導出結(jié)構(gòu)動力響應統(tǒng)計參數(shù)的計算公式,并根據(jù)隨機振動的極值理論,利用得到的統(tǒng)計參數(shù),采用正態(tài)分布法計算了抗風結(jié)構(gòu)在一次強風作用下的動力可靠度,然后通過風荷載出現(xiàn)頻率的泊松分布假設,分析得到了抗風結(jié)構(gòu)在設計基準期內(nèi)的動力可靠度計算公式。6.羅乃東等認為在動力響應分析中,最大的荷載效應與最大的荷載之間沒有完全的對應關系,在結(jié)構(gòu)的抗風動力可靠度分析中是否可以采用設計基準期最大荷載取決于給出的限值水平,但一般采用年最大風荷載進行可靠度分析均可以得到較可靠的結(jié)論。7.董安正、趙國藩在《建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》給出的年最大風壓分布模型的基礎上,得出了高層建筑結(jié)構(gòu)在兩種實用計算模式下結(jié)構(gòu)頂點位移的概率分布及其統(tǒng)計參數(shù),結(jié)合《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》(JG3J一91)規(guī)定的結(jié)構(gòu)頂點位移限值,得出了高層建筑結(jié)構(gòu)在統(tǒng)一標準下的年最大風壓模型作用下位移控制的失效及其可靠度指標。4.3結(jié)構(gòu)抗風可靠度理論分析研究等效風荷載的可靠度必然涉及到結(jié)構(gòu)抗風可靠度理論。風是隨機性極強的自然現(xiàn)象，一次強風平均風速的大小是隨機的，而在強風作用的時間內(nèi)，風速的大小又是隨時間隨機變化的。因此風荷載的隨機性包括兩個方面：平均風的隨機變量性和脈動風的隨機過程性。因此結(jié)構(gòu)抗風可靠度分析應該分為兩步，首先求出在平均風強度為確定值時的風荷載作用下結(jié)構(gòu)不失效的條件概率，在根據(jù)平均風概率分布，求出結(jié)構(gòu)在任意的風荷載作用下的可靠度。4.3.1結(jié)構(gòu)在一次強風作用下的動力可靠度分析當平均風為一確定值時，脈動風為一隨機過程，那么結(jié)構(gòu)在風載持時內(nèi)的響應也為一隨機過程。所以，結(jié)構(gòu)在該次強風中的可靠度，即為結(jié)構(gòu)風振響應在強風作用時間[0,T]內(nèi)沒有穿越界限值的概率。而如前文所述，結(jié)構(gòu)動力可靠度分析存在兩種破壞機制：首次超越破壞機制和疲勞破壞機制。前者因其簡單實用而得到廣泛的研究，本文也采用這種破壞機制。首次超越破壞機制認為當結(jié)構(gòu)控制參數(shù)超過一定的限值結(jié)構(gòu)即破壞，此時結(jié)構(gòu)在一次強風中的可靠度為：（4.1）式中，s(t)為平均風和脈動風作用下結(jié)構(gòu)響應的疊加.第三章已經(jīng)列出了多種動力可靠度的求解方法：Rayleigh分布法、Gauss分布法、Poisson過程法、蒙特卡羅法以及第四章推導的基于隨機過程精確極值分布的動力可靠度算法。由于最后一種算法有其固有的優(yōu)越性，本文采用該算法進行動力可靠度分析。4.3.2結(jié)構(gòu)在任意一次強風作用下的動力可靠度分析風荷載的隨機性還體現(xiàn)在任意一次強風的平均強度也是不確定的，因此上節(jié)所求的實際上是平均風為特定值下的條件概率，因此結(jié)構(gòu)在任意一次強風作用下的可靠度應為：（4.2）4.3.3等效風荷載可靠度分析在實際的結(jié)構(gòu)設計時，一般通過控制等效風荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應來保證結(jié)構(gòu)的安全。但是通過前文的分析可知，實際自然界中的風隨機性相當強，那么結(jié)構(gòu)在實際風作用下的響應就有可能大于等效風荷載作用下的響應，此時結(jié)構(gòu)失效的可能性就大大增加。因此，我們可以將等效風荷載的可靠度等價為實際風荷載作用下結(jié)構(gòu)的響應不超過等效風荷載作用下結(jié)構(gòu)響應的概率。5建筑結(jié)構(gòu)抗震可靠度分析5.1基于可靠度的結(jié)構(gòu)地震易損性分析地震易損性是指在不同強度地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生各種破壞狀態(tài)的條件概率,相當于結(jié)構(gòu)的一種廣義抗力。地震易損性分析是地震風險分析的重要組成部分,是結(jié)構(gòu)抗震可靠度理論在地震風險分析領域的進一步延伸;同時,地震易損性又是在更為廣義的地震動層面上的結(jié)構(gòu)整體抗震可靠度的組成部分。目前,結(jié)構(gòu)的地震易損性分析主要有兩大類方法,第一類稱為“經(jīng)驗易損性分析”,通常由專家根據(jù)大量的震害調(diào)查數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,給出破壞概率矩陣,然后對破壞概率進行曲線擬合,從而繪制出地震易損性曲線;第二類稱為“解析易損性分析”,當前國內(nèi)外的研究者們主要采用基于確定性有限元分析的蒙特卡洛模擬法獲得大量的地震易損性數(shù)據(jù),作為統(tǒng)計分析的樣本。5.2基于可靠度的結(jié)構(gòu)抗震性能設計基于性能的抗震設計理論的核心思想是使所設計的結(jié)構(gòu)在設計基準期內(nèi),在未來的地震災害作用下,能夠滿足各種預定的性能目標或功能要求。目前國內(nèi)外已經(jīng)提出了多種具體的抗震性能設計方法,如基于位移的設計方法、基于能量的設計方法、基于損傷的設計方法、能力設計方法、延性設計方法等,但是這些方法都是確定性的。事實上,地震的發(fā)生在時間、空間和強度上都具有強烈的隨機性同時,地震動還具有隨機過程特性。在隨機地震作用下,工程結(jié)構(gòu)的地震反應(或需求)自然具有隨機性。此外,由于觀測誤差、制造缺陷、數(shù)學模型能力的不足、試驗數(shù)據(jù)的樣本有限以及各種人為錯誤等因素,也會造成結(jié)構(gòu)的需求和能力存在大量的不確定性。因此,在設計過程中,設計者應該充分考慮這些不確定性,采用基于可靠度概率設計方法。隨著結(jié)構(gòu)可靠度理論的發(fā)展和成熟,基于可靠度的概率設計方法已經(jīng)成為當前各類工程結(jié)構(gòu)設計總的發(fā)展趨勢。作為結(jié)構(gòu)抗震設計的未來發(fā)展方向,基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設計也應該以結(jié)構(gòu)可靠度理論為基礎。目前,性能設計的發(fā)源地“太平洋地震工程研究中心”正在制定抗震性能設計的概率框架。采用基于可靠度的概率設計方法已經(jīng)成為抗震性能設計理論的必然發(fā)展趨勢。現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設計方法采用的是荷載抗力系數(shù)設計表達形式,這種設計方法實質(zhì)上是基于構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的近似概率設計,存在很多缺點:其一,荷載與抗力分項系數(shù)是利用按以往規(guī)范設計的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平均可靠度進行校準得到的,這樣設計出來的結(jié)構(gòu)可靠度指標不一致,有可能分布在一個很大的范圍內(nèi);其二,結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算模式與構(gòu)件承載力計算模式不一致,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析采用的是一階線彈性理論,而在計算構(gòu)件的承載力時,卻考慮幾何非線性或材料非線性的影響;其三,現(xiàn)行設計理論以結(jié)構(gòu)構(gòu)件為設計對象,只能保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的名義可靠度水平,而不能保證結(jié)構(gòu)體系承載極限狀態(tài)的可靠度水平;其四,現(xiàn)行抗震設計規(guī)范只在承載能力極限狀態(tài)方面實現(xiàn)了近似概率設計,而在彈性變形驗算和彈塑性變形驗算方面仍然停留在確定性的驗算水平。因此,現(xiàn)行的荷載抗力系數(shù)設計方法應該向更能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體設計水平的需求能力系數(shù)設計方法轉(zhuǎn)變。需求能力系數(shù)設計方法是在結(jié)構(gòu)體系層次上的一種解析表達形式,目前,結(jié)構(gòu)整體可靠度理論和需求能力系數(shù)設計方法相結(jié)合,正在對鋼框架結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)體系形式進行概率抗震性能設計研究。5.3基于可靠度的結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設計基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計屬于水準四的最優(yōu)概率設計,是結(jié)構(gòu)概率設計的最高層次,難度也最大,因此一直是國內(nèi)外的熱點研究課題。該方法以結(jié)構(gòu)的全生命周期費用最小為優(yōu)化目標,將結(jié)構(gòu)體系或構(gòu)件的可靠度滿足預定的目標可靠度作為約束條件。目前,結(jié)構(gòu)在未來地震作用下的全生命周期費用最小已經(jīng)成為抗震性能設計理論的最終發(fā)展目標。通過對抗震結(jié)構(gòu)最優(yōu)設防烈度決策理論和全壽命預期總費用最小優(yōu)化設計方法的研究,可以證明抗震結(jié)構(gòu)最優(yōu)設防烈度與最優(yōu)可靠度的一致性。6.鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度設計方法6.1鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度現(xiàn)狀疲勞失效是承受循環(huán)荷載的構(gòu)件或連接的主要失效模式之一。以往結(jié)構(gòu)疲勞分析采用的是確定性方法，現(xiàn)在國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)疲勞分析開始向可靠度方向發(fā)展。 ２０世紀７０年代，Ｗｉｒｓｃｈｉｎｇ首先對承受隨機波浪荷載的海洋工程結(jié)構(gòu)管節(jié)點進行了可靠度分析［１］，此后逐漸在鋼橋、風機、核電站等結(jié)構(gòu)中拓展。90年代至近期，Zhao，Byers，Szerszen，Chryssnthopoulos，Assakkaf等學者進行了這方面的研究工作。2005年，歐盟頒布實施EC3規(guī)范，對鋼結(jié)構(gòu)疲勞采用了可靠度設計方法。國內(nèi)在鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度方面研究很少，尚處于起步階段，主要的研究成果有：潘際炎對鐵路鋼橋疲勞問題做了較多的試驗和理論研究；幸坤濤對在役鋼結(jié)構(gòu)吊車梁疲勞剩余壽命進行了評估，并對中國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中８類構(gòu)造細節(jié)進行了目標可靠指標校準分析；王春生利用線彈性斷裂力學方法對國內(nèi)幾座鉚接鋼橋的疲勞可靠度進行了評估；鄧揚基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)對鋼橋的疲勞可靠性進行了研究；方華燦、胡毓仁等在海洋鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度方面做了許多工作。6.2鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度分析的目的：1.建立以可靠度理論為基礎的設計方法；2.對已服役結(jié)構(gòu)的可靠度評估。第２個問題可從兩個方面著手：（1）ＳＮ曲線構(gòu)造分類法。S-N曲線構(gòu)造分類法依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造細節(jié)的疲勞試驗獲取的S-N曲線，并輔以疲勞累積損傷原理（Miner準則）來分析鋼結(jié)構(gòu)的疲勞問題；（2）斷裂力學方法（Paris定律）。與S-N曲線構(gòu)造分類法不同，斷裂力學方法是以疲勞裂紋的擴展為出發(fā)點，結(jié)合結(jié)構(gòu)可靠度理論分析鋼結(jié)構(gòu)的疲勞問題。6.3基于可靠度理論的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范疲勞設計方法為體現(xiàn)規(guī)范的一致性，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范（如EC3規(guī)范）疲勞可靠度設計仍應采用分項系數(shù)的形式，便于工程設計人員查用。以下介紹幾個疲勞可靠度設計分項系數(shù)的確定方法。1.1990年，Roik撰寫了鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)栓釘疲勞可靠度的研究報告，報告采用了極限狀態(tài)設計法確定栓釘疲勞抗力和疲勞荷載效應的分項系數(shù)。如疲勞荷載效應與疲勞抗力服從對數(shù)正態(tài)分布，則分項系數(shù)的計算式為：(6.1)(6.2)其中：（6.3）式中：,分別是疲勞荷載效應和疲勞抗力的分項系數(shù)；β為可靠指標；、分別為疲勞荷載效應和疲勞抗力的標準差；、可分別稱為疲勞荷載效應和疲勞抗力離散性的分位值因子。若確定了分位值因子，且疲勞抗力的標準差、疲勞荷載效應的標準差、目標可靠指標已知時，則可利用公式(6.1)計算疲勞抗力和疲勞荷載效應的分項系數(shù)。1999年，Assakkaf提出了船舶結(jié)構(gòu)疲勞可靠度設計的荷載抗力分項系數(shù)設計法，設計表達式為：（6.4）式中：ｋｔ為疲勞應力計算不確定性因子；，A為相應疲勞抗力分項系數(shù)；、，為相應疲勞荷載效應的分項系數(shù)；A,m為構(gòu)造細節(jié)的性能參數(shù)。2005年，歐盟頒布并且實施了EC3規(guī)范，采用了以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計法，以分項系數(shù)的形式用于構(gòu)件和連接的疲勞設計。EC3規(guī)范的貢獻在于：（1）統(tǒng)計了使用跨度達30年的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造細節(jié)的疲勞強度數(shù)據(jù)，建立了疲勞強度數(shù)據(jù)庫，并給出了構(gòu)造細節(jié)分類表格和疲勞強度曲線，供設計人員查用；（2）分別給出了疲勞荷載效應和疲勞抗力分項系數(shù)建議值，前者建議取1.0，后者建議，根據(jù)疲勞失效后果的4種程度可分別取1.0,1.2,1.25,1.35。3.2006年，Eurocode3part-6吊車梁設計規(guī)范開始征求意見稿，采用了與EC3規(guī)范相同的疲勞設計表達式、疲勞荷載效應和疲勞抗力的分項系數(shù)建議值。4.2008年，Kosteas提出了歐洲鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞設計的可靠度方法，給出了疲勞強度標準差、疲勞荷載效應標準差、可靠指標、分項系數(shù)之間的關系式如下：(6.5)6.4基于S-N曲線構(gòu)造分類法的疲勞可靠度評估疲勞強度曲線，即疲勞破壞時的強度與循環(huán)次數(shù)（壽命）的關系曲線，簡稱為S-N曲線。S-N曲線由疲勞試驗數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析得到，一般以對數(shù)化后的直線方程表示：(6.6)(6.7)式中:為常幅應力幅；N為在常幅應力幅作用下疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)（壽命）。6.5疲勞失效極限狀態(tài)方程由于疲勞問題中存在大量不確定性因素，如：材料性能、工作環(huán)境的不確定性；變量的分布特征和分布函數(shù)的統(tǒng)計推斷帶來的不確定性等，如何在疲勞失效極限狀態(tài)方程中考慮這些不確定性因素是保證預測結(jié)果準確與否的關鍵所在。國內(nèi)外一些學者建立了多個典型的疲勞失效極限狀態(tài)方程，現(xiàn)分析如下。6.5.1線性S-N曲線極限狀態(tài)方程19世紀70年代，Wirsching承擔了海洋工程結(jié)構(gòu)焊接管節(jié)點疲勞設計的研究課題，經(jīng)過四年的努力，取得了豐碩的研究成果。1984年，Wirsching根據(jù)損傷準則建立了海洋工程結(jié)構(gòu)焊接管節(jié)點疲勞失效極限狀態(tài)方程：(6.8)式中：Ｂ為描述疲勞應力計算的不確定性隨機變量;Ω為應力參數(shù)6.5.2疲勞失效動態(tài)極限狀態(tài)方程鋼結(jié)構(gòu)在服役期間，疲勞荷載和疲勞抗力會隨時間的發(fā)展而變化，即疲勞荷載和疲勞抗力都為隨機過程。疲勞動態(tài)可靠性定義為：在規(guī)定的時間內(nèi)，在正常使用和維護條件下，考慮疲勞荷載與疲勞抗力隨時間變化，結(jié)構(gòu)不發(fā)生疲勞破壞的概率。由疲勞動態(tài)可靠性的定義可知，在疲勞失效極限狀態(tài)方程中考慮時間的變化被認為更與實際相符。幸坤濤認為在鋼結(jié)構(gòu)服役期間，疲勞荷載沒有較大變化，疲勞荷載與時間無關。但將疲勞失效極限狀態(tài)方程中的日循環(huán)次數(shù)Ｎｔ視為確定值。而Deng的研究表明，日循環(huán)次數(shù)的變異性對可靠指標的影響不能忽視，但研究中同樣也未做低應力修正。6.6需要進一步研究的問題以上綜述的國內(nèi)外一些疲勞失效極限狀態(tài)方程已應用在海洋工程、工業(yè)建筑、鋼橋等多個領域。隨著研究的深入，提出的疲勞失效極限狀態(tài)方程逐漸趨于更加精細化，考慮因素增多，出現(xiàn)了雙線性、動態(tài)疲勞失效極限狀態(tài)方程，促使鋼結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評估更為精確。但是，必須承認，目前鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度的研究嚴重匱乏，遠遠落后于設計的需要。究其原因，是由于疲勞問題受到許多微觀和細觀因素、局部構(gòu)造細節(jié)的影響，十分復雜。正是由于疲勞問題的復雜性，目前還需要通過大量的試驗來掌握疲勞性能的規(guī)律，然而，目前投入于疲勞試驗的經(jīng)費極其有限。為了發(fā)展和完善鋼結(jié)構(gòu)疲勞可靠度設計，還需在以下一些方面開展更多的研究：（1）確定鋼結(jié)構(gòu)疲勞設計的分項系數(shù)是一個難度很大的問題，需要獲得眾多構(gòu)造細節(jié)的疲勞強度試驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。可通過以下兩種互補的途徑去實現(xiàn)：一是收集歸納以往的疲勞試驗數(shù)據(jù)，但由于年代已久，數(shù)據(jù)記錄保存不當，這往往難以收集全面；二是進行新的疲勞試驗，這需要大量經(jīng)費和時間的投入。（2）在鋼結(jié)構(gòu)疲勞失效極限狀態(tài)方程中，重要的統(tǒng)計參數(shù)之一是疲勞應力幅的分布特征。因此開展疲勞荷載效應的長期實測分