土木工程结构可靠度理论与设计

同济⼤学⼟⽊⼯程第⼗⼀章混凝⼟结构的设计⽅法和理念第⼗⼀章混凝⼟结构的设计⽅法和理念⼀、计算理论⼆、结构的鲁棒性三、建筑结构设计理论的发展四、结构极限状态的基本概念五、结构可靠度的基本概念六、近似概率法在设计规范中的应⽤七、传统设计理念的启⽰z钢筋混凝⼟结构的有限元分析⽅法钢筋混凝⼟有限元法中，针对钢筋与混凝⼟两种材料组合特点、裂缝形成和扩展的特点，需要研究的主要问题有：①混凝⼟的破坏准则；②混凝⼟的本构关系；③钢筋与混凝⼟之间的粘结关系；④钢筋的本构关系；⑤裂缝处理；⑥对于长期荷载，还要考虑材料的时效，主要是混凝⼟的徐变、收缩和温度特性。

钢筋混凝⼟结构的有限元分析与⼀般固体⼒学有限元分析相⽐，其特点是：①材料的本构关系；②有限元的离散化。

考虑这些特点的钢筋混凝⼟结构的有限元模型有：①分离式模型；②组合式模型；③整体式模型；④有限区模型。

z钢筋混凝⼟结构的极限分析对于板、壳、连续梁、框架结构的极限承载⼒，采⽤极限分析法直接求解，是⼀个发展⽅向，并已有较多成果，但需保证结构的正常使⽤（限制裂缝和变形）和薄壁结构与细长压杆的稳定性，以及防⽌脆性的剪切破坏和钢筋锚固失效。

z混凝⼟断裂⼒学在计算理论中，另⼀个值得注意的发展⽅向是混凝⼟断裂⼒学在⽔⼯⼤坝中的应⽤。

z混凝⼟的收缩与徐变混凝⼟收缩与徐变的研究⼀直是混凝⼟计算理论中的⼀个重要⽅⾯，对⽔⼯混凝⼟及预应⼒混凝⼟的计算理论影响甚⼤。

我国⽔利⽔电科学研究院多年来进⾏了系统的研究，出版了专著《混凝⼟的收缩》和《混凝⼟的徐变》，对影响混凝⼟收缩和徐变的因素，结合我国⼯程实际情况，提出了估算收缩的⽅法，介绍了六种徐变计算理论。

z⼯程结构可靠度⼯程结构包括混凝⼟结构，在设计、施⼯、使⽤过程中，事物具有种种影响结构安全性、适⽤性和耐久性的不确定性，这些不确定性⼤致可分为：①事物的随机性：荷载、材料等随机性②事物的模糊性：如“正常使⽤”与“不正常使⽤”，耐久性“好”、“良好”、“不好”之间⽆明确界限③信息的不安全性：部分信息已知的系统成为灰⾊系统，在⼯程结构设计中由于对情况认知不完全，或对决策者不能提供完备的信息，就会遇到灰⾊系统问题。

土木工程常用术语英文翻译与名词解释Ⅱ第八节结构可靠性和设计方法术语工程结构的可靠性和设计方法术语及其涵义应符合下列规定：1.可靠性reliability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,它包括结构的安全性,适用性和耐久性,当以概率来度量时,称可靠度.2.安全性safety结构在正常施工和正常使用条件下,承受可能出现的各种作用的能力,以及在偶然事件发生时和发生后,仍保持必要的整体稳定性的能力.3.适用性serviceability结构在正常使用条件下,满足预定使用要求的能力.4.耐久性durability结构在正常维护条件下,随时间变化而仍能满足预定功能要求的能力.5.基本变量basic variable影响结构可靠度的各主要变量,它们一般是随机变量.6.设计基准期design reference period进行结构可靠性分析时,考虑各项基本变量与时间关系所取用的基准时间.7.可靠概率probability of survival结构或构件能完成预定功能的概率.8.失效概率probability of failure结构或构件不能完成预定功能的概率.9.可靠指标reliability index度量结构可靠性的一种数量指标.它是标准正态分布反函数可在可靠概率处的函数值,并与失效概率在数值上有一一对应的关系.10.校准法calibration通过对现存结构或构件安全系数的反演分析来确定设计时采用的结构或构件可靠指标的方法.11.定值设计法deterministic method基本变量作为非随机变量的设计计算方法,其中,采用以概率理论为基础所确定的失效概率来度量结构的可靠性.12.概率设计法probabilistic method基本变量作为随机变量的设计计算方法.其中,采用以概率理论为基础所确定的失效概率来度量结构的可靠性.13.容许应力设计法permissible(allowable)stresses method以结构构件截面计算应力不大于规范规定的材料容许应力的原则,进行结构构件设计计算方法.14.破坏强度设计法ultimate strength method考虑结构材料破坏阶段的工作状态进行结构构件设计计算的方法,又名极限设计法,苛载系数设计法,破损阶段设计法,极限荷载设计法.15.极限状态设计法limit states method以防止结构或构件达到某种功能要求的极限状态作为依据的结构设计计算方法.16.极限状态limit states结构或构件能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态,超过这一状态,结构或构件便不再满足对该功能的要求.17.极限状态方程limit state equation当结构或构件处于极限状态时,各有关基本变量的关系式.18.承载能力极限状态ultimate limit states结构或构件达到最大承载能力,或达到不适于继续承载的变形的极限状态.19.正常使用极限状态serviceability limit states结构或构件达到使用功能上允许的某一限值的极限状态.20.分项系数partial safety factor用极限状态法设计时,为了保证所设计的结构或构件具有规定的可靠,而在计算模式中采用的系数,分为作用分项系数和抗力分项系数两类.21.设计状况design situation以不同的设计要求,区别对待结构在设计基准期中处于不同条件下所受到的影响,作为结构设计选定体系,设计值,可靠性要求等的依据.22.持久状况persistent situation出现的持续时间长,几乎与结构设计基准期相同的设计状况.23.短暂状况transient situation出现的持续时间较短,而出现概率高的设计状况.24.偶然状况accidental situation偶然事件发生时或发生后,其出现的持续时间短,而出现概率低的设计状况.第九节结构上的作用、作用代表值和作用效应术语工程结构上的作用,作用代表值和作用效应术语及其涵义应符合下列规定：1.作用action施加在结构上的一组集中力或分布力,或引起结构外加变形或约束变形的原因.前者称直接作用,后者称间接作用.2.荷载load指施加在结构上的集中力或分布力.3.线分布力force per unit length施加在结构或构件单位长度上的力.4.面分布力force per unit area施加在结构或构件单位面积上的力,亦称压强.5.体分布力force per unit volume施加在结构或构件单位体积上的力.6.力矩moment of force力与力臂的乘积7.永久作用permanent action在设计基准期内量值不随时间变化的作用,或其变化与平均值相比可以忽略不计的作用.其中,直接作用亦称恒荷载.8.可变作用variable action在设计基准期内量值随时间变化且其变化与平均值相比不可以忽略的作用.其中,直接作用亦称活荷载.9.偶然作用accidental action在设计基准期内不一定出现而一旦出现其量值很大且持续时间较短的作用。

结构工程（土木方向）学科专业代码：081402 学科专业名称：结构工程一、培养目标研究生教育要面向现代化、面向世界、面向未来，培养德、智、体全面发展，具有创新意识和开拓精神，能适应社会发展、经济腾飞和科技进步需要的高层次人才。

为此要求研究生做到：1．学习马克思列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想，拥护中国共产党的领导，热爱祖国，遵纪守法，品德良好；积极为祖国现代化建设服务。

2．掌握本学科坚实的理论基础和系统的专门知识；掌握本学科的现代实验方法和技能；在所研究方向的范围内了解本学科发展的现状和趋势；具有从事科学研究工作和独立担负专门技术工作的能力；能熟练阅读本专业外文文献，并能用外文撰写论文摘要，有一定外语听说能力。

3．身体健康。

二、培养方式培养方式采取系统学习、科学研究和生产实践相结合的方法，课程学习与论文工作并重，可分阶段进行，也可平行交叉进行，课程学习实行学分制。

指导工作实行在学院领导下导师负责制或指导小组集体负责制。

指导教师根据培养方案的要求和因材施教的原则，针对研究生的具体情况确定培养类型、制定培养计划。

在培养过程中，要特别注重研究生自学、独立工作和创新能力的培养。

三、研究方向1.组合结构2.轻钢结构3.混凝土及预应力混凝土结构4.结构动力学及优化控制5.结构加固技术四、学习年限研究生的学习年限一般为2.5至3年，课程学习一般为一年至两年，可与论文工作同时进行，论文工作时间不少于一年。

硕士学位研究生的学习年限原则上不超过4年。

五、课程设置和学分研究生应按培养计划中规定的课程进行学习。

研究生课程由学位课、非学位课和必修环节三部分组成。

学位课为必修课程。

非学位课包括专业选修课程、交叉学科选修课程和公共选修课程等。

必修环节包括开题报告、参加学术活动等。

研究生课程学习的总学分要求不少于32学分，最多不超过35学分，其中学位课程学分不少于16学分，必修环节2学分。

除公共基础课外，一般课内18-20学时为1学分。

0814土木工程一级学科简介一级学科（中文）名称：土木工程（英文）名称： Civil Engineering一、学科概况土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。

它既指工程建设的对象，即建造在地下、地上、水中等的各类工程设施；也指其所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、管理、保养、维修等专业技术。

土木工程虽是一个历史悠久的古老学科，但在其伴随着人类社会进步的发展和演变过程中不断被注入新的内涵，其中材料的变革和力学理论的发展起着重要的推动作用。

远古时代，人类筑土以居、架木为桥，以满足简单的生活和生产需要；后来，为了适应生产生活、宗教传播以及战争的需要，兴建了城池、宫殿、寺庙、桥梁、运河以及其他各种工程设施。

近代以来，随着自然科学的诞生和发展，土木工程作为一门科学技术进入了以实验为基础的定量分析阶段：在材料方面，已由木材、石料、砖瓦、石灰为主逐渐发展到使用铸铁、水泥、钢筋混凝土、土工织物、钢材；在应用理论方面，材料力学、土力学、结构设计理论等学科逐步形成，为工程结构的安全与经济提供了理论支撑；在施工技术方面，不断出现的新机械和新工艺带来了施工技术的进步、建设规模的扩大、建造质量及速度的提升，并最终使人类生活发生了前所未有的巨大变化。

二次世界大战以后，以现代社会生产力发展为动力、以计算机等现代科学技术为背景、以现代工程材料为基础、以现代施工技术与测试技术为手段，土木工程进入了一个高速发展的新时代。

超大跨度桥梁、超长隧道、超高建筑、高速铁路和高速公路等在世界各地相继大量兴建。

在中国，一大批超高、超长、超大的标志性工程设施陆续完工，标志着我国正由土木工程大国向土木工程强国迈进。

目前，面临地震、台风等自然灾害的频发、自然资源的短缺、人类居住环境恶化以及人类向高空延伸、向地下发展、向海洋拓宽、向沙漠进军、向太空迈进的探索与发展，使得土木工程建设进入低碳节能的可持续发展阶段，在空间域上从单纯单体工程分析发展到对整体系统网络和环境的综合分析与智能控制，在时间域上从单纯使用阶段的安全设计发展到工程全寿命周期的精细化设计与可靠性管理，在深度上从单纯依靠专一学科深化到依靠多学科的交叉。

土木工程结构可靠度理论与设计摘要：在土木工程的结构设计中，首要考虑的便是可靠度的问题，可靠度又包括安全性、适用性、耐久性三个方面的问题，其是指在一定条件下，完成的土木工程结构功能达到预期的概率。

其计算要综合各方面地质环境和其他因素共同分析。

关键词：土木工程结构，可靠度由于土木工程施工环境复杂多样，故而影响其结构可靠性的因素也是千变万化，再加上受可能发生的地质变化、气候变化或是自然灾害的随机影响，对土木工程结构预期功能的工作效率不能直接盖棺定论，只能以概率来表示其可能拥有的工作效率，自然而然的就出现了了土木工程的可靠性问题。

一、土木工程结构可靠度概述土木工程结构可靠度，是指在规定的条件下，规定的时间内，工程结构能够达到的安全性、适用性以及耐用性。

其中安全性是指在施工过程中在各种施工环境下正常施工能给予施工人员的安全保障以及土木工程自身的抗灾害能力以及对高强度气候变化的耐受性两个方面，适用性则是指土木工程结构在完成后能达到预期功能，而耐久性是指在正常的后勤保障下能够正常使用的时间。

简单来讲，土木工程结构可靠度就是指在特定是时间与空间条件下，该土木工程结构完成后能够达到预期功能的概率。

也就是说，可靠度问题就是一个概率问题，其主要表达的是对投入的预期收入的概率性评价。

土木工程可靠度的计算需要综合原材料质量与数理、预期荷载、相关参数、函数的数理准确性等因素来共同考虑，在土木工程学界将这些因工程变化而变化的具有随机性的因素称为基本变量，并且在长期的实践与改进中，对每一个基本变量学界经过大量的统计计算得出了一个恒定定的数理函数。

二、土木工程结构可靠度的影响因素土木工程因需求而产生，其结构设计要充分考虑到雇主的需要，而后结合现场的实际情况，充分考虑到现场的地质状况与当地的气候环境等各项影响因素，才能设计出符合雇主需要且具有相当可靠性的土木工程结构。

（一）土木工程结构的随机性在实际工作中，土木工程结构设计以及施工除了受地理气候环境的影响外，还受到原材料以及包括道路、机电工程等基础设施的限制。

关于结构可靠度的一点理解可靠度理论是在上世纪80年代引进我国的，经过三十年的研究和发展，已经形成了中国特色的理论体系。

现在可靠度理论已经被写入建设规范，引导着结构向高质量方向发展。

1.可靠度理论的基本概念1.1可靠度的概念工程结构的设计应在经济合理的条件下满足如下要求：①能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用（包括荷载及外加变形或约束变形）；②在正常使用时具有良好的工作性能；③在正常维修和养护下，具有足够的耐久性；④在偶然事件（如地震、爆炸、龙卷风等）发生时及发生后，能够保持必要的整体稳定性[1]。

在上述四项中，第①、④项是指结构的安全性，第②项是指结构的适用性，第③项是指结构的耐久性。

所以结构可靠性的概念，应该包括三个方面：安全性、适用性及耐久性。

这三者是相互联系、相互影响的。

结构的可靠性可用可靠度指标β来衡量，β越大，就表示结构越可靠（即可靠度越大）。

1.2可靠度的不确定性因为结构在设计、施工和使用过程中常常会遇到各种不确定的因素影响，导致其在安全、适用及耐久上存在不确定性，这些不确定性又表现为以下几个方面：（1）随机性事物的条件和结果之间没有必然的因果联系，导致结果出现与否的不确定，无法根据现在状况推测未来的发展趋势。

（2）模糊性对于事物的分类界限不是很清晰，很难明确地划分到属于哪个类别。

（3）不完善性人们对世界知识无法做到完全掌握，总有未能探知的领域，对熟悉的领域也有未能完全掌握的知识，所以对某一单一物体无法做到完全的分析。

2.可靠度理论对结构设计的指导作用可靠度理论在结构上强调三个正常：正常设计、正常施工和正常使用[2]。

而其中最基本的是要保证正常设计，以确保结构的安全和使用功能。

2.1结构设计的安全性结构的安全度是结构存在的首要前提，在设计时，要按照最不利条件设计，保证结构在日常使用和突发事件时能做到“小震（众值烈度）不坏、中震（基本烈度）可修、大震不倒”。

具体的设计分两阶段，首先是按小震进行计算，使结构处于弹性阶段以保证不坏，然后进行构造设计以保证大震不倒[3]。