结构可靠度基本理论

结构可靠度分析基础和可靠度分析方法1一般规定1.1当按本文方法确定分项系数和组合值系数时，除进行分析计算外，尚应根据工程经验对分析结果进行判断并进行调整。

1.1.1从概念上讲，结构可靠行设计方法分为确定性方法和概率方法。

在确定性方法中，设计中的变量按定值看待，安全系数完全凭经验确定，属于早期的设计方法。

概率方法为全概率方法和一次可靠度方法。

全概率方法使用随机过程模型及更准确的概率计算方法，从原理上讲，可给出可靠度的准确结果，但因为经常缺乏统计数据及数值计算上的复杂性，设计标准的校准很少使用全概率方法。

一次可靠度方法使用随机变量模型和近似的概率计算方法，与当前的数据收集情况及计算手段是相适应的。

所以，目前国内外设计标准的校准基本都采用一次可靠度方法。

本文说明了结构可靠度校准、直接用可靠指标进行设计的方法及用可靠指标确定设计表达式中作用，抗力分项系数和作用组合值系数的方法。

1.2按本文进行结构可靠度分析和设计时，应具备下列条件：1具有结构极限状态方程；2基本变量具有准确、可靠的统计参数及概率分布。

1.2.1进行结构可靠度分析的基本条件使建立结构的极限状态方程和基本随机变量的概率分布函数。

功能函数描述了要分析的结构的某一功能所处的状态：Z>0表示结构处于可靠状态；Z=0表示结构处于极限状态；Z＜0表示结构处于失效状态。

计算结构可靠度就是计算功能函数Z＞0的概率。

概率分布函数描述了基本变量的随机特征，不同的随机变量具有不同的随即特征。

1.3当有两个及两个以上的可变作用时，应进行可变作业的组合，并可采用下列规定之一进行：（1）设m种作业参与组合，将模型化后的作业在设计基准期内的总时段数，按照顺序由小到大排列，取任一作业在设计基准期内的最大值与其他作用组合，得出m种组合的最大作用，其中作用最大的组合为起控制作用的组合；（2）设m种作用参与组合，取任一作用在设计基准期内的最大值与其他作业任意时点值进行组合，得出m种组合的最大作用，其中作用最大的组合为起控制作用的组合。

结构可靠度分析方法及相关理论研究共3篇结构可靠度分析方法及相关理论研究1结构可靠度分析方法及相关理论研究结构可靠度分析是一种研究结构安全性的方法。

通过对结构的设计、制造及使用过程中的不确定因素进行分析，预估结构因受力和外界干扰可能发生的损坏与破坏情况，并提供优化设计方案和预防措施，保证结构在使用中的可靠性和安全性。

在实际工程应用中，结构可靠度分析方法通常采用结构可靠度指标。

结构可靠度指标是用来刻画结构系统在特定的负荷和环境作用下表现出系统设计合理度和工程品质可靠性的数学量测指标。

通常，结构可靠度指标包括失效概率、失效密度、失效率等。

目前，常用的结构可靠度方法主要有可靠性指标法、极限状态法、模拟计算法等。

其中，可靠性指标法是一种适用于线性系统的可靠度计算方法，适用于结构状态由结构内部构件承载能力和外载荷两种因素共同决定的结构，如桥梁、塔架、钢结构、混凝土结构等。

极限状态法是一种经典的可靠度分析方法，通常被应用于非线性系统中，可以分析结构的弹塑性变形和失效过程，如地基、土石质结构、板壳结构等。

模拟计算法它包括Monte Carlo方法、等概率线性化方法等，可以通过统计学方法得到结构状态的概率分布函数或随机变量的方差和协方差，用以评估结构可靠度，如多学科优化设计等。

结构可靠度分析的研究与应用离不开相关理论。

常见的理论有概率论、随机过程理论、可靠性理论、风险评估理论等。

概率论是可靠度分析的基础理论，它研究随机现象的概率规律，将随机现象转化为数学模型，通过统计分析，得到可靠性指标和其概率分布。

随机过程理论主要研究时间和空间等随机变量，分析无规律时间和空间的演变规律，用以描述结构的可靠性问题，如振动系统的可靠性分析等。

可靠性理论包括结构可靠性基本理论、可靠度计算方法、灾害风险评估等，其中最常用的是可靠性基本理论，它提供了基本的可靠性指标和分析方法。

风险评估理论包括风险分析、风险管理等，它是对结构系统可靠性和安全性的量化评估方法。

结构可靠度基本理论摘要：目前，在结构工程领域，人们越来越认识到，只有用概率和统计的方法，才能正确地处理结构设计和分析中存在的大量不确定因素，从而对结构的安全性做出科学的评估。

近三十年来，结构可靠性理论得到了迅速的发展。

它以概率论和统计学为数学工具，形成了一个相当完整的理论体系，它还发展了许多便于在工程实际中应用的计算方法，为结构安全性评估提供了强有力的手段。

关键词：疲劳失效、可靠度、可靠性指标长期以来，在船舶与海洋工程领域，对结构的疲劳现象已进行了大量的研究，并在此基础上建立了可供实际应用的疲劳设计与分析方法。

通常，结构的疲劳损伤和疲劳寿命采用Miner线性累计损伤理论和S—N曲线来计算。

近年来，更为先进的断裂力学方法也越来越受到重视，并逐步得到了应用。

目前，这两种方法已成为船舶与海洋工程结构疲劳设计与分析的两种相互补充的基本方法。

但是，这两种方法以往都是在确定性的意义上使用的，在分析过程中，有关的参数都认为有确定的数值。

而事实上，船舶与海洋工程结构的疲劳是一个受到大量因素影响的极其复杂的现象，大多数的影响因素从本质上说是随机的。

例如，海洋中的波浪无规则地运动，由此引起结构内的交变应力就是一个随机过程。

一艘船或海洋平台，用确定性方法进行疲劳分析时，若有关参数都取均值，那么计算所得的疲劳寿命可能是规定的设计寿命的数倍甚至数十倍。

从表面上看，可以认为是充分安全的。

但是，若考虑到各参赛的不确定性，在同样的条件下，疲劳寿命大于设计寿命的概率却可能很低，实际上并不能满足安全性的要求。

在结构可靠性理论中，各种影响结构安全的不确定因素都用随机变量或随机过程来描述；在充分考虑这些不确定因素的基础上，一个结构安全与否，用该结构在规定服务期内不发生破坏的概率来度量，这一概率称为结构的可靠度。

很显然，对于受到大量不确定因素影响的船舶与海洋工程结构的疲劳问题，用结构可靠度理论来加以研究是非常适当的，可以对结构在疲劳方面的安全性做出比用确定性方法更加合理的评估。

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]。

结构可靠度之JC法结构可靠度是指一个结构在使用寿命内不发生失效的能力。

为了评估结构的可靠度，工程领域中有很多不同的方法和理论。

其中，JC法是一种常用的评估结构可靠度的方法之一。

本文将对JC法的基本原理、步骤以及应用进行介绍。

一、JC法的基本原理JC法是由日本学者Junjiro Noguchi和Kotaro Chiba于1972年提出的，用于评估结构的可靠度。

该方法基于统计学理论，通过建立一个包含结构荷载等参数的概率模型，计算结构失效的概率，并以此评估结构的可靠度。

二、JC法的步骤1. 确定结构的可靠度指标：在使用寿命内，结构发生失效的概率被称为结构的可靠度指标。

一般情况下，使用结构失效概率的对数的负值，即-logPf被用作可靠度指标。

其中，Pf为结构失效概率。

2. 确定结构荷载及其变异范围：根据具体的工程实际情况，确定结构荷载以及其变异范围。

结构荷载包括永久荷载和可变荷载等，其大小和变异范围可以通过实测数据或者国家标准来确定。

3. 建立结构的概率模型：将结构的荷载和阻力等参数作为随机变量，建立结构的概率模型。

根据不同的结构类型和工况，可以选择不同的模型，如正态模型、对数正态模型等。

4. 计算失效概率：通过概率模型，计算结构失效的概率。

失效概率可以使用不同的数值计算方法，如Monte Carlo方法、极限状态法等。

5. 评估结构的可靠度：根据计算得到的失效概率，计算结构的可靠度指标。

一般情况下，可靠度指标在0到1之间，指标越接近1，结构的可靠度越高。

三、JC法的应用JC法在工程实践中被广泛应用于评估结构的可靠度。

它可以用于评估建筑物、桥梁、管道等各种不同类型的结构的可靠度。

在结构设计阶段，可以使用JC法来优化结构参数，提高结构的可靠度。

在结构运行阶段，可以通过定期监测和检测，更新概率模型中的参数，实时评估结构的可靠度。

总结：结构可靠度是评估结构抗击外部荷载和不确定性影响能力的重要指标。

JC法作为一种常用的评估结构可靠度的方法，通过建立结构荷载及其变异范围的概率模型，计算结构失效概率，评估结构的可靠度。

结构可靠度理论及应用复习题1什么是施加于结构上的作用？荷载与作用有什么区别？结构上的作用是指能使结构产生效应的各种原因的总称，包括直接作用和间接作用。

引起结构产生作用效应的原因有两种，一种是施加于结构上的集中力和分布力，例如桥梁结构自重，作用于桥而的车辆、人群，施加于结构物上的风圧力、水压力、上压力等，它们都是直接施加于结构，称为直接作用。

另一种是施加于结构上的外加变形和约束变形，例如基础沉降导致结构外加变形引起的内力效应，温度变化引起结构约朿变形产生的内力效应，由于地丧造成地而运动致使结构产生惯性力引起的作用效应等。

它们都是间接作用于结构，称为间接作用。

“荷载”仅指施加于结构上的直接作用；而“作用”泛指使结构产生内力、变形的所有原因。

2结构上的作用如何按时间变异、空间位置变异、结构反应性质分类？结构上的作用按随时间变化可分永久作用、可变作用和偶然作用：按空间位置变异可分为固泄作用和自由作用；按结构反应性质可分为静态作用和动态作用。

3什么是荷载的代表值？它们是如何确定的？荷载代表值是考虑荷载变异特征所赋予的规泄疑值，工程建设相关的国家标准给出了荷载四种代表值：标准值，组合值，频遇值和准永久值。

荷载可根拯不同设计要求规定不同的代表值，其中荷载标准值是荷载的基本代表值，其它代表值都可在标准值的基础上考虑相应的系数得到。

4试述公路桥梁汽车荷载的等级和组成？车道荷载的计算图式和标准值？公路桥梁汽车荷载分为公路一I级和公路一II级两个级別，分别由车道荷载和车辆荷载组成。

桥梁结构的整体计算采用车道荷载，车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。

桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡上墙土压力等的计算采用车辆荷载。

车辆荷载和车道荷载的作用不得叠加。

车道荷载是个虚拟荷载，它的荷载标准值办和"k是在不同车流密度、车型、车重的公路上，对实际汽车车队车重和车间距的测定和效应分析得到。

车道荷载的均布荷载标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上：集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线岐值处。

浅谈工程结构设计可靠度理论摘要：本文简单评述了工程结构设计理论的发展，总结了结构可靠度理论的国内外研究现状；详细叙述并分析了可靠度理论的各种适用方法，指出了我国结构设计可靠度理论的不足及发展方向。

关键词：结构设计可靠度理论1工程结构设计理论的发展工程结构设计的基本目的，是在结构的可靠性与经济性之间，选择一种最佳平衡力求以最经济的途径，使结构在预定的使用期（设计工作期）内完成预定的各种功能。

自1638年伽利略奠定现代建筑力学以来，工程结构设计方法经历了容许应力设计法、破损阶段设计法、极限状态设计法。

目前应用于国内外实际工程设计都是以近似概率法为基础，规定了工程结构可靠度设计的基本原则和方法。

2结构可靠度分析方法从研究的对象来说可分为点可靠度计算方法和体系可靠度计算方法。

由于可靠度研究本身的复杂性，目前对结构体系可靠度的研究还很不成熟，仍处于探索阶段。

而结构点可靠度的计算方法已较成熟。

主要有：一次二阶矩法、高次高阶矩法、蒙特卡罗法、响应面法、帕罗黑莫法及随机有限元法等。

2.1 一次二阶矩法一次二阶矩法是近似计算可靠度指标最简单的方法，只需考虑随机变量的前一阶矩（均值）和二阶矩（标准差）和功能函数泰勒级数展开式的常数项和一次项，并以随机变量相对独立为前提，在笛卡尔空间内建立求解可靠指标的公式。

因其计算简便，大多情况下计算精度又能满足工程要求，已被工程界广泛接受。

基于一次二阶矩的分析方法主要有四种（中心点法、验算点法、映射变换法、实用分析法）。

2.2 二次二阶矩法当结构的功能函数在验算点附近的非线性化程度较高时，一次二阶矩法的计算精度就不能满足一些特别重要结构的要求了。

近年来，一些学者把数学逼近中的拉普拉斯渐进法用于可靠度研究中，取得了较好的效果。

因该法用到了非线性功能函数的二阶偏导数项，故应归属于二次二阶矩法。

2.3 二次四阶矩法上述两种方法的精度能得以保证的一个基本前提是，采用的随机变量分布概型是正确的，且随机变量的有关统计参数是准确的，而随机变量分布概型是应用数理统计的方法经过概率分布的拟合优度检验后推断确定的，统计参数是通过统计估计获得的。

结构设计知识：结构设计中的可靠度分析在工程结构设计过程中，可靠度分析是一项非常重要的工作。

结构的可靠度实际上是指设计的结构在其使用寿命内，能够满足其设计要求的能力。

因此，在设计结构时需要做好可靠度分析，以确保结构的安全可靠性。

1.可靠度的概念在结构设计中，可靠度表示一种评估设计的各种可能结果中，保证在其使用寿命内能够符合其设计要求的概率。

这种概率值通常使用R 代表，其数值一般在0到1之间。

R越大，说明结构的可靠度越高，越接近于1，也就是结构设计的风险越小。

2.可靠度分析方法为了确保工程结构的可靠性，在设计中需要进行可靠度分析。

可靠度分析的目的是评估结构的安全性和可靠性，用于确定在结构使用过程中可能出现的问题以及其概率。

下面介绍两种常用的可靠度分析方法。

2.1概率方法概率方法是一种基于概率理论的分析方法，可以对结构的可靠性进行定量分析。

概率方法要求对各种可能的负荷和材料属性不确定性进行评估，并对可能的结构失效模式进行分析，以此确定结构的可靠度。

采用概率方法的可靠度分析，可以得出工程结构的可靠度指数，以及可能致使结构失效的因素和概率。

2.2确定性方法确定性方法是一种基于工程经验和模型分析的可靠度分析方法，在工程结构分析中应用广泛。

一般情况下，确定性方法被用于结构设计工作的初期阶段。

采用确定性方法分析工程结构的可靠度，不考虑负载和材料属性的随机变化，只考虑一定的工程经验和假设，以此预测结构所承受的负载和应力。

3.应用案例实际工程结构中应用可靠度分析的案例非常多。

以桥梁工程为例，桥梁在使用的过程中，其承受的交通、风力等各种载荷，在时间和空间上都可能有很大的变化。

同时，由于桥梁的特殊结构形式，其所承受的负荷不容易用常规方法来计算。

因此，在桥梁设计中进行可靠度分析非常必要。

通过可靠度分析确定桥梁结构的可靠度，可以综合考虑各种负荷的影响，确保桥梁在使用寿命内能够安全可靠地承受各种负载。

4.可靠度分析的意义可靠度分析是结构设计中不可缺少的一部分，其意义主要体现在以下几个方面。

结构工程专业中可靠性理论的应用作为基本建设的主体,土木工程结构不仅关系到国计民生,还会影响到一个国家的现代化进程,因此,保证结构在规定的使用期内能够承受设计的各种作用,满足设计要求的各项使用功能,及具有不需过多维护而能保持其自身工作性能的能力是至关重要的,即要保证结构的安全性、适用性和耐久性,这三个方面构成了工程结构可靠性的基本内容。

一、采用可靠性理论的优势在规定的时间和条件下，工程结构完成预定功能的概率，是工程结构可靠性的概率度量。

工程结构可靠性，是指在规定时间和条件下，工程结构具有的满足预期的安全性、适用性和耐久性等功能的能力。

由于影响可靠性的各种因素存在着不定性，如荷载、材料性能等的变异，计算模型的不完善，制作质量的差异等，而且这些影响因素是随机的，因而工程结构完成预定功能的能力只能用概率度量。

结构能够完成预定功能的概率，称为可靠概率；结构不能完成预定功能的概率，称为失效概率。

总之，结构可靠度方法的重要意义，在于对结构安全性检验提出了建立在概率分析基础上的一系列性的概念，原理，方法和衡量标准，综合考虑了工程结构中的各种不确定因素，对结构可靠性有了一个客观的统一度量，并且力求达到最佳的经济效益,将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。

为人类社会的不断进步作出贡献。

二、结构可靠度理论目前的应用情况可靠性设计又称概率设计。

这种设计方法认为，作用于结构的真实外和在其结构的真实承载能力，都是概率意义上的量，设计时不可能予以精确地确定，称为随机变量或随机过程，它服从一定的分布。

一次为出发点进行结构设计，能够与客观实际情况更好的符合。

它能够根据结构的可靠性要求，把失效的发生控制在一种可接受的水平。

这种方法的明显好处是给出了结构可靠程度的数量概念。

对于像飞行器这样一些航空机构，概率实际法的明显优点是重量减小，并能降低成本和提高性能。

概率设计法能够解决两方面的问题：根据设计，进行分析计算已确定结构的可靠度；根据任务提出的可靠度指标，确定构建的参数。