结构可靠度

工程概念

结构可靠度指的是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。

原理介绍

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。工程结构设计的目的,就是力求最佳的经济效益,将失效概率限制在人们实践所能接受的适当程度上。失效概率愈小，可靠度愈大，两者是互补的。

现在使用的规范为《工程结构可靠度设计统一标准》。

使用范围

适用于房屋建筑、铁路、公路、港口、水利水电工程结构可靠度分析。也适用于整个结构、组成整个结构的构件以及地基基础，适用于结构的施工阶段和使用阶段。

功能及失效

一、工程结构必须满足下列功能要求：

1、安全性在正常施工和正常使用时，结构应能承受可能出现的各种荷载作用和变形而不发生破坏；

在设计规定的偶然事件发生时和发生后，结构仍能保持必要的整体稳定性；

2、适用性在正常使用时，结构应具有良好的工作性能；

3、耐久性在正常维护的条件下，结构应能在预计的使用年限内满足各项功能要求。

安全性、适用性和耐久性概括称为结构的可靠性。

二、结构破坏类型：工程结构应按其破坏前有无明显变形或其它预兆区别为延性破坏和脆性破坏两种破坏类型。对脆性破坏的结构,其规定的可靠度应比延性破坏的结构适当提高。

安全等级划分

工程结构的失效标准和各种结构的安全等级划分，各种作用效应和结构抗力的变异性的分析，概率模式和极限状态设计方法的选择，及工程结构材料和构件的质量控制与检验方法等，都是工程结构可靠度分析和计算的依据。

沿革

工程结构可靠度习称安全度。其处理方法随着实践经验的积累和工程力学、材料试验、设计理论等各种学科的发展而不断地演变，由直接经验阶段、以经验为主的安全系数阶段而开始进入了以概率理论为基础的定量分析阶段。

直接经验阶段

早期对工程结构的建造，不倒不垮就认为安全可靠；后来通过经验累积，进一步按结构构件的尺寸比例规定结构安全度。这阶段主要依靠工匠们代代相传的经验而进行营建活动。

安全系数阶段

由于17世纪材料力学的兴起和相继的发展，结构设计进入了弹性的力学分析时期，从而开始采用容许应力设计法，以凭经验判断决定的单一安全系数度量结构的安全度。到20世纪30年代，由于对结构材料与结构破坏性能的研究逐步深入，在结构设计上考虑结构的破坏阶段工作状况，随之出现了破坏强度设计法，亦称极限荷载设计法。实际上仍采用凭经验判断的单一荷载系数度量结构的安全度。

进入50年代后,苏联学者提出了极限状态设计法,用多系数（超载系数、材料匀质系数、工作条件系数）代替单一安全系数度量结构的安全度，并订入国家设计规范。接着，欧洲一些国家也采用了类似的方法，并相互作了改进。60年代，美国和加拿大钢筋混凝土结构设计规范也采用类似方法处理结构的安全度。由于这些方法仅对荷载和材料强度的特征值分别采用概率取值而未将荷载和抗力进行联合的概率分析，所以也称“半概率法”。其荷载系数和抗力系数本质上仍然是一种以经验确定的安全系数。

概率理论阶段

早在20世纪40年代，美国A.M.弗罗伊登塔尔将统计数学概念引入可靠度理论的研究。同时，苏联学者也在进行这方面类似的研究。直至60年代，美国一些学者对建筑结构可靠度分析，提出了一个比较实用的方法，并为国际结构安全度联合委员会(JCSS)所采用。这种方法只须考虑随机变量的平均值和方差（方差又称为二阶中心矩），并在计算中对结构非线性功能函数取一次近似，故其全称为一次二阶矩法，简称一次概率法。一次概率法含有“可靠指标β”的概念,而β为结构功能函数这一随机变量的平均值与标准差的比值。从理论上讲，只要分布一定,β与失效概率便有一一对应的关系。即根据一定的计算原则,可由β求出相应的失效概率，从而对结构可靠度进行定量分析（见结构可靠度分析方法）。

中国在70年代已将基于概率的设计方法引入了各种设计规范。它们在设计表达式上尽管形式不同，但其基本原则皆为多系数分析单一系数表达的极限状态设计方法。70年代末，以一次概率法为基础，制订了《建筑结构设计统一标准》，作为各设计规范修订或制订的准则。

使用公式

工程结构按极限状态设计应符合下式要求：

g(X1,X2,...XN)≥0

当仅有作用效应和结构抗力两个综合变量时，工程结构按极限状态设计应符合下式要求：

g（S，R）=R—S≥0 （2.0.9-2）

式中S——结构的作用效应；

R——结构的抗力。

结构分析

结构分析应包括下列内容：

一、结构作用效应的分析，确定结构或截面上的作用效应；

二、结构抗力及其它性能的分析，确定结构或截面的抗力及其它性能。