贡金鑫工程结构设计可靠性原理ch2Word下载.docx
- 文档编号:17958286
- 上传时间:2022-12-12
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:40.22KB
贡金鑫工程结构设计可靠性原理ch2Word下载.docx
《贡金鑫工程结构设计可靠性原理ch2Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《贡金鑫工程结构设计可靠性原理ch2Word下载.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
2.1.2模糊性
模糊性是指事物属性的不分明或中间过渡性所产生的不确定性,即一个事物是否属于一个集合是不明确的。
如―晴天和阴天‖、―年轻人和老年人‖、―快与慢‖都没有明确的判断标准,或者说划分的标准是不分明的,从一种属性到另一种属性,具有中间过渡性。
在结构可靠性理论中,描述―可靠与不可靠‖也带有模糊性。
如对于钢筋混凝土结构的裂缝宽度,刚刚超过规范的规定值并不会导致结构完
全不适用,而裂缝宽度接近但末超过规范规
定值时也未必完全适用。
图2—1为国际标
准《结构可靠性总原则》(ISO2394:
1998)
给出的关于结构使用性能存在中间过渡特
性的图示,当指标1时,结构是完全处
于完全可使用的状态;
当指标2时,结
构是完全处于完全不可使用的状态;
指标
12时,结构是处于可使用和不可使用的中间状态,可使用的程度与的值有关,
比较接近于1时,可使用的承度大一些,比较接近于2时,可使用的承度小一些。
对于结构的―安全与不安全‖也是如此,并没有统一的标准,不同的国家安全水平不同,除与经济水平有关外,还受文化背景、历史、宗教信仰等多种因素影响。
2.1.3知识的不完善性
知识的不完善性是由于客观信息的不完备和主观认识的局限性而产生的不确定性。
知识的不完善性可分为两种,一种是知道事物变化的趋势,但没有数据预测事物未来变化的程度,如近年我国列车速度不断提高,不同车速对铁路桥梁的要求是不同的,设计桥梁时,需考虑未来高速列车荷载的变化,但未来车速会是多少难以确定,需要根据经验和判断给出一个提高系数。
另一种是主观认识的局限性,即由于人对自然规律认识的不足而产生的不确定性。
下面是一个由此而导致结构灾难性后果的例子。
1940年秋天,美国在华盛顿州的塔科马峡谷上建造了一座主跨度为853m的悬索桥。
建成才四个月,就遇到了八级大风,虽然风速还不到20m,s,但是桥却发生了剧烈的振动,
而且振幅越来越大,直到桥面倾斜到45?
左右。
最终,因吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而解体,并坠落到峡谷中。
当时,恰好好莱坞的一个电影队在以该桥为外景拍摄影片,记录了桥梁从开始振动到最后毁坏的全过程,这一记录后来成为美国联邦公路局调查事故原因的珍贵资料。
在为调查这一事故而收集历史资料时,人们惊异地发现,从1818年到19世纪末,风引起的桥梁振动至少毁坏了11座悬索桥。
。
第二次世界大战结束后,人们对塔科马桥的风毁事故展开了研究。
一部分航空工程师认为塔科马桥的振动类似于机翼的颤振,并通过桥梁模型的风洞实验重现了这种风致扭转发散振动;
与此同时,以冯?
卡门为代表的流体力学家则认为,塔科马桥的主梁有着钝头的H形断面,与流线型的机冀不同,存在着明显的涡流脱落,应该用涡激共振机理来解释。
在20世纪50—60年代,两种观点互有争论,直到1963年,美国斯坎伦教授提出了钝体断面的分离流自激颤振理论,才成功地解释了造成塔科马桥风毁的致振机理,并由此奠定了桥梁颤振的理论基础。
加拿大达文波特教授利用随机振动理论,建立了一套桥梁抖振分析方法。
该方法经斯坎伦于1977年进行修正后,更加完备,可以说,斯坎伦和达文波特奠定了桥梁风振的理论基础。
这说明人们对事物的认识有时是要付出很大代价的。
上面介绍了事物的随机性、模糊性和知识的不完善性,就目前的科学发展水平而言,在这三种不确定性中,对随机性的研究比较充分,概率论、数理统计和随机过程理论是描述和研
究这种不确定性的工具,本书所介绍的结构可靠性是随机不确定性下的可靠性。
模糊性的研究还不完善,目前仍在发展之中。
知识的不完善性尚无可行的数学分析方法,工程中一般结合经验进行处理。
2.2结构设计中的变量
结构的设计与分析,是一个定性分析和定量计算相结合的过程,定性分析包括结构的概念设计、分析结果的预测及对计算结果正确性的判断。
定量计算就是利用数学和力学方法根据给定的变量值对结构的内力、变形等进行计算。
在可靠性理论中,这种设计计算中直接使用的变量称为基本变量,它代表一组规定的物理量,如设计中的荷载、材料强度、弹性模量、构件尺寸等。
当将这些基本变量视为随机变量时,称为基本随机变量,如果没有特别指明其物理含义,可用X表示。
需要说明的是,这里的基本随机变量是从设计中所使用的变量的层次定义的,如果从更低一级的层次定义,还可将其表示为其他多种因素的函数。
如钢筋的屈服强度与钢材中各元素的含量、制造工艺、环境条件、试验时的加载速度、尺寸等因素有关,混凝土的强度与水泥品种、水泥含量、水灰质量比、掺和料类型和含量、外加剂类型和含量、拌和方法、施工工艺、养护方法等因素有关。
在这些因素中,任一因素的变化都会引起材料强度的变化,也就是说,强度变量的随机性是由上述多种低层次的随机性引起的,但在分析中直接考虑这些因素就过于繁琐和复杂,且设计中并不直接使用这些低层次的变量,所以不将这些低层次的量视为基本随机变量。
综合变量是由若干个基本变量用数学函数描述或经力学运算得到的变量。
如果综合变量是随机的量,则称为综合随机变量。
例如,图2-2所示为受自重g和均布活荷载q作用的钢筋混凝土矩形简支梁,梁的跨度为l,高度为h(有效高度为h。
),宽度为b,混凝土的轴心抗压强度为fc,钢筋的屈服强度为fy,钢筋截面面积为AS。
根据钢筋混凝土结构基本原理,梁的极限受弯承载力可按下式计算
和S为综合变量。
将变量区分为基本变量和综合变量可使后面的可靠度分析简化。
如在式(2—1)和式(2—
2)中,直接用基本变量g、q、l、b、h。
、fc、fy和As进行分析则比较复杂,特别是在进行迭代计算时,基本变量过多可能会出现多个收敛点、难以判断哪个收敛点是合理的。
如果将基本变量g、q和l凝聚为综合随机变量S,b、h。
、fc、fy和AS凝聚为综合随机变量R,使用综合变量S和R进行分析,则计算会大大简化。
综合随机变量的平均值和标准差可按附录式(B-42)和式(B-43)计算。
在传统的概念中,变量是一个具有确定数值或不确定数值的量。
国际标准《结构可靠性总原则》(IS02394:
1998)和欧洲规范《结构设计基础》(EN1990:
2002)中都增加了环境作用的概念,并将环境作用作为基本变量看待。
环境作用可能具有机械的、物理的、化学的或生物学的性质,主要影响结构的耐久性,与材料密切相关。
有些情况下环境影响可用数值描述,如混凝土的碳化深度和氯离子渗透深度,但多数情况下不容易用数值描述。
因此,环境影响往往是根据其对特定材料的影响来分类的。
通常两种或两种以上的环境影响产生的组合效应比单一影响的总和更严重。
对于这种情况,环境影响可作为一个整体按照其侵蚀性分类。
2.3结构的功能要求
人们建造各种结构物都有一定的目的,如建造房屋是为满足居住、办公、工业生产及社会文化活动的需求,建造桥梁是为了交通的需要,建造水坝是出于对挡水、蓄水的需要等。
从可靠性的角度讲,为达到这些目的,就要对结构的功能提出要求。
我国《工程结构可靠性设计统一标准》(报批稿)规定工程结构须满足下面的功能要求:
1.能承受施工和使用期间可能出现的各种作用
结构为完成其使用功能,首先应能承受施工和使用期间可能出现的各种作用,否则,结构不仅不能完成其使命,还会造成人民生命财产的重大损失。
下面是一个结构施工中发生事故的例子。
四川某市棉麻公司综合楼系七层钢筋混凝土框架结构,建筑面积3100m。
设计单位是某建筑勘测设计所,属于丁级资质单位。
由于设计错误,基础承重台厚度过小,承载能力严重不足,当上部结构重量上去后,基础首先破坏,造成结构整体倒塌。
该框架结构的柱、梁的截面和钢筋含量也严重不足,所以在基础破坏后,上部结构也随之散架倒塌。
倒榻的时间2
是1995年12月8日,造成死亡17人,重伤5人的重大事故。
2.保持良好的使用性能
结构使用性能的好坏是非常重要的,关系到结构能否满足规定的使用要求,很多结构往往不是安全性不足,而是不能满足使用要求。
下面是一个结构使用性能不符合要求的例子。
丹麦工程师K(Bergholt在新加坡国际结构事故会议(ICSF—87)的发言中,举了一个钢筋混凝土跳水台因设计刚度不足而影响使用的例子。
跳水台为钢筋混凝土结构,如图2—3所示,分5m跳水台和3m跳水台两级。
在3m平台上还装有一块长跳板。
立柱截面为十字形。
从外表看,该跳台与其他常见的跳水台并无不同之处。
考虑到动力效应,设计者还特意将活荷载标准提高到2kPa的水平,应该认为不低。
此外,还在跳板上用+18kN与–11kN的一组集中荷载做过模拟试验和相应的结构计算,并得出一切正常的结论。
认为不论是结构强度,还是结构刚度,都是令人满意的。
建成后还对结构计算和施工质量进行过反复检查,认为正确无误。
然而,用户却强烈反映跳水台的刚度严重不足。
当跳水运动员跳高3m跳板时,整个结构的振动情况非常强烈。
测量发现振动的频率极低,仅为2.5Hz。
当运动员跳离5m平台时,情况就更为严重。
5m平台尾端的水平振动,出现了自振振幅达20mm的错动现象。
由扭矩产生的扭曲拉应力引起的裂缝也表明,采用这种十字形截面的立柱,其抗扭能力也是很不理想的。
3.具有足够的耐久性能
耐久性问题是结构外部环境对结构材料的物理、化学、生物作用或结构材料内部的相互作用引起的结构性能劣化,这种过程一般是缓慢的,其最终结果是影响结构的安全性和使用性;
耐久性病害与结构的使用环境有关。
对于混凝土结构,耐久性病害形式多样,如裂缝、钢筋锈蚀、化学侵蚀、渗漏和融蚀、冻融破坏、碱一骨科反应等,其中比较典型的是混凝土中钢筋的腐蚀,我国曾因钢筋锈蚀而发生过安全事故,下面是其中几个例子。
原四机部某厂221号厂房,采用钢筋混凝土槽瓦,于1972年建成投产,使用10年后,于1982年3月31日发生槽瓦破坏塌落,幸被屋架上弦的水平支撑阻挡未掉下来。
主要原因是
混凝土保护层太薄,仅8~10mm,经过10年使用,其碳化深度已达12mm左右。
由于保护层碳化后失去了应有的保护作用,直径仅为4mm的低碳冷拔钢丝已锈剩下2.8mm,槽瓦的安全系数由2.0变为0.98,造成钢丝断裂,槽瓦塌落。
再如上海煤炭科学测试中心食堂是直径为17(5m的圆形单层建筑,屋盖采用悬索结构,由沿墙的钢筋混凝土外环和直径为3(0m的型钢内环,以及90根直径为7.5mm的钢丝索组成,预制钢筋混凝土异形屋面板搭接于钢丝索上,上做卷材防水屋面。
该工程于1960年建成,经过23年:
于1983年9月22日晚突然整体塌落。
主要原因是钢丝索钻头长期锈蚀后被拉断。
在德国,20世纪80年代的西柏林一会议大厅也发生过类似事故,也是使用23年后倒塌的。
4.当发生火灾时,在规定的时间内可保持足够的承载力
火灾是建筑物遭受破坏的原因之一。
美国1980年发生火灾300万多起,直接损失62(5亿美元,同年日本发生火灾6万余起,直接损失1460亿日元。
我国的火灾虽然比发达国家少,但也相当严重。
1999年发生的火灾有18.86万起,直接损失15.2亿元。
目前我国常用的建筑材料是混凝土和钢材,当受到火烧时,混凝土会发生爆裂,钢筋软化,从而强度降低(见图2-4),钢筋与混凝土的粘结力也降低,结构构件的承载力下降,危及结构的安全。
2001年美国―911‖事件中的世界贸易大厦,就是因为遭到飞机撞击后引起火灾,钢材软化而最终倒塌。
有些劫难幸存的结构,即使保留了下来,也可能会因材料性能发生变化,承载力不足,已不能使用,需拆除重建。
5.当发生爆炸、撞击、人为错误等偶然事件时,结构仍可保持必须的整体稳定性,不会出现与起因不相称的后果
这是对结构稳健性、即防止连续倒塌方面的要求。
它要求结构在偶然出现的巨大外力作用下,可以发生局部破坏,但由破坏构件原来承担的力能够转移到附近的其他构件,不致因局部破坏而引起大面积甚至整个结构的倒塌,结构在短期内经过修复和加固可恢复原有功能。
例如,当建筑物的某根柱子受到撞击而不能继续承担荷载时,其承受的荷载可通过梁和板转移到其它柱上,建筑物虽然不能再承担规定的设计荷载,但规定的设计荷载出现的概率很低,规定的设计荷载与偶然事件同时出现的概率更小,所以如果设计的结构具有转移荷载的能力,结构的其他部位不会发生连续破坏。
在上面的各项功能中,第一项是对结构承载能力的要求,也是对结构功能最基本的要求,关系到结构的安全性,如果不满足安全性要求,就会发生倒塌破坏,造成人民生命财产的重大损失。
特别是近年高科技的发展,人们对现代化工具和手段的依赖性越来越强,结构破坏造成的经济损失往往非昔日所能想象的,有时间接损失比直接损失还要大。
所以,保证结构的安全性是结构设计的主要内容,这也是本书讨论的重点。
2.4结构极限状态
2.4.1极限状态的概念
结构是否可靠,决定于结构所处的状态。
我国《工程结构可靠性设计统一标难》(报批稿)对结构极限状态的定义是:
当结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时,此特定状态为该功能的极限状态。
当结构能够完成预定的功能时,称结构处于可靠状态,不能完成预定的功能时,称处于失效状态。
当结构处于可靠与不可靠的过渡
状态时,称为极限状态。
例如,对于受弯的钢筋混凝土梁,就承载力而言,当跨中受拉钢筋屈服、受压混凝土到达极限压应变时,认为梁处于极限状态;
就裂缝宽度或跨中变形而言,当梁的最大裂缝宽度或跨中变形刚好达到规范规定的值时,也认为是达到了相应的极限状态。
结构的极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。
承载能力极限状态是结构达到极限承载力的状态,相应于结构的安全性,如上面钢筋混凝土梁的受弯承载力,当不满足承载能力极限状态要求时,结构会倒塌、破坏,产生灾难性后果。
所以,设计中对承载能力极限状态的要求较高。
正常使用极限状态是指达到影响结构正常使用的状态,关系到结构能否正常使用。
有些结构尽管设计使用年限内具有规定的安全性,但很可能不能满足
正常使用的要求,如前面跳水台的例子。
所以,尽管超过正常使用极限状态不会造成灾难性后果,但由于影响结构的使用,设计中也应引起足够的重视。
事实上,设计中的很多情况是由裂缝、变形或振动即正常使用极限状态控制的。
2.4.2承裁能力极限状态
承载能力极限状态涉及多个方面,下面是我国《工程结构可靠性设计统一标准》(报批稿)给出的结构或结构构件超过承载能力极限状态的标志。
1(结构构件或连接因超过材料强度而破坏,或因过度变形而不适于继续承载
结构构件或连接的材料强度是确定结构承载力的最基本参数。
例如,钢筋混凝土构件的承载力决定于混凝土的强度和钢筋的强度(见图2—5),钢结构节点的强度决定于节点焊缝材料质量或螺栓联接的抗剪强度。
对于其他的结构,如钢。
混凝土组合结构,还同钢与混凝土的结合情况有关。
因过度变形而不适于继续承载的情况也比较常见,如钢筋混凝土或钢结构的塑性设计中,要控制构件截面的变形不能太大,以使构件有足够的变形能力。
下面是一个因结构构件或连接超过材料强度而破坏的例子。
1999年1月4日晚6时50分前后,重庆市豢江县城跨越豢河(长江支流)两岸、联接城东城西的人行彩虹桥(因形似彩虹而得名,系豢江县的形象工程),突然整体垮塌,造成40人死亡、14人重伤的特大事故。
该桥净跨120m,拱形钢管混凝土为主要受力结构,桥面由拉索传力于拱形结构。
该工程于1994年H月5日开工,1996年2月16日竣工。
使用三年后突然整体垮塌,据调查垮塌的主要原因是:
该桥主要受力拱架钢管焊接质量不合格,存在严重缺陷,个别焊缝有陈旧性裂痕;
钢管内混凝土抗压强度不足,低于设计强度1,3;
联接桥面和拱架的拉索、锚具和锚片严重锈蚀。
2(整个结构或其一部分作为刚体失去平衡
整个结构或其一部分作为刚体失去平衡也是结构失效较为常见的一种形式,如图2—6所示。
图2—7所示为港口工程的重力式码头,其前作用有波浪力(吸力时不利)或系统力,其后作用有主动土压力、码头荷载土压力、剩余水压力。
在这些荷载作用下,码头可能会出现两种形式的破坏,向前发生倾覆,另一种是沿码头与基床的交界面发生滑移。
在这两种破坏形式中,起抵抗作用的是重力产生的抗倾覆力矩和交界面存在的摩擦力。
对于建筑物的悬臂结构,因稳定性不足而发生倾覆的例子很多,下面是其中之一。
1984年5月26日上午8时40分左右,山东胶县某服装厂展销楼正面女儿埔上的现浇钢筋混凝土挑檐板突然倾覆塌落,造成砸死6人、重伤3人的重大事故。
该工程为四层框架结构,开间4m,跨度11(5m,总高18(2m。
独立基础,C20混凝土框架,采用多孔楼板,砖墙围护。
正面檐口砖砌600mm女儿墙,上面现浇钢筋混凝土檐板。
倒塌的主要原因是设计错误。
设计在女儿墙上浇筑两侧悬空的钢筋混凝土挑檐板,使该板浮搁在女儿墙顶上成为不稳定的构件。
该挑檐板在自身重力作用下,不能稳定地静止在240mm厚的女儿墙顶上。
经验算,该挑檐板的重心在距女儿墙面外41mm处。
这说明该板在自重作用下即会倾覆。
若再加上桃檐板所受的施工检修荷载或风、雪荷载的作用,倾覆力矩还要增大很多,挑檐板将更为不稳定。
另外,按设计意图该女儿墙厚度为240mm,但设计图样上表达不够明确,施工单位提出这一问题后,未问清楚就按120mm厚施工,这更加速了事故的发生。
3(结构转变为机动体系
图2—8a所示门式钢架是按塑性理论设计的一个例子。
在这个例子中,当水平集中荷载W和竖向集中荷载P使柱端、梁端及梁跨中出现图2—8b~d所示塑性铰的组合时,钢框架即形成了机构。
形成机构后结构不能再承受更大的荷载,而变形却再继续增大。
图2-9所示为均布荷载作用下简支钢筋混凝土矩形板极限破坏时出现的塑性铰线,这种塑性铰线也使整块板形成了机构。
当按塑性方法对板进行设计时,可按图示的塑性铰线根据虚功原理建立外荷载与板抵抗弯矩的平衡方程。
4(结构或结构构件丧失稳定
结构失稳是细长构件和薄壁构件常见的一种失效形式。
结构失稳包括整体失稳和局部失稳。
结构整体失稳破坏是指结构所承受的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构强度破坏荷载时,结构已不承担并产生较大的变形,整个结构偏离原来的平衡位置而倒塌。
在失稳过程中,变形是迅速持续增长的,结构将在很短的时问
内破坏甚至倒塌。
失稳破坏主要分为五类;
(1)欧拉屈曲这类失稳的特点是在达到临界状态前,结构保持初始平衡位置,在达到临界状态时,结构从初始的平衡位置过渡到无限临界的新的平衡位置,此后变形的进一步增大,要求荷载增加。
结构在该时发生了平衡形式的转移,平衡状态出现分岔。
这类稳定问题最早由欧拉提出并加以研究,也有称为第一类失稳或欧拉屈曲,相应的荷载值称为屈曲荷载、平衡分枝荷载或欧拉临界荷载。
直杆轴心受压的屈曲属于这种情况,图2—10是其典型的荷载-侧移曲线。
(2)极值型失稳这类失稳没有平衡分岔现象。
随着荷载的增加,结构变形也增加,而且愈来愈快,直到结构不能承受增加的外荷载。
此时,荷载达到极限值。
这类稳定问题也称为第二类稳定或压溃,相应的荷载值称为失稳极限荷载,也有称为压溃荷载的。
压弯构件受压失稳属于这种情况。
图2-10中也画出了它的典型的荷载-侧移曲线。
(3)屈曲后极值型失稳这类失稳开始时有平衡分岔现象,即发生屈曲,结构屈曲后并不立即破坏,还有比较显著的屈曲后强度,因此能继续承受荷载的增加,直到出现极值型失稳。
薄壁钢构件中受压翼缘板和腹板的失稳就属于这种情况,板件的极限承载力往往比屈曲荷载大很多,图2—11分别给出四边支承平直板和微曲板受力至失稳时的典型的荷载。
位移曲线。
(4)有限干扰型屈曲这类屈曲与屈曲后极值失稳刚好相反,结构屈曲后其承载力迅速下降,因此结构如有初始缺陷在受载过程中就不会有屈曲现象而直接进入承载能力较低的极值型失稳。
这类失稳也称不稳定分岔屈曲,具有这类失稳类型的结构也称为缺陷敏感型结构。
承受轴向荷载的圆柱壳的失稳就属于这种类型,图2—12是其典型的荷载-轴向位移曲线。
(5)跳跃型失稳这类失稳的特点是结构由于初始的平衡位置突然跳跃到另一个平衡位置,在跳跃过程中出现很大的位移,使结构的平衡位形发生很大的变化。
承受横向均布压力的球面扁壳的失稳属于这种类型。
图2—13是其典型的荷载-挠度曲线。
整体稳定因截面形式的不同和受力状态的不同可以有各种形式。
对于轴心受压构件,可以
有弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳(见图2-14);
对于受弯构件为弯曲失稳;
对于
单轴压弯构件,在弯矩作用平面’
辽宁大连市重型机器厂计量楼会议室是在原建筑物的三层屋面上加层的轻钢屋架结构,加层建筑面积324m2,采用砖墙、钢筋混凝土圈梁、梭形轻钢屋架,屋架跨度14.4m,屋盖上铺钢筋混凝土预制空心板,炉渣保温层,水泥砂浆找平层,三毡四油防水层。
1987年3月开工,同年5月25日竣工。
在使用约三年后,19如年2月16日,正值召开会议时,
屋盖系统突然塌
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 金鑫 工程 结构设计 可靠性 原理 ch2