设计值法中灵敏度系数的优化及取值

基于概率的设计值法是国际标准中提出的新的结构可靠度设计方法,相对于目前的分项系数法,它具有更好的灵活性和通用性,代表了可靠度设计方法发展的方向,但其关键的、决定可靠度控制精度的标准灵敏度系数的数值主要是依据经验而给出的,导致设计结果过于保守。根据基本变量设计值的理论表达式,利用解析方法分析和确定最优灵敏度系数和可靠度控制方式,针对安全性和适用性设计要求提出统一的标准灵敏度系数的建议值,明显提高了可靠度控制的精度,并可明确给出可靠指标相对误差的范围,为建立实用的基于概率的设计值法奠定了基础。     

通用设计表达式灵敏度系数优化方法

作用随机过程组合方法和设计值法相结合得到的地震组合时的通用设计表达式,目的是提高设计的灵活性。由于地震作用的变异性很大,国际标准提出的标准灵敏度系数不再适用,若变量变异性发生较大变化,为提高可靠度控制精度,标准灵敏度系数必须重新取值,而枚举优化法目的性差。通过建立定性优化方向函数,给出每个基本变量标准灵敏度系数所取数值对可靠指标计算值与目标可靠指标差值的贡献,用于标准灵敏度系数的初取值和优化环节,使在作用效应比例对下整体最优。将优化结果用于不同设计使用年限和不同目标可靠指标的情况下得到的相对误差说明,优化方法可以用于设计使用年限50年及一个合适的目标可靠指标情况。     

土坡稳定性的分位概率法和分项系数法对比

对于土质边坡稳定性分析,由于岩土参数变异系数波动范围较大,分项系数设计法(PFM)计算结果不够稳定,尚未在工程中广泛推行。分位概率设计法(QVM)是一种新的可靠度设计方法,它以单一的分位概率?进行极限状态设计。将分位概率设计法应用于边坡稳定分析,针对土质边坡,进行了抗剪强度参数(c,f)的分项系数和分位概率的标定和误差分析。分析结果表明:1在土体抗剪强度参数(c,f)的均值、变异系数、坡角和坡高在取值范围内变化时,分位概率值(?)相比分项系数c f?,?,其标定结果更加稳定;2相比分项系数设计法,分位概率设计法给定的极限状态,其实际可靠度βA更稳定,与目标可靠度βT之间的误差更小,设计更可靠;3分项系数法对各变量分别使用不同的分项系数,而分位概率法对所有变量采用相同的分位概率(?),设计更简洁。     

混凝土结构碳化耐久性的分项系数设计法

混凝土结构耐久性设计中的一个重要方法就是概率极限状态设计法,这种方法根据描述耐久性劣化过程的数学模型,首先建立耐久性极限状态方程,再将环境作用与抗力作用的某个特征值与相应的分项系数代入极限状态方程,经验算就可在一定可靠度水准上得到耐久性设计参数的设计值。选用合适的设计参数是混凝土结构耐久性设计的关键问题,设计参数应具有明确的物理意义和容易掌握的统计规律,且易为设计人员所接受。根据理论与经验相结合的碳化深度模型,建立了考虑保护层厚度与混凝土强度两个随机变量的碳化耐久性的分项系数设计方法,提出了碳化寿命准则极限状态的目标可靠指标的建议值,计算确定了保护层厚度与混凝土抗压强度满足目标可靠指标的分项系数,由此给出了碳化寿命准则的耐久性设计表达式。该耐久性分项系数设计法适用于一般大气环境下任意设计使用年限的不允许出现钢筋锈蚀的混凝土结构,根据设计表达式可直接确定满足耐久性要求的保护层厚度与混凝土强度。     

基于评估使用年限的既有结构可靠度评定实用方法

在分析国内外关于考虑抗力和荷载效应时变性的结构可靠度研究成果的基础上,提出了既有结构基于评估使用年限的可靠度评定实用方法。分析表明,不考虑设计使用年限内的抗力退化时,结构累积失效概率与服役年数成正比。结构抗力随机过程模型采用服役起始点随机变量乘以一个确定的抗力衰减函数表示,则结构抗力随机过程可退化为随机变量。同时考虑结构在评估使用年限内的抗力退化和评估使用年限缩短引起的抗力需求调整,建立了既有结构基于评估使用年限的累积失效概率和可靠指标条件方程。为便于工程应用,用抗力平均退化系数和抗力需求折减系数表示可靠指标的动态变化,建立了既有结构评估的抗力-需求比实用表达式,并提出了不同评估使用年限下的抗力需求折减系数建议值。     

岩土工程简化可靠度设计方法——修正分位数法

现阶段多数规范推荐的半概率设计方法分项系数法与传统容许应力设计法具有相似的设计过程,易于被岩土工程师接受。然而,当实际岩土体参数统计量及分布类型等与分项系数设计法校准过程所采用的不一致时,分项系数法的设计结果往往会产生较大偏差。分位数设计法与分项系数法设计过程相似,且能够解决分项系数法设计偏差较大的问题。遗憾的是,该方法需要事先通过大量可靠度分析建立岩土结构物设计参数与有效随机维度间的回归函数,该过程不仅计算量较大而且十分繁琐,不利于工期紧迫条件下的快速可靠度设计。为此,提出了基于修正分位数法的岩土工程简化可靠度设计方法。首先介绍了原始有效随机维度–分位数设计法(ERD-QVM)和分位一阶二次矩可靠度分析方法,在此基础上提出了基于简单迭代算法的修正分位数法。最后以桩基础设计和方形基础设计为例阐明了所提方法的有效性。结果表明:修正分位数法为工期紧迫的岩土结构物可靠度设计提供了一种有效分析工具。修正分位数法不仅能够有效地避免原始ERD-QVM需要建立关于设计参数回归函数的问题,极大地降低原始ERD-QVM的计算量,而且能够得到合理的岩土结构物设计结果。修正分位数法设计结果更保守,原始ERD-QVM可能产生偏危险的设计,这对岩土结构物稳定性非常不利。两种设计方法具有相似的设计稳健性。     

建筑结构构件可靠度校核的非迭代方法

针对以概率理论为基础的结构承载能力极限状态方程,提出了一种直接校核结构构件可靠度的非迭代方法。根据正态随机变量下结构可靠度的一次二阶矩理论,证明了在一般设计值点与设计验算点计算的可靠指标完全相等,可以省去搜索设计验算点的迭代计算过程。本文提出了荷载效应与结构抗力分项可靠指标的计算公式,建立了通过荷载效应及结构抗力分项可靠指标计算结构可靠指标的方法,同时证明了如设计值点正好是设计验算点,则结构可靠指标等于荷载效应和结构抗力分项可靠指标的平方和之根。对典型结构构件的分析表明,虽然现行设计规范中较多情况下的设计值点偏离设计验算点较远,但在现行设计规范的设计值点进行当量正态化可近似代替在设计验算点进行当量正态化,由此引起的可靠指标计算误差可忽略不计。最后,对本文方法的适用范围进行了探讨。     

关于土坡稳定性分析中的分项系数取值的讨论

基于可靠度理论的分项系数法已在结构工程设计中广泛应用,并成为当前岩土工程设计方法发展的一种趋势。针对土质边坡抗剪强度参数(凝聚力c和摩擦系数f)的分项系数取值进行讨论:首先结合条分法、响应面法以及设计域的概念,在不同工况下标定分项系数的取值;然后评估,在采用不同分项系数组合进行边坡设计时,实际边坡的可靠度水平。研究结果表明:1变异系数对分项系数的标定有重要影响;2减小分位比能够部分抵消一定目标可靠度下由变异系数所引起的分项系数标定值变化以及一定分项系数下实际边坡可靠度水平的波动;3设计验算点是设计域中特殊的一点,它并不是最优的设计值取值点,使用标准化空间里设计域上特定角度一点作为设计值取值点更具优势;4当分位比为0.1,目标可靠度3.2时,经过优化分析,推荐土质边坡分项系数取值为c?=1.30,f?=1.15;5使用该方法,可以对现有安全系数设计方法的可靠度水平进行评估。     

既有结构基于评估使用年限的目标可靠度研究

在比较JCCS概率模式规范与我国统一标准规定的结构构件允许失效概率及目标可靠指标的基础上,研究了既有结构基于评估使用年限的目标可靠度。以评估使用年限内的允许累积失效概率与原设计使用年限内的允许累积失效概率相等为原则,建立了根据评估使用年限确定目标可靠度的方法,并提出了抗力需求折减系数建议值。以允许年失效概率为依据,提出了危险构件的可靠度定义和既有结构构件的使用安全寿命准则。以某锈蚀钢筋混凝土梁的受弯承载力分析为例,研究了其使用安全寿命、全寿命期检测评定周期等。     

氯盐环境下混凝土结构的耐久性设计方法

为了建立氯盐腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计方法,根据混凝土结构性能劣化的特点,在分析结构耐久性失效状态、可靠度设置水平、环境荷载及抗力影响因素的基础上,建立了钢筋初锈、保护层锈胀开裂及锈胀损伤达到最大限值这3种情况下的耐久性极限状态方程.基于结构可靠度设计理论,引入荷载和抗力变量的分项系数来反映结构耐久目标可靠指标的要求,建立了结构耐久性设计的分项系数表达形式.按照概率设计与分项系数设计具有相同可靠度水平的原则,给出了抗力分项系数的确定方法及不同耐久性极限状态下抗力分项系数的取值.     

基于最佳一致性原则的设计表达式分项系数研究

在现行规范设计表达式的基础上,首先根据等超越概率原则,计算了10a至100a设计使用年限内可变荷载的统计参数;其次,校核了现行规范设计表达式隐含的可靠指标,并以此作为确定目标可靠指标的依据;最后,根据最佳一致性优选原则,考虑14种代表性的结构构件、3种可变荷载效应与永久荷载效应的简单组合、不同的可变荷载效应与永久荷载效应的比值,通过概率计算方法优化确定了10a至100a设计使用年限内荷载和抗力的分项系数.设计人员可根据工程实际情况,采用该工程设计使用年限相应的分项系数进行设计.     

钢筋混凝土梁的时变可靠度实用分析方法

考虑服役期内的抗力退化和评估使用年限缩短,采用实用方法分析钢筋混凝土梁受弯承载力的时变可靠度。首先,考察了不考虑抗力退化时结构累积失效概率的发展规律,证明"累积失效概率与服役年数成正比"的规律总体成立。其次,以二次曲线近似表达混凝土梁受弯承载力的退化过程,比较了不同抗力退化率下结构累积失效概率及可靠指标的发展过程,同时分析了等时段内结构失效概率及可靠指标的变化,并发现如下规律:抗力退化不严重时,分段可靠度的乘积接近设计或评估使用年限内的可靠度,但抗力退化严重时这个规律不存在。最后,对采用抗力退化系数-荷载效应折减系数比较的近似法与可靠度法的计算结果进行了比较,结果表明近似法总体上更能反映抗力退化与使用年限缩短引起的结构时变可靠度变化规律,便于工程应用。     

输电结构基于设计安全性若干问题探讨

本文根据现有技术规程规范和设计经验,主要关注输电结构在设计安全性方面的若干重要问题。并从以下三个方面展开进行了分析和探讨:(1)重现期与设计使用年限;(2)结构重要性系数与可靠指标;(3)基础附加分项系数与安全系数法。结果表明:目前输电线路标准基本遵循了《工程结构可靠性设计统一标准》(GB 50153-2008)中的规定,总体质量过程是可控和安全的。最后根据分析结果,针对设计使用年限、可靠指标和桩基础的附加分项系数取值问题提出了进一步的相关建议。     

重庆市嵌岩桩单桩承载力可靠指标分析

对重庆市近10年102根嵌岩灌注桩试桩资料进行统计分析,建立单桩无量纲随机变量的极限状态方程,采用改进JC法和Monte-Carlo法计算得到重庆地区嵌岩桩基目标可靠度的范围,进而提出重庆地区嵌岩桩基目标可靠指标的建议值。最后引入可靠系数(代替荷载分项系数和抗力分项系数)并计算了嵌岩桩单桩承载力的可靠系数,提出采用可靠系数表达的极限状态设计实用表达式,该表达式体现了简单实用的原则,利于设计人员掌握和理解,便于工程应用。     

国际标准“设计值法”在我国结构可靠度设计中的应用

介绍了我国现行结构设计标准中采用的设计方法存在的不足和国际标准中提出的工程结构可靠度"设计值法"的基本思想。根据我国荷载、抗力的统计结果及设计值法的荷载、抗力设计值的取值原则,考虑活荷载与恒荷载的比值对结构可靠度的影响,对不同类型构件在轴心受压条件下的可靠度进行系统的分析。分析表明:"设计值法"隐含的可靠度水平较我国的设计方法明显偏低,无法直接用于我国结构设计。依据我国结构设计的目标可靠指标对其进行修正,初步建立适用于我国结构设计的荷载、抗力设计值法取值参数。     

钢筋混凝土结构基于耐久性的可靠度设计方法

对处于氯盐环境中的混凝土结构,为使其在设计使用寿命期内具有合格的可靠度要求,基于结构抗力劣化过程的动态计算模型及动态可靠度分析,在我国 现行结构可靠度设计表达式基础上,引入结构耐久性系数γD来考虑抗力衰减对可靠指标的影响,并给出了耐久性系数的确定方法。针对50年设计使用年限 情况,考虑港口结构3种荷载组合以及5种可变荷载与恒载效应比影响,给出不同的环境条件、水灰比、保护层厚度下结构耐久性系数γD的取值。从而建立 了基于耐久性的可靠度设计实用方法。     

工程设计中的概率极限状态设计方法

在工程设计中，采取以概率论基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达式进行设计，是概率极限状态设计方法区另于一般根据限状态设计方法区另于一般根限状态设计方法的重点。概率极限状态设计法为电子计算机技术在工程界的应用和普及提供了一种光明的前景。本文试从一个工程设计的实例中来解释如何应用这种设计方法。     

基于试验的试件设计指标合理取值方法研究

参照澳洲规范AS/NZS 4600:2005，结合国内实际情况，提出直接基于试验不需经设计公式计算的试件设计指标的确定方法。首先运用概率分析得到表征试验最小值与试验标准值之间关系的修正因子，保证所取标准值具有要求的保证率；进而通过可靠度分析得到一定目标可靠度指标下由所得标准值确定设计值的抗力分项系数。经验证，所推荐抗力分项系数可使基于试验方法确定的设计指标取值在各种荷载组合下的实际可靠指标不小于目标可靠指标。采用已有试验结果进行验证分析，将按规范推荐方法得到的试件承载力设计值与采用所提方法直接由试验结果获得的试件承载力设计值进行比较，结果表明，该法可由样本试件的试验结果合理估计其承载力设计值。最后分析了该方法的使用条件及适用范围，为进一步推广应用提供参考。     

我国建筑结构设计新规范的基本特点

本文从设计角度扼要介绍对最近陆续颁布的建筑结构设计规范基本特点的认识——采用以概率理论为基础的极限状态设计方法;以可靠指标β度量结构构件的可靠性;继承老规范可靠度水准确定今后设计所采用之可靠度指标;通过分项系数来体现可靠度指标的实现,采用习用之多系数表达式进行计算;从而认识新规范的科学性、先进性和统一性。     

60年基准期钢结构构件可靠度分析

在现有规范分项系数设计表达式的基础上,首先依据可靠度理论校核规范实际隐含的可靠指标,并以此为依据确定目标可靠指标;其次通过引入荷载等超概率原则,分别计算出60年基准期下几种可变荷载的统计参数;最终在假定恒载、抗力分项系数不变的前提下,通过调整可变荷载分项系数、组合值系数来达到预定的目标可靠指标。修正后的60年设计基准期下的分项系数设计表达式在形式上与现有规范相协调,方便工程应用。