結構可靠性設計基礎結構可靠度的地位和作用力學知識和工程結構知識聯系的紐帶，是一門專業基礎課。結構健康監測可靠度安全評定的理論基礎結構工程質量檢測可靠度安全評定的理論基礎結構可靠度第一章緒論第二章結構可靠性的概率統計基礎第三章結構構件可靠度的計算方法第四章結構體系可靠度第五章結構荷載的統計分析第六章結構構件抗力的統計第七章結構可靠性設計推薦參考書張新培主編：建筑結構可靠度分析與設計楊偉軍等編著：土木工程結構可靠度理論與設計李國強.工程結構荷載與可靠度設計原理.中國建筑工業出版社,1999趙國藩.工程結構可靠性理論與應用.大連理工大學出版社,1996李繼華,林忠民等.建筑結構概率極限狀態設計.中國建筑工業出版社,1990規范：工程結構可靠性設計統一標準(GB50153-2008)

建筑結構可靠度設計統一標準(GB500682001)引言工程中的不確定性結構可靠性的基本概念及基本術語結構可靠性設計的過程和目的結構設計方法的演變第一章概述1.1引言第一章概述1.1引言工程結構工程結構的設計步驟結構設計計算的兩個方面

在我們周圍，存在著各種各樣的結構，如土木工程結構、機械結構、航空航天結構等，它們是為了某種使用目的而設計，在給定的環境條件下能夠承受和傳遞可能發生的荷載作用的一種工程構造。以土木工程為例，由鋼、木、砌體、混凝土、鋼筋混凝土等建造的各種建筑物或構筑物，包括工業與民用建筑、橋梁、公路、鐵路、碼頭、堤壩、海洋平臺、涵洞、渡槽、水閘、管道和容器等統稱為工程結構。土木工程結構特點：由墻、板、梁、柱、拱、索等不同結構構件組成，猶如人體中的骨架，構成了房屋、橋梁、隧道等各類土建工程設施的主體。1.1引言1.工程結構的定義1.1引言1.工程結構的定義工程結構在相當長的使用期內，需要安全地承受各種使用荷載，經受氣象作用，以及波浪、地震等自然作用。它們的安全與否，不但影響工農業生產，而且還關系到人身安危。對結構的要求：結構及其構件具備在各種外加作用下防止破壞倒塌、保護人員財產不受損失的能力。特別是對一些重要的紀念性建筑物，作為一個劃時代的文化特征，將流傳后世，對安全、適用、美觀、耐久等方面，還有更高的要求。

1.1引言2.工程結構的設計步驟

選擇合理的結構方案:第一步是調查研究、分析對比，在滿足預定功能的條件下，選擇合理的結構方案和型式；

根據選定的結構型式設計結構或構件的截面和可行的施工方案:第二步包括結構或構件截面內力或應力的分析，以及根據截面的內力或應力，選擇截面尺寸、確定材料用量等。通常稱為結構計算。本課程主要是討論在結構計算中，截面或構件設計的安全性和可靠性的問題。

1.1引言3.結構設計計算的兩個方面如何使結構的力學分析日趨完善：結構設計計算主要解決兩方面的問題：一方面是如何考慮材料固有的性能，使結構的力學分析日趨完善；結構設計理論由于采用了現代力學方法、計算機和完善的實驗，所以更精確。

如何合理地選擇影響結構安全的參數：另一方面是如何合理地選擇影響結構安全的參數，如荷載值、材料強度值以及安全系數等。若不考慮荷載、材料強度等參數的不確定性和它們對結構安全的影響，那就會與日益精確的力學分析不相匹配。例如安全系數取大些，荷載值取大些，就多用材料造成不必要的浪費；反之就會造成危險。所以如何在結構的可靠性與經濟性之間選擇一種最佳的平衡，力求以最經濟的途徑使所建造的結構以適當的可靠度滿足各種預定的功能要求是結構設計要解決的根本問題。。

1.1引言3.結構設計計算的兩個方面KS≤R以受彎構件為例，其一般表達式為

M≤Mp/K

式中：

Mp——截面破壞時的抵抗彎矩

K——構件承載力安全系數

M——標準荷載作用下的截面彎矩。1.1引言3.結構設計計算的兩個方面

圖1.1結構可靠性設計

1.2工程中的不確定性第一章概述不確定性信息分類1.2工程中的不確定性1.2工程中的不確定性1.工程中的不確定性信息主要有三類隨機信息：客觀不可控因素

——概率理論,隨機過程理論，數理統計等不準確或不完整的信息:對自然現象認識不足或無能

——凸集理論，證據理論等。模糊信息：主觀描述和表達

——模糊數學等；1.2工程中的不確定性客觀不確定性——隨機信息主觀不確定性——模糊信息，不準確或不完整信息如：材料的破壞、地震的機理等2.不確定性信息可分為：3.按照產生的原因，不確定性可歸為：自然因素——荷載如風、地震、雪、冰荷載等；人為因素——制造、加工、施工誤差等4.本課程主要的研究土木工程中的隨機性可以歸為：物理性質的不確定性——荷載和抗力的內在隨機性如：風、地震、雪、冰荷載以及材料性能等1.2工程中的不確定性統計的不確定性——由于樣本容量有限帶來的統計模型和統計參數的隨機性計算模型的不確定性——各種假設、簡化和模型化引起的隨機性結構的設計、施工和使用過程中存在大量的隨機不確定性因素；5.總結1.2工程中的不確定性荷載及結構的抗力不是確定性的量，它們是隨機變量，因此絕對可靠的結構設計是不存在的！由于結構的荷載和抗力存在隨機不確定性，所以采用結構可靠度理論研究結構的可靠性問題。1.3結構可靠性的基本概念及基本術語第一章概述1.3結構可靠的基本概念及基本術語結構的可靠性與可靠度設計使用年限與設計基準期結構的功能要求設計狀況作用和作用效應結構抗力極限狀態極限狀態方程1.3結構可靠的基本概念及基本術語1.可靠性與可靠度建筑結構的可靠性指結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的能力。包括安全性、適用性和耐久性三項要求。結構可靠度是結構可靠性的概率度量，其定義是：結構在規定的時間（設計使用年限）內，在規定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用維護），完成預定功能的概率，稱為結構可靠度。必須指出：結構可靠度與使用年限長短有關，結構可靠性設計標準所指的結構可靠度或結構失效概率，是對結構的設計使用年限而言的，當結構的使用年限超過設計使用年限后，結構失效概率可能較設計預期值增大。1.3結構可靠的基本概念及基本術語2.設計使用年限設計使用年限是設計規定的有關時期，在這一規定時期內，只需進行正常的維護而不需進行大修就能按預期目的使用，完成預定的功能，即房屋建筑在正常設計、正常施工、正常使用和維護下所達到的使用年限。如達不到這個年限則意味著在設計、施工、使用與維護的某一環節上出現了非正常情況，應查找原因。所謂“正常維護”包括必要的檢測、防護及維修。設計使用年限是房屋建筑的地基基礎工程和主體結構工程“合理使用年限”的具體化。1.3結構可靠的基本概念及基本術語

《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068—2001規定：結構設計使用年限分類類別設計使用年限（年）示例15臨時性結構225易于替換的結構構件350普通房屋和構筑物4100紀念性建筑和特別重要的建筑結構2.設計使用年限1.3結構可靠的基本概念及基本術語3.設計基準期荷載是隨時間而變動的隨機過程，結構材料性能亦是以時間為變量的隨機函數，所以結構可靠度應是時間的函數。怎么取？設計基準期是為確定可變作用及與時間有關的材料性能取值而選用的時間參數。《建筑結構可靠度設計統一標準》規定：設計基準期為50年。國際上對設計基準期的取值并不統一，例如：國際“結構安全度聯合委員會”(JCSS)建議的結構設計基準期為50年，加拿大“國際建筑法規”取30年。注意：設計基準期不等同于建筑結構的設計使用年限。設計基準期，設計使用年限≠使用壽命超過設計使用年限或設計基準期的結構，并不見得就得報廢，而僅僅是它的可靠度有所降低（失效概率有所增加）而已。1.3結構可靠的基本概念及基本術語4.結構的功能要求工程結構設計的基本目的是以最經濟的手段，賦予結構以適當的可靠度，使結構在預定的使用期限內，具備預定的各種功能。具體地講，結構在規定的設計使用年限內應滿足下列功能要求：1、在正常施工和正常使用時，能承受可能出現的各種作用；2、在正常使用時具有良好的工作性能；3、在正常維護下具有足夠的耐久性；4、在設計規定的偶然事件發生時及發生后，仍能保持必要的整體穩定性。1.3結構可靠的基本概念及基本術語

1項、4項

結構安全性的要求

2項

結構適用性的要求

3項

結構耐久性的要求

結構在規定的時間（設計使用年限）內，在規定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用），完成預定功能的能力－結構的可靠性，包括結構的安全性、適用性和耐久性。4.結構的功能要求1.3結構可靠的基本概念及基本術語◆安全性①．結構在預定的使用期間內（一般為50年），應能承受在正常施工、正常使用情況下可能出現的各種荷載、外加變形（如超靜定結構的支座不均勻沉降）、約束變形（如溫度和收縮變形受到約束時）等的作用。②．在偶然事件（如地震、爆炸）發生時和發生后，結構應能保持整體穩定性，不應發生倒塌或連續破壞而造成生命財產的嚴重損失。例如英國倫敦CanningTown一幢23層裝配式大板結構公寓大樓，由于18層一家發生了家用瓦斯爆炸，將該層的一塊外墻板炸壞，使這一初始局部破壞沿建筑物豎向蔓延，一層一層連續倒塌直至地面。4.結構的功能要求1.3結構可靠的基本概念及基本術語◆適用性

③．結構在正常使用期間，具有良好的工作性能。如不發生影響正常使用的過大的變形（撓度、側移）、振動（頻率、振幅），或產生讓使用者感到不安的過大的裂縫寬度。◆

耐久性④．結構在正常使用和正常維護條件下，應具有足夠的耐久性。即在各種因素的影響下（混凝土碳化、鋼筋銹蝕），結構的承載力和剛度不應隨時間有過大的降低，而導致結構在其預定使用期間內喪失安全性和適用性，降低使用壽命。4.結構的功能要求從工程概念上講，足夠的耐久性能就是指在正常維護條件下能夠正常使用到規定的設計使用年限。即在預定的使用期內，材料惡化不嚴重。1.3結構可靠的基本概念及基本術語5.極限狀態的定義和分類衡量一個結構是否可靠，或者說是否完成功能要求，應有明確的標志－－極限狀態。整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(達到極限承載力；失穩；變形、裂縫寬度超過某一規定限制等)

，就不能滿足設計規范所要求的某一項功能要求，此特定狀態稱為該功能的極限狀態。當結構能夠完成預定的功能時，稱結構處于可靠狀態。當結構不能完成預定的功能時，稱結構處于失效狀態。極限狀態實質上是結構可靠（有效）或者不可靠（失效）的界限，所以也有稱為“界限狀態”的。結構的極限狀態

結構失效的臨界狀態1.3結構可靠的基本概念及基本術語5.極限狀態的定義和分類極限狀態的分類國際上對極限狀態的分類方法有很多種，《建筑結構可靠度設計統一標準》規定，結構的極限狀態分為：承載能力極限狀態

保證結構或構件的安全性正常使用極限狀態

保證結構或構件的適用性、耐久性1.3結構可靠的基本概念及基本術語6.承載能力極限狀態承載能力極限狀態對應于結構或結構構件達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形。承載能力極限狀態可理解為結構或結構構件發揮允許的最大承載功能的狀態。結構構件由于塑性變形而使其幾何形狀發生顯著改變，雖未達到最大承載能力，但已經徹底不能使用，也屬于這種極限狀態。疲勞破壞是在使用中由于荷載在多次重復作用而的達到的承載能力極限狀態。承載能力極限狀態可靠性應該很好；承載能力極限狀態的出現概率應當很低。因為它可能導致人身傷亡和大量的財產損失。1.3結構可靠的基本概念及基本術語6.承載能力極限狀態

承載能力極限狀態標志（出現下列狀態之一）（1）整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；（2）結構構件或連接因超過材料強度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度變形而不適于繼續承載；（3）結構轉變為機動體系；（4）結構或結構構件喪失穩定（如壓屈等）；（5）地基喪失承載力而破壞（如失穩等）。

保證結構或構件的安全性1.3結構可靠的基本概念及基本術語7.正常使用極限狀態可理解為結構或結構構件達到使用功能上允許的某個限值的狀態。例如，某些構件必須控制變形、裂縫才能滿足使用要求。因過大的變形會造成房屋內粉刷層剝落、填充墻和隔斷墻開裂及屋面積水等后果；過大的裂縫會影響結構的耐久性；過大的變形、裂縫也會造成用戶心理上的不安全感。與承載能力極限狀態相比較，由于其對生命的危害較小，故允許出現的概率可較高。所以這種極限狀態的可靠性可以適當低一些，但不等于不重視。注意：對于鋼筋混凝土結構，過大的裂縫不僅有損建筑物觀瞻和影響結構的耐久性，而且有時也會導致重大的工程事故。例如，1980年5月一個上午，西柏林會議廳的馬鞍形殼頂突然倒塌。破壞的起因是由于拱與殼板交接處裂縫開展，不斷滲水，終于導致鋼筋銹蝕，懸索斷裂，引起世界震驚的倒塌事故。1.3結構可靠的基本概念及基本術語7.正常使用極限狀態

正常使用極限狀態標志（出現下列狀態之一）（1）影響正常使用或外觀的變形（2）影響正常使用或耐久性的局部破壞(包括裂縫)（3）影響正常使用的振動（4）影響正常使用的其它特定狀態（例：滲漏、凍害等)保證結構或構件的適用性、耐久性1.3結構可靠的基本概念及基本術語7.逐漸破壞極限狀態指偶然作用后產生的次生災害限度，即結構因偶然作用造成局部破壞后，其余部分不致發生連續破壞的狀態。偶然作用包括超過設計烈度的地震、爆炸、車輛撞擊及基礎塌陷等等。1.3結構可靠的基本概念及基本術語7.逐漸破壞極限狀態設計時，應遵循的原則為：1）按考慮偶然事件所造成的荷載效應的偶然組合進行設計或采取保護措施，使主要承重結構不致因偶然事件而喪失承載力；2）應使主要承重結構因偶然事件而發生局部破壞后，其剩余部分仍具有適當的安全度，在一段時間內不致于連續倒塌，以避免生命和經濟的重大損失，并為修復提供條件。1.3結構可靠的基本概念及基本術語8.結構的三種設計狀況根據結構在施工和使用中的環境條件和影響，結構的三種設計狀況分為：1、持久狀況—在結構使用過程中一定出現，其持續期很長(一般與設計使用年限為同一數量級)的狀況。2、短暫狀況—在結構施工和使用過程中出現概率較大，而與設計使用年限相比，持續期很短的狀況。如施工和維修等。3、偶然狀況—在結構使用過程中出現概率很小，且持續期很短的狀況，如火災、爆炸、撞擊等。1.3結構可靠的基本概念及基本術語8.結構的三種設計狀況

建筑結構的三種設計狀況應分別進行極限狀態設計1、對三種狀況，均應進行承載力極限狀態設計2、對持久狀況，尚應進行正常使用極限狀態設計3、對短暫狀況，可根據需要進行正常使用極限狀態設計1.3結構可靠的基本概念及基本術語9.作用和作用效應作用action

引起結構效應的原因。例如施加在結構上的集中力或分布力(直接作用，也稱為荷載)和引起結構外加變形或約束變形的原因(間接作用)。直接作用（荷載）：施加在結構上的集中或分布荷載；例如：結構自重、設備、人群、車輛、風荷載、雪荷載、土壓力、水壓力等等。間接作用：引起結構外加變形或約束變形的原因；例如：溫度變化、材料的收縮和膨脹變形、焊接殘余變形、不均勻地基沉降、地震作用等等。1.3結構可靠的基本概念及基本術語按隨時間的變異分類：1)永久作用permanent

action

在設計基準期內量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可以忽略不計的作用（例如結構自重、土壓力、預應力等）。2)可變作用variableaction

在設計基準期內其量值隨時間變化且其變化與平均值相比不可忽略的作用（（例如樓面活荷載、屋面活荷載和積灰荷載、吊車荷載、風荷載、雪荷載、多遇地震等）。

3)偶然作用accidentalaction

在設計基準期內不一定出現而一旦出現其量值很大且持續時間很短的作用（例如罕遇地震、爆炸力、撞擊力等）。

設計基準期

designreferenceperiod

為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數。（例如我國規范定為50年）

9.作用和作用效應1.3結構可靠的基本概念及基本術語作用效應

effectofanaction

由作用引起的結構或結構構件的反應，例如內力、變形和裂縫等。荷載效應S（荷載引起結構構件的內力、位移等）9.作用和作用效應1.3結構可靠的基本概念及基本術語10.結構抗力結構抗力是指結構抵抗破壞或變形的能力，如極限內力、極限強度、剛度以及抗滑力、抗傾力矩等。結構抗力R(構件的承載力、撓度限值、裂縫寬度限值等)1.3結構可靠的基本概念及基本術語11.功能函數和極限狀態方程結構的功能函數(performancefunction)

按極限狀態方法設計建筑結構時，要求所設計的結構具有一定的預定功能，這可用包括各有關變量在內的結構功能函數來表達，即極限狀態方程(limitstateequation)1.3結構可靠的基本概念及基本術語11.功能函數和極限狀態方程結構的功能函數(performancefunction)

1.4結構設計的目標和任務第一章概述1.4結構設計的目標和任務1.目標:以最經濟的途徑達到所期望的功能要求能承受正常施工和使用期間可能出現的各種作用；—

安全性在正常使用時具有良好的工作性能；—適用性在正常維護下具有足夠的耐久性；—耐久性遭受偶然作用時，能保持必要的整體穩定性。—安全性偶然作用如地震、龍卷風、爆炸（煤氣或恐怖襲擊）、火災等具體功能要求：結構的安全性、適用性和耐久性構成結構可靠性1.4結構設計的目標和任務2.結構設計的兩個基本步驟：結構的方案設計——

在滿足結構預定功能的條件下，選擇合理的結構型式。結構的詳細設計——荷載計算、荷載效應計算（內力或應力）、結構抗力的計算（結構構件截面尺寸和材料用量）。1.4結構設計的目標和任務3.結構設計的任務：各種自然和人為作用及其作用效應的特性和規律的認識；——荷載及其荷載效應設計理論就是在結構荷載效應和抗力之間進行合理平衡的方法。結構抵抗各種自然和人為作用的能力的把握；——結構及構件抗力結構的作用和抗力之間的合理平衡——設計理論方法1.5結構設計方法的演變第一章概述1.5結構設計方法的演變容許應力設計法破損階段設計法多系數極限狀態設計法概率極限狀態設計1.容許應力設計法（WSD)

設計表達式：其中，，是材料的彈性極限強度。稱為安全系數，延性材料：1.4～1.6，脆性材料：2.5～3.0。1.5結構設計方法的演變在近代力學理論和試驗方法建立之前，依靠模仿、比較、直覺的“設計”，…，直到17世紀；特點－所有不確定因素（包括荷載和抗力）用一個系數考慮；－安全系數憑經驗確定；－材料極限強度沒有統一的準則。－不能考慮材料的塑性能力。1.5結構設計方法的演變2.破損階段設計法(DFD)

設計表達式：其中，為結構破損狀態時的承載力為設計標準荷載引起的內力(荷載效應)

為安全系數，約為2.0特點－所有不確定因素（包括荷載和抗力）用一個系數考慮；－安全系數憑經驗確定；－考慮了材料的塑性。與容許應力設計法的不同：

—抗力的計算：容許應力設計法采用彈性破壞準則，破損階段設計法采用塑性破壞準則。

—表達的物理意義：容許應力設計法是應力層次的結構設計，破損階段設計法是內力層次的結構設計。

—安全系數的物理意義：破損階段設計法的安全考慮不僅包含容許應力設計法考慮的內容，還包括截面塑性發展。1.5結構設計方法的演變1.5結構設計方法的演變3.多系數極限狀態設計法(MFLSD)

結構的極限狀態的定義：結構或構件能滿足設計規定的某一功能要求的臨界狀況，超過這一狀態結構或構件就不能滿足設計的要求。結構的極限狀態分類：

承載能力極限狀態正常使用極限狀態1.5結構設計方法的演變

設計表達式：其中，和為恒荷載效應和活荷載效應標準值和為恒荷載系數和活荷載系數是抗力，是抗力系數是材料強度標準值，是相應的分項系數。單一安全系數設計表達式：

為荷載系數，為構件強度系數；為考慮結構重要性的安全系數，一般取1.0。，稱基本安全系數，取1.41(A3鋼)或1.45(16Mn)

取1.40(受彎)或1.55(受壓)。3.多系數極限狀態設計法(MFLSD)明確了按不同極限狀態進行設計：承載能力極限狀態，正常使用極限狀態；1.5結構設計方法的演變

對不同荷載、影響抗力的不同因素采用不同系數；部分荷載和材料強度的確定采用了統計的方法，對調查數據統計分析確定的。荷載和抗力抗力系數仍然是經驗系數，對確定的極限狀態沒有明確的保證概率。特點：1.5結構設計方法的演變4.結構可靠度設計方法

20世紀70年，以概率論為基礎的可靠度理論趨于成熟；發展了基于構件可靠度設計的荷載抗力分項系數設計方法；各個國家、不同行業的設計規范逐步向LRFD設計方法過渡；在特別重要的重大工程結構設計中采用全概率設計法。4.1結構可靠度設計方法發展概況1.5結構設計方法的演變

分不同極限狀態進行設計：承載能力極限狀態，正常使用極限狀態;荷載標準值采用統計方法，對調查數據統計，并按一定保證率確定；荷載和抗力分項系數按照確定的目標概率標定，因此，設計的結構具有明確的可靠概率。4.2近似概率極限狀態設計特點：采用多系數的表達形式1.5結構設計方法的演變Level1:確定性設計表達式＋半經驗半概率系數，(MFLSD)；Level2:近似概率設計方法如：確定性設計表達式＋可靠度方法校準的系數，(LRFD)Level3:完全概率設計方法；Level4:以總造價（期望）為目標的優化方法。4.3結構可靠度設計方法（規范）的概率水平1.6結構可靠度發展概況第一章概述國外結構可靠度發展狀況國內結構可靠度發展狀況結構可靠度計算方法發展概況1.6結構可靠度發展概況1.6結構可靠度發展概況

1.6.1國外結構可靠度發展狀況1947年，Freudenthal在歷史上首次提出“結構的安全性”問題。1956年，第一次明確提出結構的失效概率和可靠指標的概念。1969年，Cornell在歷史上第一個明確給出可靠指標的計算公式；至1974年，與AngA.H.-S.（洪華生）建立了均值一次二階矩方法的基本理論，并將其應用于結構設計中。1983年，Shinozuka首次將設計點的確定表達為約束優化問題，并證明設計點是“最可失效點”；同時，第一次將“重要抽樣法”引入結構可